Задачи управления промышленными объектами через создание цифрового двойника предприятия
Модернизация производства — это комплексное, частичное или полное обновление систем или оснащения на предприятии. Данный процесс влечет за собой целый ряд мероприятий, среди которых большую часть занимает тщательный анализ и сбор информации.
В данной статье предлагается затронуть тему цифровых двойников[1] предприятий и их реализацию в виде набора цифровых информационных моделей.
В последние годы эта тема становится все более востребованной и острой. Среди причин такого повышенного интереса можно отметить:
- объявление национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации»;
- выполнение задач цифровизации строительной отрасли (раздел «Цифровизация строительной отрасли» в проекте «Стратегии развития строительной отрасли до 2030 года»[2]);
- рост применения технологий информационного моделирования;
- появление на рынке труда молодых специалистов, владеющих инструментом.
Все чаще владельцы предприятий и представители государственных структур обращают внимание на новые технологии применительно к своим задачам, в том числе и при решении вопросов модернизации. Ни для кого не секрет, что основная масса предприятий построена в прошлом веке и не соответствует современным требованиям. И, следовательно, чтобы вывести оных в список лидеров мирового технологического процесса и наилучших доступных технологий, необходима их модернизация. Это задача стратегического уровня. Политическая и экономическая обстановка, связанная с санкциями, пандемией и рядом других причин, только обострила эту необходимость.
Что же может позволить решить задачу цифровизации строительной отрасли в промышленном кластере? И почему именно о нем стоит говорить?
В России, на первый взгляд, есть все предпосылки для резкого роста и развития новых подходов к управлению через создание цифровых двойников: на правительственном уровне приняты или принимаются необходимые решения, говорящие об особом статусе задач цифровизации в строительной отрасли; в проектных организациях строительной отрасли полным ходом идет освоение технологий информационного моделирования; высшие учебные заведения меняют свои программы с учетом государственного заказа и общемировыми тенденциями; инвесторы и заказчики наконец-то научились не только выговаривать, но и понимать основной смысл и назначение технологий информационного моделирования (BIM-технологий). И надо отметить, что Россия быстро наверстывает разрыв в этом направлении.
Основные усилия по внедрению технологий информационного моделирования сейчас направлены на рынок жилищного строительства и госзаказ объектов социальной направленности. Однако даже рынок жилищного строительства не выдает ожидаемых результатов, если говорить о полном жизненном цикле объектов капитального строительства. И связано это в первую очередь с разрывом интересов игроков — инвестор (заказчик), как правило, не участвует в дальнейшей эксплуатации произведенной продукции, будь то жилые дома, школы, поликлиники или административные здания. И, как следствие, управляющие компании или комитеты городских структур, которым в дальнейшем предстоит эксплуатация этих объектов, имеют или мизерное представление о BIM и собственной вовлеченности в процесс цифровизации, или не имеют его вовсе.
И все-таки нельзя утверждать, что цифровые двойники в жилищном комплексе на территории России отсутствуют. Такие примеры есть, и связаны они только с крупными частными застройщиками, осваивающими территорию Москвы. Например, PSN Group (ТОП-5 девелопер Москвы по результатам 2016 года) была внедрена Единая система мониторинга, управления и аналитики для сети жилых комплексов (используются модели зданий), которая находится в промышленной эксплуатации, но по-прежнему постоянно развивается: происходит подключение новых жилых комплексов, разрабатываются новые модули, связанные с предикативным анализом работы оборудования, формируются планы развития[3]. Это скорее исключительный случай.
Другое дело — промышленные объекты. Любое предприятие проходит полный жизненный цикл от появления идеи до демонтажа, сохраняя интерес своего заказчика — управленца. И вот тут-то можно и должно в полной мере почувствовать преимущества применения технологий информационного моделирования в качестве создания цифрового двойника промышленного объекта.
Современный мир предлагает для решения таких задач множество технологий, концепций и инструментов: PLM/PDM, BigData (Большие данные), IIoT[4] (Промышленный интернет вещей), Cloud Computing (Облачные вычисления), GIS (Геоинформационные системы), BIM/openBIM и другие. Все это может быть востребовано при решении множества задач управления объектами предприятия, одной из которых является модернизация. Например, создание цифрового двойника путем формирования цифровых информационных моделей производственных цехов поможет собрать данные о состоянии оборудования, об основных и оборотных средствах, а также о производственных процессах и проанализировать их с помощью специализированных систем.
