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.
Без швов и сырости. Экспертиза обмазочной гидроизоляции
Обмазочная гидроизоляция неслучайно пользуется популярностью среди профессионалов. Это оптимальный метод защиты от влаги практически любых оснований с вариативностью способов нанесения и сравнительно небольшим сроком выдержки. Наиболее технологичными и надежными эксперты считают обмазки на полимерно-цементной основе.
Популярность обмазочной гидроизоляции для защиты оснований от грунтовых вод и капиллярного подсоса связана, в первую очередь с отсутствием швов, что позволяет изолировать от влаги не только большие ровные поверхности, но и сложные элементы конструкций. Данный вид материалов ценится специалистами также за простоту нанесения.
Один компонент – хорошо, а два - лучше
Сейчас на рынке представлены гидроизоляционные материалы как из натуральных, так и из синтетических компонентов. Мастики на основе битума считаются природным продуктом и привлекают ценовой доступностью, но при этом характеризуются хрупкостью и быстрым старением. Достоинствами полимерных материалов считаются высокая эластичность, стойкость к воздействию ультрафиолета, долговечность. Явным недостатком становится высокая стоимость. Комбинированная гидроизоляция удачно сочетает преимущества натуральной и синтетической основ. Производители соединяют цемент и полимеры, получая качественный продукт по приемлемой цене.
«Гидроизоляционные материалы на полимерно-цементной основе имеют высокую степень адгезии и потому могут наноситься практически на любую поверхность, даже на старое битумное покрытие», – объясняет Леонид Бобров, главный технолог ООО «Реммерс». – Удобство для строителей заключается в том, что можно выбрать наиболее подходящий способ нанесения в зависимости от объекта».
Например, гидроизоляцию Remmers MB 2K можно наносить как ручным способом - кельмой или кистью, так и машинным набрызгом. Материал объединяет в себе свойства эластичных минеральных обмазок и битумно-полимерных мастик. Сбалансированная рецептура формирует способность к быстрому твердению и полимеризации. Благодаря своей эластичности материал способен перекрывать трещины толщиной до 3 мм, что немаловажно для долговечности основания.
Области применения и эффективность
«Применять обмазочную гидроизоляцию на цементной основе можно как внутри, так и снаружи помещения, нанося на любые цементные основания: бетон, штукатурку, стяжку, и в том числе перед укладкой любого вида плиточного покрытия и паропроницаемых красок. Это могут быть фундаменты, отмостки, входные группы, эксплуатируемые крыши, балконы, подвалы, ванные, душевые помещения и т.д. Среди параметров эффективности и долговечности обмазочных гидроизоляций на цементной основе помимо прочности адгезии следует учитывать паропроницаемость, водонепроницаемость и морозостойкость», – поясняет Владимир Коваленко, начальник отдела технической поддержки АО «МАПЕИ».
Двухкомпонентный цементно-полимерный состав Mapelastic сохраняет эластичность даже при низких отрицательных температурах. Благодаря высокому содержанию синтетических смол материал остается постоянно эластичным при любых условиях окружающей среды и стойким к воздействию антиобледенительных солей, сульфатов, хлоридов и углекислого газа. Перечисленные свойства совместно с устойчивостью к разрушающему воздействию ультрафиолетовых лучей обеспечивают длительный срок эксплуатации.
Кроме способов нанесения, технологичность обмазочной гидроизоляции определяется также возможностью укладки на любые формы основания и временем выдержки.
Ситуация на рынке
В последние годы ассортимент гидроизоляций у производителей сухих строительных смесей вырос, и тенденция к росту сохраняется. Эксперты объясняют это корректировкой нормативной базы, растущим спросом и требовательностью покупателей, заинтересованных в повышении эксплуатационных характеристик объектов.
Пандемия, остановка строек и производственного процесса окажет негативное влияние на весь мировой рынок, в том числе на сегмент строительных материалов. По мнению Александра Иванова, директора по маркетингу АО «МАПЕИ», последствия мирового экономического кризиса на строительной отрасли отразятся позднее. Из-за приостановки или заморозки проектов, общего падения доходов населения и сокращения бюджетов на ремонты сложными для данного рынка будут следующие годы, считает эксперт.
