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.
В особых условиях. Проблемы геодезические изыскания на застроенных территориях
Проведение геодезических работ на застроенных территориях Петербурга осложнено отсутствием информации о некоторых объектах и инженерных сетях, а также бюрократическими проволочками.
Инженерно-геодезические изыскания на плотно застроенных городских территориях в России относятся к повышенному классу сложности. Их проведение затрудняют существующие объекты, магистрали, коммуникации. В Петербурге в силу его исторической застройки, огромного «серого пояса» (в частности, и с недействующими предприятиями) такие работы особо сложны.
Проблемы сетевые…
По словам начальника отдела топографо-геодезических работ ЗАО «ЛенТИСИЗ» Владимира Усова, сложности в работе действительно возникают. Традиционно они появляются при определении собственника или балансодержателя инженерных сетей и при согласовании возможности их использования.
«Можно выделить, пожалуй, две ситуации. Первая – изыскания производятся на застроенной или незастроенной «жилой» территории. При этом согласования с монополистами выливаются в круглую сумму, да и время оказания услуги бывает очень длительным, что сказывается на сроках представления технического отчета заказчику. Также существует вероятность после поиска собственника сети так и не получить положительный ответ о возможности подключения», – говорит он.
Вторая ситуация, по словам эксперта, возникает, когда изыскания производятся на территории промышленного предприятия. «Работа осложняется выявлением массы брошенных сетей, возможностью получения информации только из старых бумажных архивов прошлого века, отсутствием нужных специалистов на промышленной площадке. Здесь все зависит от опыта и профессионализма изыскателей! До сих пор «ЛенТИСИЗ» успешно справляется с поставленными задачами», – отметил Владимир Усов.
…и процедурные
По словам заместителя генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов» Сергея Лазарева, при всеобщей компьютеризации, электронном документообороте и т. д. изыскатели Петербурга, а их в настоящее время более 500, тратят огромное количество времени на поездки в геолого-геодезический отдел КГА для банальных операций. «Нужно подать уведомление, получить геодезические пункты, сдать на проверку геодезические и картографические материалы, для сдачи в архив приводить все документы об изысканиях в требуемый вид», – рассказывает он.
Эксперт подчеркивает, что происходит это несмотря на то, что уже как пару лет существует «личный кабинет» изыскателя, который никак не может начать работать в полную силу, из-за нерешенных вопросов со стороны ГГО КГА в части получения выписки исходных пунктов, а также регистрации результатов инженерных изысканий. «В частности, идет ссылка на секретность, хотя экспертное сообщество считает, что ее в выписках до 9 пунктов в местной системе координат не существует. Что касается регистрации инженерных изысканий – эту функцию можно реализовать через «личный кабинет» с ведением реестра инженерных изысканий, и уже давно пора отказаться от печати ГГО КГА на титульнике и никому не нужном лавсане», – считает Сергей Лазарев.
Он добавляет, что есть большая проблема по полнофункциональному доступу к сервису. Сейчас таковой имеется только у одной изыскательской компании, которая успешно работает почти два года. Все остальные участники рынка не могут получить от ГГО КГА информацию о сроках предоставления им доступа. Пока изыскатели Петербурга имеют возможность работать через «личный кабинет» только по контрольным исполнительным съемкам. А это лишь 20% от всех работ, которые проходят через отдел.
Генеральный директор компании «КБК Проект» Василий Костин отмечает, что сроки прохождения административных процедур, связанных как с проведением геодезических работ, так и в целом с экспертизой проектной документации, в Москве существенно меньше, чем в Петербурге, за счет оптимизации процесса подачи документов в электронном виде с помощью специализированного портала. Например, по данным столичного правительства, в 2019-м по сравнению с предыдущим годом из алгоритма получения разрешительной документации исключены две процедуры, а сроки сократились на 34,5 дня.
«Также следует отметить, что в плане сложности проведения инженерно-геодезических изысканий Москва находится в чуть более выгодном положении, нежели Петербург. Это связано в первую очередь с топографическими и геологическими характеристиками, различием в свойствах грунтов и водных пластов. Например, питерский грунт характеризуется большей ползучестью, а уровень подземных вод у нас значительно выше, чем в столице», – напоминает эксперт.