Модернизация предприятия без снижения объемов производства и, тем более, без его остановки — это задача, которая под силу современным технологиям. Кто-то может возразить, что такие задачи решались и прежде. Решались, но сейчас главный фактор — это время.
Несколько лет назад шли постоянные обсуждения отсутствия стандартов по технологиям информационного моделирования, а сейчас уже речь идет о более глубокой их проработке и применимости к особенностям российского рынка.
Если еще десять лет назад разворачивались целые баталии на тему отсутствия интеграции при применении программного обеспечения разных вендоров, то сейчас и этот вопрос начинает уходить в прошлое. Разработчики программного обеспечения становятся более открытыми друг другу, понимая, что не могут покрыть весь спектр решаемых в строительной отрасли задач. В качестве стандарта обмена и управления данными об объектах строительства в Российской Федерации принят формат IFC (Industry Foundation Classes — формат данных с открытой спецификацией)[5].
Так что же препятствует появлению цифрового двойника предприятия и его участия в вопросах модернизации и, возможно, в дальнейшем в задачах управления активами?
Ответ простой — желание заказчика, его умение идти к поставленной цели и добиваться ее, так как этот процесс невозможно решить в укороченные сроки.
В 2019 году Роснефть запустила в опытно-промышленную эксплуатацию цифровой двойник своего месторождения в Башкирии — проект «Цифровое месторождение»[6], выстраивая тем самым интегральную цепочку нового типа, включающую в себя «цифровое месторождение», «цифровой завод» и «цифровую АЗС». Разработка и запуск проекта «Цифровое месторождение» осуществляется в рамках стратегии «Роснефть-2022», предусматривающей переход на качественно новый уровень управления бизнес-процессами, повышение надежности и экономичности производства, сокращение потерь. Хоть в приведенном примере есть упоминание о «цифровом заводе», но все же выполненная работа относится к управлению производственными процессами, а не промышленными объектами недвижимости.
А вот другой пример. Как сообщается на сайте компании «Газпром нефть»[7] от 27 октября 2020 года, «Газпром нефть» получила патент на собственную цифровую разработку — Систему управления инженерными данными (СУПРИД). Система формирует электронные модели производственных установок — цифровые двойники, включающие в себя инженерно-техническую документацию и 3D-модель объектов. Сейчас СУПРИД охватывает Московский и Омский НПЗ «Газпром нефти», позволяя на 20% сократить временные затраты на выполнение регламентных мероприятий по эксплуатации, ремонту и обслуживанию. Экономический эффект от внедрения системы на нефтеперерабатывающих заводах компании оценивается более чем в 700 млн рублей в год.
Итак, видно, что процесс создания цифровых двойников предприятий уже начал свое движение по территории России, и хочется верить в появление новой технологии, которая с каждым годом будет все более востребованной и совершенной. Однако, прикоснувшись к цифровым двойникам в жизни, понимаем, что пока это или попытка перевести привычный процесс проектирования на новый уровень, или подтягивание моделей зданий без информационной части к своим системам автоматизации, или же моделирование без учета всех последующих задач использования цифровых информационных моделей: эксплуатация, модернизация, управление активами и так далее.
В массе случаев появляющихся на свет цифровых двойников видно, что отсутствует главное — требования заказчика, которые зафиксированы в виде документов и будут неукоснительно выполняться исполнителями; что зачастую исполнители живут интересами, очерченными рамками своих договоров и получением вознаграждения за свой труд, без желания понять, что за каждым этапом жизненного цикла объекта до момента его ликвидации идет следующий этап со своими задачами, использующими результаты предыдущего этапа, и что несогласованный переход от одного этапа к другому может привести к большим финансовым издержкам. А ведь технологии информационного моделирования предназначены для наименее рискового прохождения объекта капитального строительства по всему жизненному циклу. Но для этого надо просто правильно организовать работу. Это значит, что впереди предстоит много интересной работы.