Тем не менее, в настоящий момент производителям удается адаптироваться к сложившимся условиям и выводить на рынок новые продукты. Так, ООО «Реммерс» анонсирует старт продаж нового гидроизоляционного материала с характеристиками, аналогичными Remmers MB 2K, но с повышенной морозостойкостью и возможностью использования для гидроизоляции кровли.
АО «МАПЕИ» за два последних года увеличил ассортимент гидроизоляций в два раза. Материал остается востребованным и постоянно модифицируется под все новые решения строительства, продиктованные конкретными условиями эксплуатации.
С точностью до миллиметра. Лазерное сканирование становится неотъемлемой частью BIM-проектов
Цифровизацию строительной отрасли почти невозможно представить без использования точных и быстрых данных инженерно-геодезических изысканий, максимальной детализации окружающего пространства и объектов. Получить подобные сведения помогает трехмерное лазерное сканирование.
В рамках данной технологии можно проводить измерения с миллиметровой точностью и скоростью до 1 млн точек в секунду, и сразу же обрабатывать их специализированными программами. Выделяют три вида лазерного сканирования. Первый и наиболее распространенный – наземный. Съемка проводится статичным прибором. Мобильное лазерное сканирование производится в движении. Оно зарекомендовало себя при работе на линейных сооружениях: автодорогах, железнодорожных путях и т.д. Третий вид лазерного сканирования - воздушное. Осуществляется оно с борта летательного аппарата и применяется в случае необходимости съемки больших площадей, вне зависимости от сложности рельефа и природных условий местности.
BIM ускоряет
Коммерческий директор компании КубартаТМ Роман Старостенко отмечает, что в подавляющем большинстве случаев заказчики применяют лазерное сканирование в строительстве. В особенности оно целесообразно, когда объект сканирования уже существует в какой-то стадии и с ним нужно произвести определенные манипуляции. Кроме того, сканирование используется и в однокомнатных квартирах при создании дизайн - проекта, и на промышленных предприятиях при реконструкции или техническом перевооружении, и при реставрации объектов культурного наследия. «С помощью данной технологии мы оперативно выполняем обмерные работы и фиксируем текущее положение сетей и конструкций. Трехмерное сканирование дает огромное количество информации, ранее недоступной при обычном обмере, а общая стоимость остается такой же, как и была раньше, при традиционных обмерах», - рассказывает он.
По словам генерального директора ООО «СЭС» Максима Филиповича, основные заказчики — это проектные и строительные организации, которые решают задачи по актуализации исполнительной документации для последующей реконструкции объектов и контроля качества строительства зданий и сооружений. Важнейшим фактором, влияющим на стоимость и сроки производства работ методом лазерного сканирования, является подробное техническое задание. Расширение спроса на данную технологию, отмечает эксперт, напрямую связано с техническим обеспечением и подготовкой персонала заказчика для работы с облаками точек и 3d моделями. В области строительства, архитектуры и промышленности приоритет у наземного лазерного сканирования, благодаря точности и плотности данных. Преимущества воздушного и мобильного сканирования состоят в их скорости, например, при съёмке рельефов местности.
«Лазерное сканирование используется уже не первое десятилетие, однако в последнее время, с внедрением BIM, оно стало использоваться намного чаще, т.к. получаемые результаты наилучшим образом «вписываются» в эту идеологию. Поэтому и применение лазерного сканирования становится оправданным везде, где начинает внедряться информационное моделирование. Сама технология позволяет значительно сократить время производства работ и повысить качество конечных результатов», - отмечает ведущий специалист ООО «Геодезические приборы» Григорий Жуков.
Между тем, по мнению генерального директора ЗАО «ЛенТИСИЗ» Николая Олейника, основным критерием целесообразности по-прежнему является готовность потребителя к работе с лазерными технологиями. Далеко не все проектные организации имеют необходимые навыки и инфраструктуру для работы с данными сканирования. В настоящее время основным потребителем 3D-продукта являются компании, уверенно работающие в современных BIM, ГИС-системах, а также комплексах 3D – моделирования.
«Также важным фактором является экономическая составляющая. Несмотря на очевидные преимущества воздушного и мобильного лазерного сканирования, высокая стоимость оборудования и жесткие требования к квалификации специалистов сужают выбор метода 3D-сканирования чаще всего до самого доступного – наземного. Перечень задач, которые способно решить 3D-сканирование растет, одновременно растет и число специалистов, использующих трехмерные модели, формируя спрос на выполнение работ с применением лазерных технологий»,- добавляет он.
