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.
Парковка в стиле «андеграунд»
По словам экспертов, подземные паркинги получают все большее распространение. Они появляются как при возведении новых объектов, в том числе и жилья высокого класса, так и при реконструкции зданий в центре Петербурга под деловые или торговые комплексы.
К строительству готовы
Член-корреспондент РААСН, профессор, заведующий кафедрой геотехники СПбГАСУ Рашид Мангушев отмечает, что говорить о том, что какие-то проблемы, связанные с освоением подземных пространств, в частности, при строительстве паркингов, решены, — некорректно. В геотехническом отношении Петербург характеризуется большой толщей слабых водонасыщенных грунтов, в центральной части города дополнительно к этому добавляется уплотненная застройка историческими зданиями. И измениться эти обстоятельства никак не могут. «Другое дело, что сейчас мы накопили достаточный опыт, разработали и освоили современные технологии и оборудование, подготовили квалифицированные кадры, чтобы решать эти проблемы», — говорит он.
«Пожалуй, самой большой проблемой остаются сложные различающиеся даже в условиях одной строительной площадки инженерно-геологические и гидрологические состояния грунтов, а также не всегда качественно проведенные изыскания», — отмечает технический директор ООО «ГЕОИЗОЛ» Максим Зайцев.
Рашид Мангушев подчеркивает, что сейчас требуется разрабатывать не только сам проект, но включить в него геотехническое обоснование работ: заранее рассчитываются возможности устройства котлована в данном месте, устойчивость выбранной системы его крепления, оцениваются осадки окружающей застройки, если таковая имеется, и др.
«Это, конечно, несколько удорожает строительство, но, если мы хотим строить паркинги в центральной части города, альтернативы такому подходу нет. Пренебрежение предварительными расчетами и исследованиями только усложняет ситуацию, поскольку приходится исправлять уже сделанное. Подобный пример был недавно на одном крупном объекте известного застройщика, где плохо были спроектированы и выполнены дренажные работы, не учтен ряд конструктивных особенностей сооружения, и в результате подземные паркинги стали "всплывать". Проблему в итоге удалось решить, но и проще и дешевле было бы сделать предварительную оценку, а не переделывать работу уже в ходе строительства», — констатирует эксперт.
В центре особого внимания
По словам Рашида Мангушева, работа в центре города усложняется наличием плотной исторической застройки, влияние нового объекта на которую надо обязательно оценивать как на стадии проекта, так и в процессе строительства. «В ряде случаев приходится делать превентивное усиление фундаментов окрестных зданий и выполнять другие работы для предотвращения негативных воздействий не только на строящееся новое здание, но и соседние сооружения», — отмечает он.
С ним соглашается Максим Зайцев. «Различия при возведении подземных этажей зданий в исторической части города и в новых районах существенны с точки зрения принимаемых технических решений. Разнится и стоимость реализации проектов. При строительстве в новых районах или нет соседних зданий, или они построены на свайных фундаментах, благодаря которым существенно снижается влияние на новое здание», — говорит он.
По словам эксперта, в таком случае можно использовать технологию шпунтового ограждения котлованов, которое может быть временным. «При строительстве в условиях исторической застройки при проектировании ограждающих конструкций и фундаментов необходимо закладывать решения, минимизирующие влияние на соседние здания с учетом норм по допустимым осадкам. Как следствие, приходится закладывать необходимость усиления зданий соседней застройки, что не всегда осуществимо. К сожалению, расчеты могут быть идеальными только на бумаге. Реальные технологические осадки при производстве работ и человеческий фактор учесть зачастую довольно сложно», — признает Максим Зайцев.
Генеральный директор ГК «Еврострой» Оксана Кравцова добавляет, что с точки зрения технологий, в том числе и при создании подземных паркингов, все более популярными становятся автоматизированные парковки, когда автомобиль доставляется на место роботизированным механизмом. Такой подход позволяет увеличить количество машино-мест и создавать парковки на небольших земельных участках. «Именно такой двухуровневый подземный паркинг будет в клубном доме «Приоритет». Для создания подземной парковки в условиях нестабильных грунтов у нас ушел почти год: некоторые технологии впервые применялись в петербургском гражданском строительстве. В частности, для надежной гидроизоляции было выполнено шпунтовое ограждение с использованием расширяющегося герметика, а устройство свай проходило по технологии Jet Grouting, которая позволяет укреплять любой диапазон грунтов — вплоть до илистого», — говорит она.
Вторая жизнь. Холодный ресайклинг в дорожном строительстве
Повторное использование в дорожном ремонте изношенного асфальтового покрытия, перемешанного непосредственно на дороге с верхним слоем дорожного основания, с добавлением вяжущих и специальных добавок позволяет повысить скорость и экономичность проведения работ, при этом получая монолитную плиту основания с очень высокими и долговечными эксплуатационными характеристиками. Данная технология, называемая холодным ресайклингом (холодной регенерацией), активно используется в зарубежных странах, но в России пока только начинает распространяться.
По словам заместителя генерального директора по связям компании «Статус-Грунт» Максима Лебедева, в условиях изношенности дорожного фонда и бюджета, недостаточного для проведения капитального ремонта, местные власти вынуждены ограничиваться текущим ремонтом, который заключается в замене только защитного слоя (асфальтобетона). Большая часть региональных и межмунициапальных дорог в нашей стране устроены много десятилетий назад и рассчитаны были еще тогда на значительно меньшие нагрузки (6–8 т/ось). Их основания практически полностью разрушены, они не несут прочностных характеристик (материалы деградированы, переувлажненные участки, карсты, коррозия дорожного основания и т. д.). Большинство сегодняшних ремонтных работ можно сравнить с укладкой асфальта на «манную кашу»: деньги потрачены, а эффекта нет. Все дефекты дороги в короткие сроки вновь выходят на поверхность.
