Рассмотрим базовые концепции Индустриальной революции 4.0. Особое внимание уделено инжиниринговым и эксплуатационным моделям «цифровых двойников» производственной системы, используемых для оптимизации и управления материальными потоками предприятия на этапе изготовления продукции. В качестве базового программного обеспечения выбраны исполнительные производственные системы MES (Manufacturing Execution Systems).
Производственная система – особый вид организационно-технической системы, состоящей из средств и предметов производства, базы конструкторско-технологической информации, производственных процессов и комплексов управления ими, совместное функционирование которых позволяет изготавливать изделия, отвечающие своему служебному назначению.
Пройдя через три промышленных революции, мир столкнулся с новым понятием – Industry 4.0 – эта новация рассматривается как будущая четвертая промышленная революция. Именно на этом четвертом этапе стало активно использоваться понятие так называемых «цифровых двойников» (Digital Twins). Этот термин появился еще в начале 2000-х, но с каждым годом, по мере развития промышленных и компьютерных технологий, он получает новое наполнение. Базовая концепция не сложна для понимания: мониторинг физического объекта осуществляется на основе замкнутого цикла информационного обмена между ним и его виртуальной моделью (тем самым «цифровым двойником»).
Говоря о концепции Индустриальной революции 4.0, обычно выделяют шесть базовых инновационных концептуальных подходов к ее реализации:
- PLM – Product Lifecycle Management – «Управление жизненным циклом изделия».
- Big Data – «Большие данные».
- Smart Factory – «Интеллектуальный завод».
- Cyber-physical Systems – «Киберфизические системы».
- Internet of Things (IoT) – «Интернет вещей».
- Interoperability – «Функциональная совместимость».
На стадии управления жизненным циклом изделия (PLM) создается так называемый «цифровой двойник» изделия, а на стадии организации производства и изготовления (Smart Factory) формируется цифровая модель материальных потоков, представляющая собой «цифровой двойник» производственной системы.
«Цифровой двойник» изделия включает:
- Геометрическую и структурную модель объекта.
- Набор расчетных данных деталей, узлов и изделия в целом (математические модели, описывающие все происходящие в объекте физические процессы).
- Информацию о технологических процессах изготовления и сборки отдельных элементов.
- Систему управления жизненным циклом изделия.
«Цифровой двойник» изделия может использовать модифицированную численную модель с измененными характеристиками износа или производительности. Информация от датчиков, подключенных к реальному объекту, может передаваться «цифровому двойнику» изделия в качестве граничных условий в режиме реального времени с целью моделирования, анализа и прогноза поведения объекта в рамках его служебного назначения.
«Цифровые двойники» изделия – эволюция и классификация
Впервые полноценно эта концепция была описана в Мичиганском университете в 2002 году. Сейчас «цифровым двойником» изделия называют его виртуальную модель, которая на микро- и макроуровне либо описывает реально существующий объект (выступая как дубль готового конкретного изделия), либо служит прототипом будущего объекта. При этом любая информация, которая может быть получена при тестировании физически существующего изделия, должна быть получена и на базе тестирования его «цифрового двойника».
«Цифровой двойник» изделия применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия, включая проектирование, производство, эксплуатацию и утилизацию.
Классификация двойников изделия:
1. Цифровые двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP). DTP-двойник характеризует изделие, прототипом которого он является, и содержит информацию, необходимую для описания и создания физических версий экземпляров изделия. Эта информация включает геометрическую и структурную модели, технические требования и условия; стоимостную модель, расчетную (проектную) и технологическую модели изделия. DTP-двойник можно считать условно-постоянной виртуальной моделью изделия.
2. Цифровые двойники-экземпляры (Digital Twin Instance, DTI). DTI-двойники изделия описывают конкретный физический экземпляр семейства изделия, с которым двойник остается связанным на протяжении всего срока службы. Двойники этого типа создаются на базе DTP-двойника и дополнительно содержат производственную и эксплуатационную модели, которые включают историю изготовления изделия, применяемость материалов и комплектующих, а также статистику отказов, ремонтов, замены узлов и агрегатов и др. Таким образом, DTI-двойник изделия подвергается изменениям в соответствии с изменениями физического экземпляра при его эксплуатации.
3. Агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA). DTA-двойники изделия определяются как информационная система управления физическими экземплярами семейства изделия, которая имеет доступ ко всем их «цифровым двойникам».
Понятие «цифрового двойника» производственной системы
Практическая реализация концепции Industry 4.0 потребовала пересмотра информационного описания производственной системы и реализуемых в ней процессов, особенно на стадии создания интеллектуального завода (Smart Factory).