Сделать выбор
Специалисты отмечают, что очень важно правильно подобрать оборудование для лазерного сканирования. При этом, каким бы суперсовременным оно ни было, основной составляющей успеха остается квалификация инженеров, проводящих полевые работы и камеральную обработку данных. Есть и другие важные нюансы, которые влияют на качество съемки, и в целом на профессиональную репутацию производящей ее организации.
По словам Романа Старостенко, многим компаниям сложно запастись оборудованием на все случаи жизни, поэтому при выборе исполнителя на лазерное сканирование есть смысл больше ориентироваться на отзывы и рекомендации клиентов и коллег, на портфолио потенциального исполнителя, чем на заявленный или представленный приборный парк. «Парк оборудования для лазерного сканирования требует стандартного технического обслуживания, как и любые измерительные приборы. Все сканеры должны проходить ежегодные поверки и иметь соответствующие сертификаты. Сложность заключается в другом. При достаточно высокой стоимости оборудования, пока его практически невозможно застраховать, а риск повредить его очень высок. Поэтому бережное и ответственное отношение сотрудников к приборам сканирования – это приоритет сканирующей организации», - подчеркивает эксперт.
К выбору оборудования действительно стоит подходить с особой тщательностью, констатирует Григорий Жуков, т.к. технические характеристики представленных на рынке приборов часто указываются кратко. Как и при выборе электронного тахеометра, стоит обращать внимание не только на линейную точность дальномера, но и на погрешность угломерного блока, что не редко явно не указывается производителями сканирующих систем. Время и скорость сканирования также стоит подробно рассмотреть в различных режимах, а не руководствоваться цифрами, взятыми из спецификации к прибору.
«Если говорить про стационарное сканирование, то в своей работе, несмотря на присутствие в нашем парке приборов нескольких производителей, мы продолжаем наиболее активно использовать уже хорошо зарекомендовавший себя сканер Topcon GLS-2000. Он до сих пор по совокупности своих параметров превосходит аналоги, технические характеристики которых «на бумаге» могут казаться предпочтительнее. Также в этом году у нас появился уникальный прибор – робосканер GTL-1000. Это роботизированный тахеометр с интегрированным компактным высокоскоростным сканером, благодаря которому мы смогли в разы сократить время производства работ по сканированию, например, на строительной площадке», - сообщил Григорий Жуков.
Внимательно стоит подходить и к процессу передачи данных лазерного сканирования, отмечает Максим Филипович. «В нашей организации для этих целей используются популярные программные комплексы: Leica Cyclone, Autodesk ReCap, Autodesk Revit. По требованию заказчика выполняется конвертация 3D данных в необходимый цифровой формат. На данный момент критических и неразрешимых проблем искажения данных нет. Важным критерием для заказчика является скорость и точность пространственных данных, поэтому предпочтение стоит отдавать ведущим производителям оборудования для 3d сканирования, таким как Leica Geosystems, Trimble, Riegl. Оборудование подлежит обязательной ежегодной поверке и калибровке с получением соответствующего сертификата», - добавляет он.
По словам Николая Олейника, на данный момент нет единого мнения о приоритетных программных продуктах для внедрения цифровых технологий. Каждая организация выстраивает алгоритм обработки пространственных данных с учетом своих дополнительных нужд и требований. Несмотря на то, что лазерные технологии стали активно использоваться более десяти лет назад, проблема передачи данных специалистам смежных областей все еще актуальна. Эффективные варианты обмена и обработки данных предлагают и сами производители оборудования. «В ЗАО «ЛенТИСИЗ» комплекс обработки и обмена информацией реализован на базе ПО Leica Geosystems. Данная система позволяет эффективно и без потерь работать с большими объемами (до нескольких сотен Гб) информации. Неоспоримыми преимуществами этого продукта являются функциональность, оптимизированные форматы Leica и серверное ПО, позволяющие оперативно подключать к работе над проектом не только своих специалистов, но представителей заказчика», - подчеркнул гендиректор компании «ЛенТИСИЗ».
МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ:
Перспективы применения лазерного сканирования
В особых условиях. Проблемы геодезические изыскания на застроенных территориях