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.
Зимний вариант. Технологии зимнего бетонирования совершенствуются
Технологии зимнего бетонирования активно совершенствуются. Значительная часть из них предполагает использование противоморозных добавок в бетон.
Длительное время строительные процессы, связанные с бетонированием в зимний период, старались сводить к минимуму. Обусловлено это особенностями отвердевания бетона при отрицательных температурах. Присутствующая в материале вода при замерзании превращается в лед и после оттаивания разрушает структуру бетона.
Самая простая защита от холода – укрытие бетонной смеси ПВХ-пленкой и другими утеплителями. Чаще всего эти материалы используют при строительстве индивидуальных домов, но при сильных морозах они малоэфективны. Очень часто на стройках задействуется принудительная термообработка бетона нагревательными проводами и электродами. Продолжительность обогрева зависит от требуемой конечной прочности бетона.
Активно используют строители временные укрытия с прогревом тепловыми пушками. Причем такие навесы бывают весьма современны. Как отмечает директор по развитию бизнеса, первый заместитель генерального директора компании «Дока Рус» Алексей Мотов, обеспечение нужного температурного режима осуществляется с помощью устройства теплозащитных межэтажных штор или шатров. В частности, так называемый «тепляк» был оборудован на высоте более 13 м в одном из недавних масштабных энергетических проектов – при возведении завода по сжижению газа «Ямал СПГ», где Doka выступила проектировщиком и поставщиком опалубочных систем.
Химией по морозу
Последние два десятилетия в зимнем бетонировании применяются специальные химические противоморозные добавки. Они активируют в бетоне процессы твердения и понижают температуру замерзания жидкой фазы. Количество видов противоморозных добавок постоянно растет, а технологии их производства совершенствуются.
Руководитель направления «Добавки в бетон» корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ Катарина Путкова отмечает, что когда среднесуточная температура опускается до +5 °С, строительные нормы регламентируют переход на зимний вариант работ, и здесь уже необходимо использование противоморозных добавок.
По словам эксперта, после укладки бетонной смеси, в том числе с применением противоморозных добавок, необходимо провести ряд мероприятий по уходу за свежеуложенным бетоном по СП 70.13330.2012, особое внимание уделяя п. 5.3 и п. 5.11. Полученная смесь должна готовиться из подогретых материалов – для создания теплой и влажной среды, необходимого условия для твердения бетона. Чтобы сохранить эту среду на продолжительное время, после укладки следует утеплить поверхность бетона. В процессе твердения, изолированный от холодного воздуха щитами и матами, он будет выделять дополнительное тепло. На разных строительных участках, в зависимости от их особенностей, и в конструкциях разного объема эта экзотермическая реакция будет проходить с разной интенсивностью.
«Если сразу же после бетонирования накрыть открытую поверхность гидроизоляционным материалом, это поможет избежать не только потерь влаги, но и образования высолов. Также не рекомендуется производить заливку в снегопад. Если снег начнется во время этого процесса, то уже уложенный бетон необходимо экстренно укрыть слоем гидроизоляции», – рассказывает Катарина Путкова.
Внимание к опалубке
По словам Алексея Мотова, для опалубочных работ при бетонировании в зимний период крайне важно, чтобы основание конструкции и другие примыкающие поверхности опалубки были тщательно очищены от снега и льда. «Причем очистка должна производиться сухой струей сжатого воздуха, с использованием щеток или скребков. Мы всегда предупреждаем наших клиентов, что использование для данных целей солевых растворов запрещено», – отметил он.
Также всегда необходимо помнить, что при снижении температуры воздуха до -10 °С поверхности вместе с арматурой желательно прогреть до достижения положительной температуры. Прогрев осуществляется с помощью калориферов или инфракрасных обогревателей, которые устанавливают рядом с прогреваемой конструкцией. Время прогрева зависит от температуры окружающей среды и назначается специальной лабораторной службой непосредственного производителя работ.
Кроме того, очень большое значение для высокого качества получаемой конструкции, отмечает Алексей Мотов, имеют мероприятия по уходу за бетоном уже после распалубливания. В частности, необходимо иметь возможность постепенного выравнивания температур твердеющего бетона и наружного воздуха. Для этого в зонах выдерживания и охлаждения конструкций устанавливаются теплозащитные межэтажные шторы или шатры, а при необходимости – калориферы или тепловые пушки.
Мнение
Катарина Путкова, руководитель направления «Добавки в бетон» корпорации ТЕХНОНИКОЛЬ:
– Часто обстоятельства вынуждают начинать строительство в холодное время года. Это не критично, так как качественная противоморозная добавка позволяет работать с бетоном зимой, улучшает его прочностные характеристики и антикоррозийные свойства. Даже летом, применяя противоморозную добавку при плюсовых температурах, мы получим дополнительный эффект ускорения набора прочности бетона.
