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.
Оставаться верными себе
Несмотря на перемены, происходящие в отрасли, большинство девелоперов намерено сохранить ранее выбранную технологию жилищного домостроения, но готово ее дорабатывать и обновлять.
По оценке экспертов, примерно треть новых жилых домов в России возводится по кирпично-монолитной технологии, такую же долю рынка занимает кирпич. Приблизительно 12–14% жилых объектов строятся из панелей и блоков. Специалисты считают, что происходящие в отрасли перемены, связанные с переходом девелоперов на проектное финансирование, кардинальным образом не поменяют текущее соотношение видов домостроения. Значительная часть застройщиков продолжит возводить жилые объекты по традиционной для них технологии – возможно, несколько обновленной.
Выбор за застройщиком
В Петербурге соотношение видов жилищного домостроения схоже с общероссийским. Застройщики в качестве конструктива объектов используют кирпич-монолит, монолит, сборный железобетон-монолит, кирпич и сборный железобетон.
По словам директора по строительству компании «Строительный трест» Андрея Панькова, любой застройщик, как правило, отдает наибольшее предпочтение определенному строительному материалу. «При возведении жилья мы традиционно применяем кирпичную технологию. Толщина внешних кирпичных стен в наших объектах достигает 1 м, а фасады из кирпича с декоративными элементами зачастую выигрывают на фоне окружающей застройки. Как пример – жилой комплекс «Новое Купчино», который выделяется на фоне превалирующей типовой панельной застройки Малой Бухарестской улицы и Дунайского проспекта. Или объект «Капитал», который уже стал архитектурной доминантой современного Кудрово. В ближайшие годы «Строительный трест» планирует продолжать строительство жилых объектов из кирпича, поскольку этот натуральный экологичный материал соответствует ценностям нашей компании и будет актуальным во все времена», – подчеркнул он.
Как сообщили в пресс-службе «Группы ЛСР», свои жилые объекты компания возводит из монолита и кирпича, а также сборных железобетонных изделий по бесшовной технологии. Монолитно-кирпичная технология удобна тем, что позволяет реализовать практически любой архитектурный проект. А дома из железобетонных конструкций дают возможность строить быстро. Себестоимость строительства дома из кирпича выше, чем аналогичных объектов из сборного железобетона или построенных по монолитно-кирпичной технологии. Впрочем, после модернизации домостроительного комбината, выпускающего железобетонные изделия, возможности реализовывать интересные проекты из этого материала возросли. Современные дома сборного типа выглядят по-другому и серьезно отличаются от тех, что строили 40–50 лет назад.
Новые перспективы
Панель и монолит, отмечают специалисты ГК «БФА-Девелопмент», – любимая тема для сравнения в дискуссиях последних десяти лет. Обычно учитываются три аспекта: исторически сложившиеся представления потребителя о качестве обеих технологий, их техническое развитие и возможности отечественных компаний по их применению. Каждая из этих технологий позволяет реализовывать задачи в различных технических форматах. При этом стоимость панельных домов, по сравнению с монолитными, ниже на 10–15%, но вряд ли монолит выигрывает этот спор по качеству, считают эксперты.
Что касается себестоимости строительства, то все, что делается на промышленном производстве, позволяет максимально упростить технологические процессы и автоматизировать их, поясняют в ГК «БФА-Девелопмент». Как следствие, монолитный дом всегда будет дороже объекта, построенного с применением промышленных технологий. Потребительские характеристики, такие как звуко- и теплоизоляционные свойства, по сравнению с монолитным строением могут быть существенно выше. Дело в том, что монолит – самая простая технология. Она не требует высокой квалификации при монтаже, не подразумевает наличие производства. Именно поэтому она и была взята на вооружение на заре постперестроечного строительного бума. Со временем начали проявляться и осознаваться крупные недостатки монолитной технологии. А именно отсутствие должного контроля качества монтажа (да и сырья), сезонность работ, низкая квалификация рабочих и, как следствие, зачастую неудовлетворительное качество конечного продукта. В свою очередь, панельная технология в состоянии выйти за пределы эконом-класса, особенно в сочетании с уже широко применяемыми комбинированными технологиями: каркасно-монолитной, каркасно-кирпичной, монолитно-панельной. Многое зависит только от готовности наших производителей.