Компания ООО «Бюро ЕСГ» — это системный интегратор, который принимает активное участие в проработке правильного подхода к созданию цифровых двойников промышленных объектов. Нашими клиентами являются крупные промышленные компании в нефтегазовой, сталелитейной, судостроительной и других отраслях. «Бюро ЕСГ» имеет многолетний опыт по внедрению технологий информационного моделирования, применению технологий лазерного сканирования, созданию систем управления инженерными/проектными данными, использованию геоинформационных систем и их интеграции с цифровыми информационными моделями. Наша компания предоставляет полный комплекс услуг по разработке технологии создания цифрового двойника предприятия с учетом его последующего использования.
За последние годы специалистами ООО «Бюро ЕСГ»[8] выполнены и продолжают выполняться работы по созданию цифровых двойников как на основе лазерного сканирования, так и с использованием проектной, рабочей и исполнительной документации. ООО «Бюро ЕСГ» принимает активное участие при разработке требований заказчиков к цифровым информационным моделям в различных отраслях промышленности[9], в том числе для ПАО «Газпром нефть», а также в разработке методик создания цифровых информационных моделей с применением программного обеспечения разных разработчиков.
ООО «Бюро ЕСГ» принимает участие в пилотных проектах по разработке импортозамещающих систем управления инженерными данными и их интеграции с цифровым двойником предприятия. Группой специалистов ООО «Бюро ЕСГ» по геоинформационным системам реализован ряд проектов по созданию электронного генплана, а также интеграции BIM и 3D-ГИС.
[1] Цифровой двойник (англ. Digital Twin) — цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность бизнеса. Концепция «цифрового двойника» является частью четвертой промышленной революции и призвана помочь предприятиям быстрее обнаруживать физические проблемы, точнее предсказывать их результаты и производить более качественные продукты. Википедия.
[2] https://nopriz.ru/upload/iblock/892/TSifrovizatsiya-stroitelnoy-otrasli-dlya-Strategii.pdf
[3] Информация получена с интернет-ресурса https://hmps-business.ru/portfolio/sistema-monitoringa-upravleniya-i-analitiki-dlya-psn-group.html
[4] Промы́шленный интерне́т веще́й (англ. Industrial Internet of Things, IIoT) — это система объединенных компьютерных сетей и подключенных к ним промышленных (производственных) объектов со встроенными датчиками и программным обеспечением для сбора и обмена данными с возможностью удаленного контроля и управления в автоматизированном режиме, без участия человека. Применение Интернета вещей в промышленности создает новые возможности для развития производства и решает ряд важнейших задач: повышение производительности оборудования, снижение материальных и энергетических затрат, повышение качества, оптимизация и улучшение условий труда сотрудников компании, рост рентабельности производства и конкурентоспособности на мировом рынке. Википедия.
[5] ГОСТ Р 10.0.02-2019/ИСО 16739-1:2018 Система стандартов информационного моделирования зданий и сооружений. Отраслевые базовые классы (IFC) для обмена и управления данными об объектах строительства.
[6] Более полную информацию можно получить на сайте Роснефть (https://www.rosneft.ru/press/news/item/195043/).
[7] «Газпром нефть» защитила патентом собственную систему управления инженерными данными
[8] Более подробно об опыте компании ООО «Бюро ЕСГ» и предоставляемых услугах можно узнать на сайте http://esg.spb.ru
[9] Автор статьи в период работы в СПб ГАУ ЦГЭ (Центр государственной экспертизы Санкт-Петербурга) сформулировала требования к цифровым информационным моделям, представляемым для проведения экспертизы в Санкт-Петербурге (https://www.spbexp.ru/docs/podgotovka-informatsionnykh-modeley-bim/), которые уже успешно применяются и продолжают развиваться.
Степень защиты. Производителям электрокабельной продукции приходится ориентироваться на устаревшие ГОСТы
Производителям электрокабельной продукции приходится ориентироваться на устаревшие ГОСТы пожаробезопасности. Специалисты считают важным пересмотреть нормативные стандарты.
На площадке Союза строительных объединений и организаций (ССОО) состоялся круглый стол, посвященный вопросам пожарной безопасности возводимых и эксплуатируемых объектов. Эксперты обсудили особенности пассивной огнезащиты, а именно противопожарное качество электрокабельных коммуникаций, используемых в зданиях.
