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.
Мусоропереработке прописан системный подход
По мнению экспертов, увеличить долю переработки мусора невозможно без комплексной программы и вовлечения в нее различных сегментов бизнеса и граждан.
Согласно национальному проекту «Экология», к 2024 году доля перерабатываемого мусора в стране должна достигнуть 36%, обрабатываемого – 60%. Сейчас эти показатели составляют всего лишь 7% и 12% соответственно. По мнению участников конференции, посвященной вопросам переработки отходов, прошедшей неделю назад в Петербурге, заданной планки достичь сложно. Причина – в трудностях реализации «мусорной реформы» на местах. Также экспертов смущает усиление на федеральном уровне позиции за мусоросжигание, а не переработку.
По словам председателя общественной организации «Экологическое сообщество» Сергея Санне, в настоящее время Петербург находится «на облаке» и не понимает, что стал одним из лидеров «мусорного» антирейтинга. «Нет никого в правительстве города, кто бы действительно серьезно занимался «мусорной реформой». Нет территориальной схемы обращения с отходами. Максимум, чего смогли добиться, – это налоговых льгот мусоропереработчикам. Но этого мало. О чем свидетельствует рост количества незаконных свалок. Нужен больший системный подход», – отметил он.
Напомним, в начале ноября стало известно, что Петербург на год отложил запуск работы единого оператора по обращению с отходами. Власти заявили, что сначала необходимо завершить подготовку к переходу на новую систему работы с ТКО. Также в ноябре власти соседней Ленобласти отчитались о полном вхождении региона в «мусорную реформу». Единый региональный оператор будет заниматься сбором, вывозом, обработкой и утилизацией отходов. Масштабная переработка пока только в планах.
Советник губернатора Ленобласти Михаил Василенко полагает, что мусоропереработка в стране находится пока на начальной стадии развития. Есть понимание, что ею нужно заниматься, но пока нет четкого алгоритма, как наиболее эффективно запустить проекты в данной сфере. Тем более, что сама «мусорная реформа» не может идти одинаково, как по кальке, во всех регионах. «Однозначно необходимо вести разъяснительную работу с населением, чтобы не появилась новая раздутая проблема Шиеса. Это сфера социальной ответственности органов власти. Также народу необходимо объяснить, за что он платит при вывозе мусора», – добавил он.
Эксперты считают, что государство должно стимулировать не только деятельность мусоропереработчиков, но и бизнес в других отраслях, вовлеченных в рециклинг отходов. В настоящее время количество таких предприятий невелико, но растет.
По мнению инженера по охране окружающей среды компании «Юнилевер Русь» Елены Пулиной, сейчас как в мире, так и в нашей стране остро стоит проблема переработки упаковочных материалов. Пока в рециклинг вовлечено только 10% данного полимерного продукта. «Необходима замкнутая циклическая работа с материалом. Мы поставили перед собой задачу к 2025 году сократить использование первичного пластика на 50%. Но для достижения данных показателей важно плотнее взаимодействовать с ритейлерами и гражданами», – подчеркивает специалист.
Участники конференции уверены в необходимости вовлекать граждан в раздельный сбор мусора, это ускорит процесс перехода на масштабную переработку отходов. Но, полагают эксперты, решения со стороны органов власти не должны относиться к методу кнута – лучше пряника.
Набирая высоту. Высотное строительство подтягивает новые технологии
В современном высотном строительстве активно применяются новые технологии, которые помогают ускорить работы и реализовать самые смелые архитектурные решения.
В России продолжает расти высота жилых зданий. По данным исследования ЕРЗ.РФ, проведенного совместно с Комиссией Российского союза строителей и предпринимателей по строительству и жилищной политике и Национальным объединением застройщиков жилья, на конец ноября средняя этажность возводимых жилых объектов в нашей стране составила 17,8 этажа. В сравнении с аналогичным периодом прошлого года высотность увеличилась на 0,7 этажа.
Всего доля строящихся жилых зданий высотой от 25 этажей составляет сейчас 22,9% (в квадратных метрах). За год прирост показателя составил 3,3%. Наибольшая доля жилищного строительства приходится на дома высотой 18–24 этажа. Лидер высотного строительства – Свердловская область. Это единственный регион страны, где доля высотного строительства превышает 50%. Средняя этажность возводимого жилья составляет 22,4 этажа. Москва в рейтинге заняла только четвертое место. «Высотки» в столичном жилищном строительстве занимают 42,4% в общем объеме. Но при этом Москва лидирует по максимальной средней высотности новостроек – 23,9 этажа.
