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.
ПЕНОПЛЭКС® для современного здравоохранения
Высококачественная теплоизоляция ПЕНОПЛЭКС® из экструзионного пенополистирола широко применяется для возведения объектов здравоохранения в различных регионах России. Ярким примером служит использование материала для обустройства кровли корпусов центральной городской больницы в городе Бердске Новосибирской области.
ГБУЗ «Бердская центральная городская больница» (ГБУЗ «БЦГБ») ведет свою историю с дореволюционных времен, когда на месте нынешнего города стояло село Бердское. С приходом к руководству квалифицированных специалистов по организации здравоохранения в 1940-е годы началось интенсивное развитие учреждения. Возникла хирургическая служба, открылись курсы медицинских сестер, которые впоследствии были преобразованы в медицинское училище. В 50-е годы прошлого века начала работу станция скорой помощи, открылось туберкулезное отделение, женская консультация. В последующие десятилетия больница активно прирастала новыми специализированными подразделениями.
Сегодня учреждение является многопрофильным и состоит из 12 лечебно-диагностических корпусов, оснащенных современным оборудованием. Имеется отделение скорой медицинской помощи с 9 бригадами, 8 амбулаторно-поликлинических отделений мощностью 1017 посещений в смену. В больнице функционирует 16 специализированных стационарных отделений на 639 коек.
Реконструкция кровли с применением теплоизоляции ПЕНОПЛЭКС® идет в корпусах на ул. Боровой 107 и 109, и ул. Пушкина, 172. Экструзионный пенополистирол надежно защитит здания от потерь тепла через верхнюю часть благодаря высоким теплозащитным свойствам (коэффициент теплопроводности не выше 0,034 Вт/м∙°С в самых неблагоприятных условиях) и их стабильности вследствие нулевого водопоглощения. Следует особо отметить сочетание легкости (плотность 20–50 кг/м3) и высокой прочности на сжатие (от 0,15 МПа при 10%-ной деформации) плит ПЕНОПЛЭКС®, что очень важно для кровли. При таких характеристиках теплоизоляционный слой не будет оказывать сильного воздействия на несущие конструкции зданий и в то же время выдержит необходимые нагрузки, которым подвержена кровля. Экологически безопасный и биостойкий материал будет надежно утеплять кровлю в течение многих десятилетий без необходимости в ремонте. Срок службы плит ПЕНОПЛЭКС® без потери свойств составляет минимум 50 лет.
В нынешнем году по известным причинам в стране развернулось масштабное строительство новых и реконструкция существующих медицинских учреждений. На официальном сайте ООО «ПЕНОПЛЭКС СПб» сообщалось и рассказывалось о многих объектах здравоохранения, для возведения и ремонта которых использовалась продукция компании. В первую очередь речь идет об инфекционных больницах и медицинских центрах для лечения COVID-19. Это — подразделение городской клинической больницы № 40 в пос. Коммунарка и медцентр «Вороновское» около деревни Голохвастово (оба в Новой Москве), инфекционные центры в Солнечногорске Московской обл., Ростове-на-Дону, Уссурийске Приморского края и др. С применением ПЕНОПЛЭКС® построены и реконструированы многие больницы, медицинские центры, поликлиники, санатории и другие важные объекты здравоохранения.
Под крышей дома моего. Спрос на натуральную черепицу растет
По мнению экспертов, в настоящее время производство натуральной черепицы удивительным образом сочетает в себе многовековой опыт строителей и передовые новейшие технологии. Сегодня мы видим, как эталонный кровельный материал переживает свое второе рождение и пользуется огромным спросом и популярностью.
В современной строительной практике под натуральной черепицей подразумевают две ее разновидности: керамическую и минеральную. Основой для производства того и другого вида продукции является природное сырье: глина и кварцевый песок. Незначительные внешние отличия готовых изделий связаны с различиями в технологии их производства.
Принцип производства керамической черепицы насчитывает не одно столетие: добыча глиняного сырья, формование отдельных элементов, сушка и обжиг. Производство же минеральной (цементно-песчаной, бетонной) черепицы основано на самых современных технологиях: качественный портландцемент, вода, кварцевый песок с точно подобранным фракционным составом. Как отмечают эксперты, на крыше дома неспециалисту практически невозможно определить, какой вариант натуральной черепицы на кровле — оба будут выглядеть одинаково респектабельно и красиво.
Слагаемые комфорта
По словам руководителя технического отдела BMI BRAAS Россия Андрея Миронова, в настоящее время спрос на натуральную черепицу растет. Минеральная и керамическая черепица БРААС – самая популярная черепица на кровельном рынке России и стран СНГ. В России она производится с 1996 года на современных предприятиях в Москве и Краснодаре. Черепицей БРААС покрыто 25 млн кв. метров крыш при строительстве и реконструкции более 125 тысяч объектов, а также памятников архитектуры во всех регионах России, от Владивостока до Калининграда.