По словам начальника научно-исследовательского сектора кабельных изделий и силового электрооборудования Всероссийского научно-исследовательского института противопожарной обороны (ВНИИПО) МЧС России Андрея Варламкина, в связи с постоянным возрастанием энергомощностей очень часто возгорание объектов начинается с кабельных сетей. В частности, именно короткое замыкание в силовом кабеле стало причиной пожара в ТЦ «Зимняя вишня» в Кемерово, который унес много человеческих жизней.
Специалист отмечает, что в настоящее время производителям электрокабельной продукции приходится ориентироваться на некоторые устаревшие ГОСТы пожаробезопасности. Соответственно, сейчас, по его словам, очень важно пересмотреть нормативные стандарты, устранить ряд противоречий. Работа в этом направлении на федеральном уровне с подключением экспертов уже началась.
По словам Андрея Варламкина, в настоящее время на рынке очень много контрафактной электрокабельной продукции, которая не соответствует заявленным характеристикам. «В стране работают около тысячи «заводов-фантомов». Они постоянно меняют свою дислокацию. Подделывают все, что можно. Продукция таких предприятий – не только низкого качества, она может быть небезопасна. Но в силу экономии она очень часто используется при строительстве зданий», – сообщает специалист.
Директор архитектурно-конструкторского департамента ЗАО «Сигни Груп» Олеся Губерт отметила, что к ЧП может привести несоответствие антипожарных технологий, которые были учтены в проектной документации, и тех, которые используются в реальности: «Зачастую, приходя на стройку с авторским надзором, мы видим, что все монтируется без учета антипожарных стандартов. Если в маленьких проектах относительно легко все отследить, то в больших – почти невозможно».
Игроки рынка считают, что обезопаситься от «оптимизации» заказчиком противопожарных решений можно, только если они будут включены в стадию П (проектная) проектной документации, а не в Р (рабочая). Тогда все соответствия пожарным требованиям заявленным проектом будут проверяться надзорными органами перед вводом здания в эксплуатацию.
Руководитель инженерного отдела Hilti Александр Пименов делает вывод, что в настоящее многие подрядные организации крайне слабо заинтересованы в качественном выполнении работ, связанных с пожарной безопасностью: «Как правило, огнезащита – не основной вид деятельности таких компаний. Это те работы, которые они вынуждены выполнять по требованию заказчика и обычно в последний момент. Все материалы, которые могут быть заменены на более дешевые, меняются. К сожалению, компетенция и ситуация на нашем строительном рынке таковы, что здания доводят до эксплуатации несмотря на несоответствия с огнезащитой».
BIM – на пути к идеалу. Как и любая революционная новация, BIM-технологии вовлекают в сферу своего влияния все больше работ
BIM-технологии, как и любая революционная новация, вовлекают в сферу своего влияния все больше работ, связанных со строительством. Пока процесс еще далек от завершения, но инновации все активнее проникают в повседневную практику отрасли – хоть и не в максимальном объеме,
но все глубже и глубже.
BIM без альтернатив
Несмотря на то, что BIM-технологии появились сравнительно недавно, строительная отрасль в целом уже осознала, что основные перспективы цифровизации лежат именно в этой плоскости.
«Цифровая модель здания дает возможность получить больше информации об объекте, визуализировать его образ. Это положительно сказывается на взаимодействии всех участников процесса – проектировщиков, строителей, маркетологов, продавцов и др. Вся необходимая информация по объекту (архитектура, генеральный план, конструкции, инженерные системы, затраты и график работ) теперь четко структурирована и располагается в одном месте. Благодаря облачным технологиям обновление информации и совместная работа над проектом могут вестись онлайн сразу несколькими участниками. На выходе получается более совершенная проектная документация, которая не потребует внесения правок в проект и дополнительных расходов, связанных с несоответствием действующему контракту. Стало удобнее взаимодействовать и с подрядчиками, у которых появляется четкое техзадание», – констатирует Александр Свинолобов, заместитель генерального директора ООО «Бонава Санкт-Петербург» («дочка» шведского концерна Bonava).