Мнение
Сергей Лазарев, заместитель генерального директора ООО «Гильдия Геодезистов»:
– За прошлый год наша организация поработала над изысканиями для строительства двух больших участков метрополитена. Проект интересный, сложный и денежный. Вообще, к нам постоянно приходят с интересными геодезическими задачами. Так, например, несколько лет назад мы делали съемку для цифровой модели, которая использовалась для 3D-анимации в фильме «28 панфиловцев». Также был случай, когда человек обратился за заключением о вычислении его местоположения с указанием расстояний, по результатам биллинга сотового оператора, для использования материалов в качестве доказательства невиновности в суде. Также нам заказывали геодезические изыскания в 3D для BIM-проектирования. Надеюсь, в будущем таких интересных проектов станет больше.
Владимир Усов, начальник отдела топографо-геодезических работ ЗАО «ЛенТИСИЗ»:
– Выделить конкретный интересный проект очень сложно, так как с каждым новым крупным заданием появляются дополнительные требования и пожелания заказчика. В основном это связано с развитием BIM, а также с желанием получить не только топоплан местности, но и цифровую модель рельефа или местности. Для выполнения поставленных задач мы совершенствуемся сами и обновляем парк оборудования. Так, на отдельных объектах используются беспилотные летательные аппараты для получения ортофотоматериалов и дополнительных сведений о площадке изысканий, а также наземное лазерное сканирование для получения детальной информации о местности, зданиях и сооружениях как снаружи, так и внутри. Все это позволяет дать исчерпывающую информацию об объекте и выдать материал, отвечающий всем требованиям клиента.
ROSSTRO-VELOX: экономия и энергоэффективность
Технология ROSSTRO-VELOX обеспечивает высокое качество и скорость строительства при значительном снижении затрат, а также повышает энергоэффективность возведенных объектов.
ROSSTRO-VELOX – это технология монолитного строительства с утепленной несъемной опалубкой из щепоцементной плиты. Может применяться при возведении как высотных, так и малоэтажных жилых домов, офисных, производственных зданий, торговых комплексов и т. д. В соответствии с ней, при строительстве дома в ходе одного производственного процесса проводится монтаж опалубки и утепление здания. Благодаря совмещению существенно сокращаются сроки, трудозатраты и стоимость строительства.
Комплексное производство
Технология была разработана в середине прошлого века австрийской семейной фирмой VELOX WERK GmbH. Затем она распространилась в ряде других европейских стран под брендом VELOX. В 1999 году ФПГ «РОССТРО» получила подряд на строительство коттеджного поселка в Сосновом Бору (Ленобласть), где впервые применила данную технологию. Она оказалась настолько эффективной, что в 2003 году компания открыла в Кингисеппе первый завод по выпуску щепоцементных плит VELOX. Также «РОССТРО» совместно с австрийскими партнерами стала патентообладателем и совладельцем этой строительной системы, которая получила название ROSSTRO-VELOX.
В настоящее время на трех производствах ФПГ «РОССТРО» в Кингисеппе производится полная номенклатура данной продукции. Все плиты имеют стандартный размер 2000х500 мм. Их толщина составляет 25, 35, 50, 75 мм. Они легко комбинируются с металлическими, деревянными, кирпичными и панельными конструкциями. Материал опалубки позволяет воплощать сложные архитектурные формы и декоративные элементы фасада.
Кроме того, с 2016 года «РОССТРО» выпускает щепоцементные блоки. Они предназначены для устройства ограждающих строительных конструкций. Производится четыре вида продукции. Это полнотелый блок с размерами 190х190х390 мм (ширина / длина / высота), пустотный с аналогичными параметрами, а также пустотные с размерами 120х190х390 и 90х190х390 мм.
Щепоцементные плиты и блоки имеют поверхность различной степени шероховатости, открытую пористую структуру, способствующую хорошему сцеплению с кладочным раствором и нанесению штукатурного слоя на поверхность стен.
Стоит отметить, что в домах, построенных по технологии ROSSTRO-VELOX, очень часто делается ребристое монолитное перекрытие. В качестве несъемной опалубки применяются пустотные короба перекрытия, которые также выпускаются «РОССТРО». Их размер определен размером плит и составляет 200х50 см. В зависимости от пролета и нагрузки на перекрытия короба выпускаются стандартной высотой 170, 220, 260 мм для пролетов до 7,7 м. При пролетах до 14 м высота коробов определяется дополнительным расчетом.
Кроме того, для крепления щепоцементных плит «РОССТРО» наладило производство металлических стяжек. Выпускаются пять их видов: односторонние, двухсторонние, для перекрытия, промежуточные, для ростверка. Размеры стяжек зависят от проектных данных конструкций. Таким образом, компания может обеспечить подрядные организации и граждан, занимающихся индивидуальным строительством, полным комплектом материалов, необходимых в работе.