Несколько месяцев назад Председатель Правительства РФ Дмитрий Медведев заявил о необходимости типизации объектов строительства. Речь не о том, что все дома будут «под одну гребенку» как при Хрущёве, считает генеральный директор СК «ЛенРусСтрой» Леонид Кваснюк. Это означает необходимость повышения скорости строительства за счет унификации производственных процессов. Быстрее всего можно строить жилье, имея домостроительные комбинаты.
«У нас тоже есть ДСК. Сейчас мы устанавливаем на производстве новую линию, позволяющую отлить панель любого размера и даже большепролетные перекрытия. Кроме того, ДСК очень «вписывается» в новые схемы финансирования строительства. В целом, я далек от мысли о том, что монолитное или кирпичное домостроение – это плохо. Мы на своих объектах также используем и монолит, и кирпич. И даже совмещаем панель с монолитом: чтобы увеличить высоту потолка, сделать более оригинальные планировки. Как показывает практика, панель с монолитом вполне совместима! И при этом остается высокая скорость строительства. Для примера: панельный дом мы строим за 10 месяцев; на такой же по размерам монолитный требуется уже 18 месяцев, а на кирпичный – порядка трех лет и более. Это данные из нашей практики», – добавляет Леонид Кваснюк.
Важные составляющие
Сергей Терехов, директор по продажам компании H+H (в настоящее время входит в «Группу ЛСР»), отмечает: говоря о перспективах и трендах, не стоит забывать и о других строительных материалах. По его словам, сегодня практически каждый второй объект в Петербурге и Ленинградской области строится с применением газобетона. Доля таких объектов выросла с 45% почти до 50%. Площадь первичного рынка жилищного строительства, где при выполнении ограждающих конструкций в качестве одного из основных материалов используется газобетон, в Петербурге и Ленобласти составляет 5,7 млн кв. м. Этот показатель является максимальным за последние годы.
«Рост популярности газобетона закономерен. Этот материал ценится за удобство, доступность, скорость строительства, экологичность, надежность, долговечность и за энергосберегающие свойства. Рост коммунальных тарифов на отопление заставляет потребителей пересматривать типы строительных материалов, применяемых для возведения внешнего контура дома. Востребованы стеновые материалы, которые выполняют сразу две функции: несущую и теплоизолирующую. По нашим оценкам, в ближайшие 3–5 лет тренд использования газобетона именно как энергоэффективного материала будет только возрастать», – резюмирует Сергей Терехов.
Мнение
Леонид Кваснюк, генеральный директор СК «ЛенРусСтрой»:
– Панельные дома вполне могут быть бизнес-класса – достаточно посмотреть на ЖК Skandi Klubb на Петроградской стороне. Конечно, отличия в архитектуре в зависимости от типа домостроения есть. Если вы хотите сделать что-то вроде Исаакиевского собора, из панели здание такой причудливой формы не построишь. Но украсить панель так, чтобы дом приобрел благородный облик с отсылкой к классическим традициям или, напротив, благородному хайтеку – очень даже возможно.
В условиях удаленного доступа
Быстровозводимые модульные объекты все активнее применяются на удаленных от человеческой цивилизации территориях – как для временного, так и постоянного пребывания.
Модульное строительство в России развивается. Быстровозводимые сборные конструкции все чаще используют в труднодоступной и климатически сложной местности. Причем как для временного, так и постоянного пребывания. Модульные здания создаются максимально функциональными, имеют множество различных вариаций. Стоимость их доставки и монтаж обходятся существенно дешевле, чем строительство самых простых капитальных объектов.