С ним согласен Арсентий Сидоров, генеральный директор НТЦ «Эталон» (входит в Группу «Эталон»). «BIM-технология – это инструмент комплексного контроля строительства и принятия оперативных решений при управлении сроками, ресурсами и качеством проекта. BIM – это инструмент прозрачного контроля со стороны инвестора, благодаря ему стало возможно осуществлять комплексный и при необходимости удаленный контроль над инвестициями, процессом реализации проекта, правильностью и своевременностью передачи информации на всех уровнях», – отмечает он.
«Еще на этапе проектирования можно подобрать оптимальные инженерные решения для эксплуатации здания в дальнейшем, что позволит сэкономить на обслуживании до 30% бюджета», – добавляет директор по продажам компании RDI Валерий Кузнецов.
В теории…
В завершенном виде BIM-технология должна охватывать весь жизненный цикл существования объекта. «На разных этапах цифровые модели помогают решать ряд задач: на начальном этапе основная цель – разработать проект здания, рабочую документацию и пройти экспертизу; на строительном этапе разработанная ранее модель объекта дополняется разделами управления процесса и возведения объекта; на стадии эксплуатации модель дополняется и помогает управлять зданием», – говорит главный инженер проекта ГК «Серконс» Андрей Глазатов.
С ним согласна советник директора СПб ГАУ «ЦГЭ» по вопросам внедрения BIM-технологий Ирина Чиковская. «Основными этапами жизненного цикла являются: технико-экономическая оценка, проект, экспертиза, строительство, приемка в эксплуатацию, эксплуатация, демонтаж или реконструкция. На каждой из этих ступеней модель претерпевает изменения: обрастая большим количеством данных, становится более точной. Если под информационной моделью понимать структурированные данные, которые по мере необходимости могут быть востребованы и представлены в различных формах (объемно-планировочные решения, облик «идеи», табличное представление для выполнения или проверки расчетов и т. д.), то в перспективе все изменения должны отражаться в информационной модели», – отмечает она.
«Вне зависимости от условного разбиения на стадии технология позволяет хранить цифровую копию строительного объекта на всех стадиях его жизненного цикла. Важной особенностью является возможность анализа данных о строительном объекте по завершении его строительства, а впоследствии и в ходе эксплуатации. Накопление информации дает возможность выявлять реальные преимущества и недостатки различных конструктивных систем и проектных решений, а также вести учет их экономической эффективности», – дополняет заместитель генерального директора АО «КТБ ЖБ» Андрей Золотарёв.
…и на практике
Реалии, как всегда, несколько отличаются от теории. «Информационное моделирование уже на изначальном этапе постановки задачи заказчиком может включать все этапы жизненного цикла объекта – от разработки концепции до демонтажа или реконструкции», – говорит руководитель BIM-мастерской Проектного института № 1 Александр Никитин. «Для эффективного использования информационной модели здания необходимо четко определить задачи, которые должны быть решены с использованием данной модели. Идеальный вариант – когда все задачи определены до начала создания модели», – соглашается руководитель BIM-отдела компании «Метрополис» Светлана Пархоменко.
«На практике в России я не сталкивался с проработкой BIM-проекта от концепции до демонтажа. Есть информация, что за рубежом такие прецеденты есть, но лично я с ними не знаком», – говорит Александр Никитин. Он отмечает, что в цифровую модель есть возможность вносить изменения и по мере прохождения этапов жизненного цикла, но, чем менее глубокой была ее изначальная проработка, тем дороже будет вносить соответствующие корректировки.
«До сих пор нет четко сформулированной позиции, кем на стадии строительства должны вноситься все изменения в модели as build (исполнительная модель) на строительной площадке. По сути, это должна быть функция специалистов ПТО, а представители авторского надзора лишь утверждают внесенные изменения», – говорит Ирина Чиковская.
На пути к совершенству
Освоить сразу все возможности технологии на практике вряд ли возможно. По словам Александра Никитина, на практике BIM в настоящее время обычно охватывает этапы проектирования и строительства (различной глубины проработки).
«Модель содержит всю проектную документацию, а также необходимую информацию для будущего этапа строительства. С помощью BIM-технологии формируется виртуальный календарный генеральный план. На этом этапе можно быстро получить аналитическую информацию по загрузке и использованию ресурсов, анализу вероятности и вариативности реализации с учетом финансовых затрат и последовательности выполнения работ в зависимости от климатических особенностей и прочих внешних факторов. На этапе строительства идет сопоставление фактической реализации проекта подрядными организациями с планом, утвержденным заказчиком и генподрядчиком», – отмечает Арсентий Сидоров.