Фактор экономии
Специалисты отмечают, что в настоящее время технология ROSSTRO-VELOX сохраняет свою популярность и востребованность. Это связано с тем, что она обеспечивает высокое качество и скорость строительства, при экономии финансовых и трудовых затрат. Данный фактор очень важен как для массового, так и индивидуального домостроения.
В частности, для Петербурга и Ленобласти себестоимость строительства коробки дома площадью до 200 кв. м с использованием этой технологии у подрядчика составляет около 9145 рублей за 1 кв. м; если работать собственными силами – 6804 рублей. Это существенно дешевле по сравнению с другими вариантами, подчеркивают представители «РОССТРО». Проведенные расчеты показывают, что себестоимость строительства домов по технологиям монолитного строительства в несъемных опалубках других производителей получается дороже на 8–24%, из газобетона – на 43%, из пенополистиролбетона – на 35%, а из кирпича – на 85%.
Работы по технологии ROSSTRO-VELOX позволяют достичь экономии как при проектировании и возведении объектов, так и на стадии их эксплуатации. В частности, отсутствие мощной крупногабаритной подъемной техники, незначительная по размеру стройплощадка – существенно снижают себестоимость строительства. Компактность и низкий вес материала позволяют значительно экономить на транспорте, фундаментах и меньшем армировании конструкций. Стена ROSSTRO-VELOX толщиной 340 мм полноценно заменяет метровую стену из эффективного кирпича, увеличивая полезную площадь здания. На стройплощадке не надо организовывать складирование материала. Все, что поступает на стройку, тут же идет в работу.
Кроме того, при использовании щепоцементных плит можно сэкономить время при внешней отделке дома. При соблюдении аккуратности построенная коробка максимально подготовлена под чистовые работы. Штукатурка крепко схватывается с поверхностью плит, что значительно увеличивает сроки между ремонтами.
Сохранить тепло
Другие немаловажные преимущества технологии ROSSTRO-VELOX – это экологичность и энергоэффективность. Основа щепоцементных плит – еловая щепа. Пористая структура обеспечивает отличный воздухообмен, в помещениях создается микроклимат, как в деревянном доме. В процессе эксплуатации здание не выделяет в окружающую среду никаких вредных, загрязняющих веществ.
Кроме того, высокое сопротивление теплопередаче наружных щепоцементных стен ROSSTRO-VELOX позволяет на 40% снизить расходы на отопление домов. Эта особенность подтверждена исследованиями специалистов. За счет своего состава плита и утеплитель не пропускают внутрь дома холод или жару с улицы. Также монолитная структура без швов и стыков исключает появление «мостиков холода», образующихся при строительстве из блочных материалов. Стоит добавить, что толщина теплоизоляционного слоя легко варьируется в зависимости от нормативных требований по теплотехнике и пожеланий заказчика. Причем при изменении толщины утеплителя можно существенно уменьшить теплопотери, при незначительном удорожании материала.
Таким образом, объекты, построенные по данной технологии, можно считать соответствующими всем требованиям «зеленого» строительства и внедряемым стандартам энергоэффективности. Кстати, в настоящий момент материалы ROSSTRO-VELOX все активнее задействуют и в капитальном ремонте многоквартирных домов. Сформировавшийся тренд свидетельствует о действительно положительном эффекте применения этой технологии.
Мнение
Владимир Мамсуров, президент ООО «Велокс-Лайф»:
– Для ответа на главный вопрос – о соответствии домов VELOX нормативу энергосберегающего здания – несколько лет назад мы провели эксперимент. В построенном нами в Подмосковье одноэтажном жилом доме с мансардой, общей площадью 165 кв. м, до заселения людей в помещениях установили контрольное оборудование и электрические нагреватели с автоматическим режимом. Также мы рассчитали немецкий норматив энергосбережения для такого объекта. Показания снимались бесперебойно в течение месяца (а это был февраль) два раза в день: в 10:00 и в 22:00. В итоге фактическое потребление электроэнергии за месяц превысило немецкий норматив в 8480 кВт всего на 1%, что лежит в зоне погрешности подобных измерений. Учитывая то, что эксперимент и замеры проходили в отсутствие жильцов, данной погрешностью можно пренебречь, поскольку известно, что проживание семьи в доме автоматически приводит к повышению температуры на 3-4 градуса, давая соответствующую экономию отопления.
