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.
Как в одной BIM-системе спроектировать сразу три раздела детского дошкольного учреждения. Опытом делится ООО «ПСК РегионПроект»
В BIM-системе Renga создан проект детского сада на 140 мест.
Renga Software
О компании:
Предприятие: ООО «ПСК РегионПроект»
Сфера деятельности: проектирование объектов гражданского и жилищного назначения, объектов промышленности и транспорта, в том числе уникальных зданий и сооружений.
Город: Челябинск
Предпосылки перехода на BIM:
Дубовой Николай Владимирович, директор ООО «ПСК РегионПроект»: «Наша компания работает на рынке с 2009 года. За эти годы мы создали проекты не только жилых и промышленных зданий, торговых и развлекательных комплексов, но и уникальных объектов, таких как аквапарк, стадион и даже национальный центр управления обороны РФ.
Проекты становились все сложнее, на их реализацию привычными 2D-инструментами уходило много времени. Я пришел к выводу, что настало время внедрять новые технологии, переходить на BIM. Это сейчас активно поддерживается на законодательном уровне, да и наши заказчики все чаще стали предъявлять требование предоставлять информационную модель.
Часть наших сотрудников владели системой Archicad. Другие – освоили Tekla Structures, но опыта использования единого BIM-инструмента для проектирования всех разделов у нас не было».
Выбор новой системы
Основным критерием, на который ориентировалась компания при выборе системы для работы всех проектировщиков, стал комплексный подход к проектированию. Российская система Renga полностью соответствовала этому критерию, так как она позволяет проектировать и архитектуру, и конструктивную часть здания, и внутренние сети.
Для погружения в возможности системы было принято решение выполнить пилотный проект в Renga.
Процесс BIM-проектирования
Объектом для пилотного проекта стал детский сад на 140 мест в городе Копейске. Детский сад представляет собой двухэтажное здание с техническим этажом. Информационная модель объекта создавалась по имеющимся чертежам.
Улитин Сергей Алексеевич, главный инженер проекта ООО «ПСК РегионПроект»: «В соответствии с грунтовыми условиями мы выбрали свайный фундамент для здания. Несущими конструкциями стали кирпичные стены, сборные плиты перекрытий и деревянная скатная кровля.
Стены построили одноименным инструментом системы Renga, затем добавили в проект нужные плиты перекрытий и перемычки, взяв их из каталогов, представленных на сайте разработчиков системы.
Созданная в Renga стропильная система крыши завершила работу над проектированием конструктивной части здания (рис. 1). В процессе ее создания мы убедились, что 3D-моделирование способствует более наглядному отображению системы деревянной кровли и улучшает точность подсчета объема материалов».
Рисунок 1 – Конструктивная модель здания детского сада
Дерновая Софья Александровна, ведущий инженер ООО «ПСК РегионПроект»: «В здании предусматривались входные группы с пандусами для младших групп на уровне первого этажа, и металлические лестницы на второй этаж (рис. 2). Они создавались преимущественно встроенными инструментами «лестница», «колонна», «балка», «плита», «пандус» и «ограждение» с учетом планировочных отметок земли.
Рисунок 2 – Проработанные входные группы
При работе над проектом я активно использовала инструмент «Сборка». С его помощью законструировала монолитные участки перекрытий (рис.3), типовые элементы стальных лестниц, а также смогла создать двери различных нетиповых конфигураций (рис.4).
Рисунок 3 – Монолитные участки
Рисунок 4 – Нетиповые двери, созданные с помощью инструмента «Сборка»
Также в ходе разработки модели я оценила удобство инструмента «Помещение», который автоматически определяет площадь комнат (рис. 5) и упрощает подсчет отделочных материалов.
Рисунок 5 – Внутренние планировки детского сада
После завершения работы над архитектурной и конструктивной частью в модель была экспортирована мебель (рис. 6).
Рисунок 6 – Внутренние планировки с добавленной в проект мебелью.
Рисунок 7 – Архитектурная модель детcкого сада.
Улитин Сергей Алексеевич, главный инженер проекта ООО «ПСК РегионПроект»: «Далее к работе над моделью подключился инженер для проработки внутренних систем. Он создал в Renga систему отопления, водоснабжения и водоотведения, вентиляцию и электрические сети, оценив все преимущества 3D-моделирования на практике (рис. 8).
Рисунок 8 – Информационная модель инженерных систем детского сада
После расстановки точек трассировки были проведены магистральные сети и затем подключено к ним установленное оборудование. Загружать дополнительное оборудование из сторонних программ в Renga не потребовалось: все санитарно-техническое оборудование и электрические приборы, использованные в проекте, – из системы Renga (рис. 9).
Рисунок 9 – Санитарно-техническое оборудование в проекте
Готовая модель была выгружена в формат IFC для просмотра в сторонних программах» (рис. 10).
Рисунок 10 – Модель в сторонней программе.
Достигнутый Результат
В результате работы над проектом специалисты ООО «ПСК РегионПроект» создали в BIM-системе Renga информационную модель детского сада, проработав ее архитектурную и конструктивную части, а также внутренние инженерные сети, получив тем самым бесценный опыт комплексного проектирования по BIM-технологии.