Черепичная кровля, отмечает эксперт, стабилизирует крышу, гасит шум дождя, успешно противостоит ураганному ветру. Благодаря большой тепловой инерции, нагреваясь днем, долго отдает накопленное тепло ночью, создавая под кровлей воздушный поток, который проветривает и просушивает конструкцию крыши. Кроме того, такая черепица – это самый экологичный кровельный материал. В доме под такой крышей создается особая атмосфера уюта и комфорта, необходимая для счастья жильцов. Разнообразие цветов, форм, поверхностей создают гармоничную завершенную архитектуру. Материал не подвержен коррозии и не горюч. И, конечно же, он подчеркивает красоту и самобытность дома, создает комфортный микроклимат и домашний уют внутри.
«Не поспорить и с тем, что натуральная черепица является долгосрочной и выгодной инвестицией в строительство собственного дома, а ее применение существенно повышает рыночную стоимость самого здания. Срок службы черепицы БРААС при минимальных затратах на эксплуатацию превышает 100 лет, с гарантией от производителя - 30 лет. Ни один материал, исключая цветные металлы, не обладает подобной долговечностью. Кровля, сложенная из мелкоразмерных минеральных или керамических черепичных плиток, как чешуя покрывает несущую конструкцию крыши, без напряжения приспосабливается к ее деформациям при усадке здания, температурных перепадах, ветровых и снеговых нагрузках. В случае повреждения, такую крышу легко восстановить, заменив лишь несколько необходимых элементов»,- рассказывает Андрей Миронов.
Вопрос цены
Если керамическая кровля уверенно возглавляет парад элитных натуральных материалов, то минеральная черепица заняла прочные позиции в более бюджетных проектах. Поэтому, выбрав керамику, домовладелец приобретает крышу на 100 лет и более. Остановившись на минеральной черепице, он получает внешний вид и свойства керамики и длительный срок службы за приемлемые деньги. В частности, стоимость минеральной черепицы БРААС начинается от 500 руб./м2.
Также необходимо помнить, подчеркивает Андрей Миронов, что окончательная стоимость готовой крыши будет складываться не просто из «цены за квадратный метр» самого материала, но и всех ее составляющих (пиломатериалы, утепление, монтажные работы, транспорт и т.д.). Кроме того, нужно обратить внимание на срок службы - чем дольше служит крыша, не нуждаясь в ремонте, тем пропорционально ниже конечная цена готовой кровли на год эксплуатации. Анализ показал, что стоимость кровли из натуральной черепицы вполне сопоставима со стоимостью кровли из металлочерепицы и мягкой кровли.
Рецепт современной архитектуры
Совершенные кровельные системы на основе натуральной черепицы позволяют возводить двухскатные, вальмовые, щипцовые, шатровые, мансардные и любые другие крыши с возможными уклонами от 10º до 90º. Каждому конкретному случаю, в зависимости от уклона кровли, соответствует то или иное конструктивное решение.
Декоративные свойства черепицы открывают практически безграничные возможности для творческих воплощений архитектора и самых изысканных пожеланий владельца дома. Например, отмечает Андрей Миронов, классические модели - «Франкфурт» и «Янтарь» - удачно применяются во многих архитектурных стилях, отличаясь в то же время лаконичной красотой и практичностью. Современный тренд - плоская черепица, и модели «ЭВО», «Тевива», «Турмалин» создают необычный дизайн крыш с четкими линиями и геометрией. Они безупречно подходят для домов в стиле хай-тек, а также для популярного эклектичного стиля, который сочетает в себе различные архитектурные направления. Выразительный профиль черепицы «Таунус» с широкой волной безукоризненно подчеркивает форму и красоту крыши дома. Впечатляющий эффект создает модель «Адриа», с высокой волной и гранулированной поверхностью, она передает атмосферу жизни в красивом средиземноморском городке с теплым ярким солнцем и ласковым морем. Потрясающая модель «Изумруд», ромбовидной формы, не имеющая аналогов на кровельном рынке, для тех, кто предпочитает эксклюзивность и необычный дизайн.
«Мировой шедевр и самая популярная модель керамической черепицы в Европе «Рубин» -лауреат престижных международных наград и премий за выдающийся дизайн и инновационные решения. В данной модели самая широкая цветовая гамма, разнообразие поверхностей и уникальные инженерные решения: черепица с переменным шагом, что обозначается буквой V- variable. Благодаря особой конструкции замка, можно скорректировать до 30 мм в стыке каждой пары черепиц и избежать необходимости подрезать материал, чтобы уместить его на скате. Кроме рядовой черепицы, призванной укрывать основную площадь ската, в ассортименте БРААС имеются элементы различных форм, требуемые для качественного и аккуратного оформления любого узла кровли. В целом, все наши модели черепицы отражают современный тренд, направленный на использование только безопасных, природных и экологически чистых материалов и технологий в строительстве», - добавляет Андрей Миронов.