Конец бытовкам
По словам генерального директора компании «Элмако» Виталия Савчина, в настоящее время модульные здания активно используются в удаленной от цивилизации местности, в том числе на Крайнем Севере или в бескрайней тайге. Нередко такие объекты задействованы как штаб стройки и общежития для рабочих при прокладке трубопроводов, возведении портов, СПГ-заводов и т. п. Преимущество модульных конструкций в том, что они быстро собираются на месте с минимальной доработкой. В отличие от бытовок-вагончиков, которые ранее использовались на удаленных территориях, модульные здания более комфортны для работы и могут быть собраны в единое пространство, без необходимости выходить на улицу. В таком объекте могут располагаться, кроме офиса и общежития, также столовая, медпункт и т. д. Еще эти конструкции очень быстро можно перебазировать, если строительство передвигается на новую территорию.
«Один из наших модульных объектов был размещен в пос. Териберка в Мурманской области для проживания и работы сотрудников, участвующих в подготовке проекта освоения Штокмановского газового месторождения. Многофункциональный модульный комплекс был создан в особом северном исполнении: с увеличенной толщиной теплоизоляционного материала, двойными стеклопакетами окон и дополнительной защитой кровли от ветровых и снеговых нагрузок. По заказу нашего клиента здание было полностью укомплектовано всей необходимой мебелью и спальными принадлежностями для комфортного проживания и эффективной работы сотрудников, участвующих в исследовательском проекте в Териберке. Срок производства и монтажа объекта составил 65 календарных дней», – отметил Виталий Савчин.
При поддержке государства
Модульные конструкции на удаленных территориях сейчас применяются и как постоянные объекты для работы и проживания, тем более что срок эксплуатации таких зданий достигает 30 лет. Сами технологии производства модулей совершенствуются, в том числе за счет отечественных разработок.
В настоящее время в рамках национального проекта «Жилье и городская среда» есть подпрограммы, направленные на развитие поселений Крайнего Севера. Выполнить поставленные федеральным центром задачи по обустройству данных территорий, считают эксперты, можно с помощью строительства малоэтажных модульных зданий.
Заместитель директора по развитию компании «Стандарт-М» Игорь Лахнин напоминает, что типовое капитальное строительство в зоне вечной мерзлоты невозможно. Даже небольшие объекты приходится возводить на сваях или специальном фундаменте, что очень дорого и сложно.
«Поэтому современное технологичное модульное строительство идеально подходит для такой географической широты. В странах Скандинавии его активно применяют с конца прошлого века. Технология уже показала свою эффективность. Некоторые северные поселки в России, в первую очередь имеющие свой неплохой газовый или нефтяной бюджет, уже переходят на модульное строительство. В блочных зданиях открываются ФАП (фельдшерско-акушерские пункты), административные, образовательные учреждения и клубы. Также модульные объекты начинают использовать как жилые дома, но пока относительно нечасто. Конечно же, на Севере есть и очень бедные, депрессивные поселения. Полагаю, что в них строительство модульных зданий должно проходить за счет регионального или федерального бюджета или в формате софинансирования. Это не так и дорого. Зато новое жилье и социальная инфраструктура могут вдохнуть жизнь в данные поселения», – считает Игорь Лахнин.
Стоит отметить, что быстровозводимые модульные конструкции уже задействует Министерство обороны РФ. С 2014 года ведомство начало использовать их как полевые госпитали. Таким образом, военные решили отказаться от уже устаревших медицинских палаток. Также сообщалось, что в 2016 году Минобороны установило блочно-модульные здания на одном из крупнейших военных полигонов страны – Кадамовском, который расположен в Ростовской области. Их демонстрировали и главе ведомства Сергею Шойгу, и Президенту РФ Владимиру Путину. Эти модульные объекты были возведены за месяц. Военные оснастили их различными технологичными «фишками», в том числе автономными энергосистемами, которые не только автоматически поддерживают в помещениях оптимальный температурный режим, но и значительно экономят средства на отопление.