Эффект от использования BIM-cистемы
Дубовой Николай Владимирович, директор ООО «ПСК РегионПроект»: «В процессе реализации пилотного проекта в системе Renga мы смогли убедиться, что BIM – это не сложно и не дорого. Мы самостоятельно освоили программу, многие инструменты были интуитивно понятны. Хотелось бы отметить вовлеченность создателей Renga и сотрудников компании АСКОН в процесс внедрения и освоения системы: на все возникающие у нас вопросы мы оперативно получали ответы.
Мы довольны полученным опытом 3D-проектирования и уровнем отечественной BIM-системы. Renga позволила нам создать полноценную 3D-модель здания от фундамента и до розеток. Наглядность BIM-проектирования помогла избежать коллизий и нестыковок в проекте. Планируем реализовывать в системе Renga и другие наши проекты».
Обследования: прорывы и тупики
Реконструкция и реставрация существующих объектов требуют предварительного обследования состояния существующих конструкций. Опрошенные «Строительным Еженедельником» эксперты рассказали о том, что нового в этой сфере и с какими проблемами приходится сталкиваться.
Что новенького
Эксперты отмечают, что за последние годы в обиход вошло немало новых технологий, которые продолжают совершенствоваться. «Появились много новых приборов неразрушающего контроля. Они стали легче, компактнее и удобнее для применения, и главное — дешевле. В нашем музее есть дисковый склерометр весом около 10 кг для испытания бетона. А сегодня электронный аналог весит 300 гр. Очень давно, наверное, одни из первых в городе мы купили электронный склерометр Шмидта и гордились этим. Это было дорогое удовольствие. А сегодня этот прибор есть почти у всех», — рассказывает генеральный директор ООО «БЭСКИТ» Сергей Пичугин.
«Ранее созданные методы инструментального обследования строительных конструкций, в том числе по обследованию скрытых параметров, стали совершеннее. Мы максимально применяем неразрушающие методы, используем видеоэндоскопы, приборы радиоволнового метода, сейсмоакустику и другое оборудование, прямо или косвенно позволяющее выполнить исследования и определить скрытые конструкции и элементы. Еще десять лет назад было практически невозможно исследовать глубину свайных фундаментов, сегодня при помощи сейсмоакустического метода это стало возможным. Наша лаборатория является первой в Петербурге аккредитованной на данные испытания в Национальной системе Росаккредитация», — отмечает генеральный директор ООО «ГЛЭСК» Сергей Салтыков.
Сергей Пичугин говорит, что, для того чтобы участвовать в больших конкурсах, компания также сертифицировала две свои лаборатории неразрушающего контроля. «Ежегодно проходим проверку и подтверждаем свою квалификацию», — добавляет эксперт.
По словам Сергея Салтыкова, помимо технических, конструктивных исследований, каждое обследование зданий и сооружений включает и обмерные работы. «Тахеометры, активно используемые сегодня, существовали и пятнадцать лет назад. Но если для современного строительства они являются лучшими помощниками, то возможность создания 3D-моделей при помощи сканеров или фотографий оказывает значительную помощь при выполнении обследования объектов наследия», — отмечает он.
Впрочем, эксперт считает, что, как и прежде, кадры решают все. «Показания большинства приборов, испытывающих скрытые параметры строительных конструкций, все равно приходится градуировать на основании вскрытий шурфов, зондажей», — констатирует Сергей Салтыков.
Не все гладко
Хронической проблемой в сфере обследований, как, впрочем, и в других, является система госконтрактования, которая отнюдь не способствует качеству осуществления работ. «Наличие аттестатов лаборатории и большого количества приборов сегодня не является преимуществом перед конкурентами. Побеждают в конкурсе в основном компании, предложившие наименьшую стоимость. Сегодня практически никто не проводит квалификационный отбор. Редко включается в конкурсную документацию требование о наличии собственной лабораторной базы. Главный критерий — наименьшая цена, а лучше, чтобы обследование провели "за еду"», — говорит Сергей Пичугин.
Внимание: наследие!
Зоной особой ответственности является работа на объектах наследия (ОКН), отмечают специалисты. «Обследование любого здания требует деликатного подхода, а исторических зданий в особенности. И большое количество вскрытий и разрушений не только затягивает срок выполнения работ, влияет на дальнейшие качественные характеристики объекта и нежелательно для заказчика, но и может подпадать под уголовную ответственность (в случае работы с ОКН)», — говорит Сергей Салтыков.
По словам Сергея Пичугина, к требованиям по составу обследования и испытаниям материалов, прописанным в ГОСТ 31937-2011, при работе на ОКН добавляются также нормы ГОСТ 55567-2013 и задание территориального органа по охране памятников.
«К сожалению, получение разрешения на обследование и согласование программы — это длительный процесс. Причем непонятно вообще, зачем это нужно. Все эти задания пишутся под копирку. А за работу на ОКН без разрешения предусмотрены штрафы до 1 млн рублей за каждое нарушение. В Пскове мы отрыли два шурфа и получили 2 млн штрафа, хорошо еще что суд уменьшил платеж до 1 млн. А вся работа стоила 400 тысяч рублей. В Йошкар-Оле на аварийной стене Дома культуры сталинского периода (ОКН) мы сделали вскрытие штукатурки 100 на 100 мм на участке с трещиной и получили протокол о грубом нарушении Закона 73-ФЗ, поскольку производили вскрытие без разрешения», — отмечает эксперт.