Между тем подготовлены поправки в Градкодекс РФ, наконец выводящие BIM из правовой «полутени». По оценкам экспертов, это даст мощный толчок развитию технологий цифрового моделирования в России. Впрочем, по оценкам экспертов, не так уж все хорошо «там» и плохо «тут».
«Существует довольно много факторов, оказывающих прямое и косвенное влияние на время внедрения BIM в строительную отрасль: это и масштаб государства, и сформированная философия строительства, и процессы принятия законодательных актов, и многие другие. Во многих странах эта тема развивается на протяжении 10–15 лет, хотя наиболее активная фаза наблюдается в последние 5–7 лет. Серьезные подвижки можно увидеть в скандинавских странах, Нидерландах, Германии, Австралии, Новой Зеландии. Первенство – у США и Великобритании. Но говорить о полном внедрении BIM в строительную отрасль даже этих стран еще рано», – говорит Ирина Чиковская.
С ней соглашается Александр Свинолобов. «Работа с цифровой моделью подразумевает, что нужно менять бизнес-процессы и культуру работы, вырабатывать необходимые компетенции. Бытует мнение о том, что российские девелоперы к таким инновациям еще не готовы. Однако опыт российского подразделения Bonava доказывает обратное: в головном офисе компании признали, что в ряде направлений наш филиал превзошел зарубежных коллег», – говорит он.
Мнение
Советник директора СПб ГАУ «ЦГЭ» по вопросам внедрения BIM-технологий Ирина Чиковская:
– В 2019 году мы планируем приступить к приему информационных моделей при проведении экспертизы. Все требования формируются исходя из нормативных документов, используемых при проработке проектных решений. Минстрой подготовил поправки в Градкодекс об обязательном внедрении BIM-технологий в строительной сфере. Это очень важное решение, которое откроет дорогу информационному моделированию. Однако применение технологии вынуждает пересмотреть и существующую систему распределения финансов на стадии проектирования, сместив большую долю финансирования со стадии «Рабочая документация» на стадию «Проект». Это изменит ситуацию на проектном рынке и снимет много вопросов о проведении экспертизы с использованием BIM.
Антон Карявкин, руководитель технического центра стратегического направления «Строительство» компании REHAU по Восточной Европе:
- Проектирование – один из самых ответственных этапов. Идет активная разработка информационной модели здания, объединяющей архитектурно-планировочные, конструктивные и инженерные решения с отражением всех технико-экономических показателей. На стадии строительства трансформация информационной модели продолжается. В частности, в ней появляются разделы, связанные с организацией и обслуживанием процесса возведения здания. За счет этого обеспечивается полная прозрачность работ для всех участников строительства: от девелопера, генподрядчика и управляющей компании до будущих жильцов. На этапе эксплуатации BIM-модель необходима для автоматизации управления недвижимостью. С помощью BIM-технологий ведется учет и техническое обслуживание смонтированных инженерных систем, осуществляется взаимодействие с сервисными подрядчиками, выполняется мониторинг ресурсов управляющей компании. BIM-технологии также полезны при сносе здания, особенно если оно является памятником архитектуры. Информационную модель можно использовать для восстановления объекта.
Павел Мурзакаев, руководитель по работе со стратегическими проектными институтами компании Schneider Electric:
- Сейчас BIM активно внедряется на этапах проектирования и строительства. Цифровая модель объекта на ранних этапах проектирования серьёзно повышает точность проектирования и бюджетирования — до 90-95%. На этапе строительства применение BIM технологий сокращает издержки в среднем на 15-30%. Все популярнее среди заказчиков становится использование BIM-технологий на этапе пусконаладочных работ и эксплуатации инженерного оборудования. В основном это связано с тем, что обслуживание инженерного оборудования составляет основную долю операционных расходов, которые могут превышать капитальные затраты на строительство в 3-4 раза. Кроме того, внедрение BIM позволяет значительно ускорить ввод объекта в эксплуатацию и повысить эффективность его обслуживания. Например, за счет синергии систем автоматизации объекта и эксплуатационной BIM-модели можно сэкономить на энергоресурсах около 20%.