«В отличие от традиционного фрезерования и замены только верхнего слоя покрытия, технология холодного ресайклинга позволяет получить усиленную конструкцию дорожной одежды, создавая из материалов старого покрытия и дорожного основания новый гомогенный слой с более высокими прочностными характеристиками. Данный метод позволяет использовать 100% материалов старой дороги, сокращая сроки строительства в три раза и получая экономию бюджета до 20–30%, при этом оставаясь мерой текущего, а не капитального ремонта», — подчеркивает Максим Лебедев.
Выбирая технику
В работе по технологии холодного рециклинга используется специализированная техника — ресайклеры, в большинстве своем они импортного производства.
Директор по развитию бизнеса ООО «МС-партс» Александр Басионок отмечает, что конкуренция среди производителей ресайклеров существует, но она в разы ниже по сравнению с другой строительной техникой. «Далеко не каждый завод-изготовитель имеет возможность производить и держать по наличию в России технику для регенерации. Известная китайская компания XCMG это делает, имея постоянный склад ресайклеров на Дальнем Востоке и в Москве. Кроме того, XCMG отличается своей доступностью по стоимости и широким ассортиментом. Что касается новинок, то завод ежегодно дорабатывает существующие модели, опираясь на отзывы своих дилеров и заказчиков, а также регулярно выпускает новые модели.
Ресайклеры — это большие сложные и дорогие машины, продолжает тему региональный менеджер по продажам компании «ФАЙАТ БОМАГ РУС» Дмитрий Абрамов, поэтому рынок машин для регенерации и стабилизации невелик и составляет порядка трех десятков машин в год. «Основными игроками на этом рынке являются три производителя специализированной техники, в число которых входит компания BOMAG, выпускающая подобные машины с 1973 года. При выборе машины для стабилизации и рециклинга важно понимать, с какими вяжущими и в каких комбинациях придется работать на будущих проектах. Машины по запросу клиента комплектуются различными системами введения и дозирования воды и вяжущих материалов в асфальтогранулят», — добавил он.
Требуются стандарты
Несмотря на технологичность и эффектность метода холодного ресайклинга для ремонта и строительства дорог, по мнению экспертов, она пока в нашей стране активно не применяется. К сдерживающим факторам, отмечает Максим Лебедев, можно отнести неосведомленность о ее положительных аспектах и нежелании разбираться в них, а порой и просто лоббирование интересов местных АБЗ и карьеров лицами, принимающими решение на местах, отсутствие их прямой и реальной ответственности за полученный результат и экономическую эффективность решений.
«В связи с вышеизложенным огромные деньги расходуются нецелесообразно или с низкой эффективностью. Необходим более жесткий контроль за этим, особенно при реализации национального проекта "Безопасные и качественные дороги" (БКД). Правда, отдельные регионы используют эту технологию при ремонте дорог. В 2020 году мы отремонтировали по технологии холодной регенерации более 300 тыс. кв. м межмуниципальных дорог в Нижегородской области, сэкономив немалые деньги региону. Данная технология, на мой взгляд, — огромное подспорье в оптимальной реализации программ развития дорожной сети в РФ и, в частности, БКД», — сообщил Максим Лебедев.
В компании «Цитадель технология», занимающейся производством продуктов для стабилизации грунтов, также считают основным сдерживающим фактором серьезного внедрения в дорожную отрасль холодного ресайклинга отсутствие должной нормативно-правовой базы. В данном случае имеется в виду отсутствие национального стандарта по данной технологи. Хотя подвижки, отмечают специалисты, уже есть, в прошлом году приняли предварительный национальный стандарт по укреплению грунтов. Проектировщики неохотно идут на эту технологию. Им проще работать по старинке. Технология требует высококачественного инжинирингового сопровождения. Это и будет в дальнейшем точкой роста. Как только появятся инжиниринговые компании, обладающие компетенцией в проектировании и строительстве по указанной технологии, то и государственным заказчикам будет проще ее применять. Сегодня складывается парадоксальная ситуация: государственные заказчики проводят конкурсы на холодную регенерацию, подрядчики выполняют работу, а технические заказчики порой не знают, по каким нормативам принимать работы, подчеркивают эксперты.
Мнение: Александр Басионок, директор по развитию бизнеса ООО «МС-партс»:
— В линейке ресайклеров XCMG достаточно моделей, чтобы подобрать именно тот, который будет отвечать конкретным требованиям заказчика. К примеру, если дорожная организация работает исключительно в рамках стабилизации грунтов, то приобретение полноценного ресайклера нецелесообразно ,и ему будет вполне достаточно использовать более легкую модель в виде стабилизатора XCMG XL2103 или XL2503. Если же в планах работы с асфальтом или клиент рассматривает приобретение на перспективу с целью участия на объектах с разными требованиями, то, безусловно, стоит рассмотреть полноценный ресайклер типа XLZ2103 или XLZ2303. Весь модельный ряд XCMG представляет собой восемь машин, две из которых — стабилизаторы, шесть — ресайклеры.