Петербург, по оценке экспертов, не входит в десятку регионов, занимая только 11-е место в рейтинге. Средняя высотность домов здесь достигает 18,1 этажа, что близко к общероссийскому значению. Высоту жилых объектов ограничивает местное законодательство. Тем не менее, у Петербурга есть своя высотная достопримечательность. Правда, не относящаяся к жилым зданиям. Высота многофункционального комплекса «Лахта Центр» составляет 462 м. В настоящее время это самое высокое здание в регионе.
По жестким стандартам
Эксперты отмечают: в современном высотном строительстве постоянно зарождаются и развиваются новые тренды. Связаны они как с архитектурой объектов, так и с их технологической начинкой. Это касается и жилых объектов, и административных зданий. Причем применение новых технологий в проектировании, использование инновационных материалов позволяют построить «высотку» в более сжатые сроки, чем 10–15 лет назад. В частности, при возведении таких объектов применяются сверхпрочный бетон, особый вид армирования и т. д.
По словам главного инженера проектов компании «Метрополис» Дениса Дубинина, высотные здания не зря считаются уникальными: при проектировании к ним предъявляются более строгие требования из-за повышенной опасности в случае непредвиденных и нештатных ситуаций. Кроме того, эти особые правила объясняются потребностью обеспечить комфорт пребывающих в здании людей и снизить затраты на эксплуатацию объекта. Так, при проектировании высотных объектов особенно важно правильное зонирование, чтобы сократить количество перемещений людей между этажами. При этом лифтовое оборудование должно подбираться тщательно. Желательно, чтобы оно имело высокую степень автоматизации, когда система определяет наиболее выгодное использование имеющихся лифтов в определенной ситуации. Обязательными для высотных объектов являются аэродинамические испытания, чтобы определить ветровые нагрузки – зачастую они превышают сейсмическую нагрузку. Особые требования также предъявляются к системам пожаробезопасности, эвакуации людей, к молниезащите. Системы должны быть не только эффективными, но и более износостойкими, чем у обычных объектов.
«Многие высотные здания обладают обширной поверхностью или даже целиком стеклянным фасадом. Для соответствия принципам энергоэффективности такие фасады должны быть выполнены из стекла, которое обладает минимальной потерей тепла. Это необходимо для того, чтобы не создавать дополнительных нагрузок на вентиляционные и отопительные системы летом и зимой соответственно. Особые требования предъявляются и к обслуживанию фасадов. В целом для высотных объектов очень важна энергоэффективность, так как затраты на инженерные системы увеличиваются с каждым метром высоты. Для оценки принятых решений здания проходят сертификацию различных типов, например, по стандарту LEED», – подчеркивает Денис Дубинин.
Тренд энергоэффективности
Основатель проектного бюро Rumpu Евгений Богданов отмечает, что сейчас в основном строят металлокаркасные высотные здания. Такое решение позволяет увеличить скорость строительства. «Если говорить о технологиях для высоток в целом, они связаны с использованием фасадных материалов, новых систем остекления, а также инженерии, например, для вентиляции и центрального холодоснабжения. В настоящее время доступно много энергоэффективных решений, например – рекуперация, что является необходимостью в высотных зданиях, особенно с учетом того, что окна в них не открываются. Рекуперация при этом – самое энергоэффективное решение, которое дает 30% экономии тепла, самого дорогого энергоресурса в России. Такое решение должно стать нормой в любом жилищном строительстве», – считает эксперт.
Представитель ГК «Пенетрон-Россия» Ирина Лутфиева рассказывает, что обобщая опыт этой группы компаний по работе с высотными зданиями, можно отметить: для таких объектов важны локация, близость к различным водоемам, отличные виды на прилегающую местность. Как правило, это сочетается прежде всего со сложной гидрогеологией, высоким уровнем грунтовых вод. Однако современные технологии позволяют нивелировать практически полностью эти неблагоприятные условия, они в настоящее время не являются критичными. Качественная гидроизоляция позволяет решить весь комплекс задач по строительству на сложных грунтах и обеспечить сооружению безопасность и долговечность. В первую очередь – герметичность фундамента и подземных уровней, на которых, как правило, размещаются паркинги, инженерные коммуникации, лифтовые шахты и т. п. Все эти помещения нуждаются в надежной гидроизоляции.