Частный случай. Использование газобетона в малоэтажном строительстве
Газобетон активно применяется при возведении малоэтажных индивидуальных домов. Материал прост в работе, долговечен и доступен по цене.
По оценке экспертов, в настоящее время в России около половины всех малоэтажных индивидуальных домов строится из газобетона. Материал обладает рядом положительных характеристик при возведении малоэтажек.
Простая экономия
Газобетонные блоки имеют почти идеальную геометрическую форму, поэтому швы кладки получаются очень тонкими.
Как отмечает генеральный директор компании «ЛСР. Стеновые» Сергей Маковеев, это позволяет экономить раствор клея для газобетона, а также улучшает теплоизоляцию и делает стены дома прочнее. «Автоклавный газобетон можно обрабатывать обычным ручным инструментом. Из него вырезают нестандартные элементы всевозможных размеров. Работать с газобетоном настолько просто, что с этим справится любой частный строитель, не говоря уже о профессиональных. Поэтому даже в регионах, где традиционно предпочитали бревна или деревянный брус, загородные дома все чаще возводят именно из этого материала», – подчеркивает он.
В пользу газобетона свидетельствует и высокая скорость строительных работ. Как рассказывает генеральный директор компании H+H Нина Авдюшина, большие габаритные размеры газобетонных блоков удобны для кладки. Один блок толщиной 375 мм заменяет 30 стандартных кирпичей, что значительно ускоряет процесс возведения стен. Также газобетон имеет множество других положительных потребительских свойств: высокую прочность, огнестойкость, экологичность, паропроницаемость, долговечность, морозостойкость. «Кроме того, за счет ячеистой структуры у газобетона лучший индекс звукоизоляции по сравнению с деревом, бетоном, кирпичом и другими конструктивными элементами аналогичной поверхностной плотности, что важно в случае частного строительства. Нередко в одном загородном доме проживают сразу несколько поколений семьи, включая детей, так что значение звукоизоляции возрастает», – добавляет она.
Немаловажный фактор – цена материала. Газобетон дешевле кирпича, бруса, камня. Стоимость дома из газоблоков получается приблизительно на 20% дешевле, чем из кирпича – материала, наиболее близкого по своим характеристикам.
По словам Нины Авдюшиной, в конце прошлого года компания H+H провела исследование среди тех, кто планирует строительство загородной недвижимости, о причинах выбора газобетона. По отзывам потребителей, кроме быстроты строительства и надежности материала, их привлекает именно ценовая доступность.
Согласно исследованию, газобетон наиболее популярен среди людей в возрасте 30–39 лет и старше 50 лет. Материал выбирают, исходя из уже имеющегося опыта его использования, или по рекомендации друзей. Важны и мнения специалистов, разрабатывающих проект дома. Все больше потребителей готовы привлекать к строительству дома специализированные компании. Хотя тех, кто планирует стройку собственными силами, по-прежнему много.
Особенности строительства
Строительство домов из газобетона рекомендуется производить в температурном диапазоне от +5 до 25 °С. Скреплять газобетонные блоки практичнее не раствором, а специальным клеем. Как правило, его выпускают сами производители газобетона. Вертикальную поверхность нижних рядов кладки, находящихся в зоне увлажнения, рекомендуется укрывать временным фартуком. Хранить еще не использованные газобетонные блоки необходимо на поддонах в защищенном от намокания месте.
Эксперты отмечают, что газобетон не пропускает влагу внутрь помещения, но из-за большого количества пор он удерживает ее внутри себя. Иногда это может привести к снижению устойчивости конструкции здания. Чтобы этого не произошло, стены из газобетона отделывают фасадными материалами с повышенной гидроизоляцией. К таковым относятся штукатурка с усиленной защитой от влажности, фасадный кирпич. Также для отделки подходят некоторые виды вентилируемых фасадов и декоративный камень.
Мнение
Сергей Маковеев, генеральный директор компании «ЛСР. Стеновые»:
– Если говорить о российском рынке в целом, то в последние годы растет популярность автоклавного газобетона. Его доля среди стройматериалов для кладки в настоящее время составляет около 40%. Доля керамических стеновых материалов – 30%. Оставшиеся доли приходятся на блоки из бетона и других материалов. В регионах эти показатели могут варьироваться. Владельцы загородных домов, скорее всего, хорошо знают, что такое автоклавный газобетон – ведь он востребован и среди строителей-самоучек, и среди профессиональных бригад.