Во многом это вызвано отсутствием возможности информационных систем машиностроительных предприятий использовать «цифровые двойники» изделий при технологической подготовке производства и в управлении процессом изготовления этих изделий. Указанные компьютерные модели также становятся малоинформативными, когда возникает потребность в оптимизации материальных потоков на этапе производства изделий.
Этапы жизненного цикла производственной системы отличаются от этапов жизненного цикла производимых изделий. Основным отличием является то, что производственная система машиностроительного предприятия на этапе ее эксплуатации подвержена функциональным и структурным изменениям. Это вызвано как необходимостью ее технического перевооружения при изменении номенклатуры и/или программы выпуска, так требованием повышения общей эффективности станочной системы (коэффициента OEE – Overall Equipment Effectiveness) при снижении цикла изготовления изделий (коэффициента MCE – Manufacturing Cycle Effectiveness). В результате этих изменений создаются новые конфигурации производственной системы.
Задача цифровизации производственной цепочки обусловлена требованием обеспечения «прозрачности» производства, и оперативного отслеживания его текущих изменений, что позволяет на основе математических моделей многокритериальной оптимизации эффективно управлять соответствующими материальными потоками. Цифровой двойник производства позволяет моделировать изменения (улучшения) и просчитывать их возможные последствия при реализации на уровне исполнительных подразделений. Получение обратной связи математической модели процесса и его реального поведения в режиме online является актуальной задачей обработки и анализа больших данных (Big Data), формируемых с помощью индустриального интернета (IoT).
Следовательно, если на стадии управления жизненным циклом (PLM) применяются «цифровые двойники» изделий, то на стадии интеллектуального завода (Smart Factory) встает новая актуальная задача – эффективного использования технологического оборудования предприятия на основе цифровизации производства. Возникает необходимость создания цифрового дуализма иного рода – «цифрового двойника» производственной системы (ПС), – инструмента, моделирующего производственные процессы.
Поэтому по аналогии с «цифровым двойником» изделия формируется и «цифрой двойник» производственной системы применительно к ее конкретной конфигурации, включающей как инжиниринговую, так и эксплуатационную цифровые модели ПС.
«Цифровой двойник» производственной системы включает в себя:
- Инжиниринговую модель ПС, содержащую цифровое описание ресурсов предприятия, структуру станочной системы, средства технологического оснащения, номенклатуру и технологии изготовления изделий, систему сбора информации о текущем состоянии оборудования.
- Эксплуатационную модель ПС, являющуюся цифровой платформой для описания логистической архитектуры предприятия, формирования планов-графиков изготовления изделий, межцеховой и внешней кооперации, включая регламенты технического обслуживания и ремонта оборудования. Математическому описанию также подлежит динамика внутрицеховых материальных потоков, на основе цифровизации которых формируются оптимальные производственные расписания выполняемых работ.
Наиболее сложным для практической реализации является эксплуатационная модель «цифрового двойника» ПС, на которую, в частности, возлагаются следующие функции:
- Проводить необходимые расчеты для принятия управленческих решений.
- Отображать в режиме реального времени производственные процессы, протекающие в производственной системе.
- Проводить различные эксперименты «что если» путем математического моделирования производственных процессов.
Оптимизация внутрицеховых материальных потоков достигается средствами специального софта категории MES (Manufacturing Execution System) – программного обеспечения, предназначенного для оперативного календарного планирования производства.
11 функциональных требований к MES-системам
- Контроль состояния и распределение ресурсов (RAS) – Resource allocation.
- Оперативное/детальное планирование (ODS) – Operation detailed scheduling.
- Диспетчеризация производства (DPU) – Dispatching production units.
- Управление документами (DOC) – Document control.
- Сбор и хранение данных (DCA) – Data collection acquisition.
- Управление персоналом (LM) – Labor management.
- Управление качеством продукции (QM) – Quality management.
- Управление производственными процессами (PM) – Process management.
- Управление техобслуживанием и ремонтом (MM) – Maintenance management.
- Отслеживание истории продукта (PTG) – Product tracking & genealogy.
- Анализ производительности (PA) – Performance analysis.
Это программное обеспечение, включенное в эксплуатационную модель «цифрового двойника» ПС, рассчитывает производственное расписание по различным оптимизационным критериям. В расчете используются технологические процессы изготовления изделий, где ставится многокритериальная оптимизационная задача максимизировать коэффициент OEE при эффективном снижении потерь рабочего времени технологического оборудования. Что равносильно снижению значения показателя MCE – «цифрового показателя», характеризующего эффективность производственного цикла. Пример многокритериальной оптимизации производственного расписания средствами MES:
Еще одной важной задачей эксплуатационной модели «цифрового двойника» производственной системы является минимизация возможных отказов технологического оборудования за счет своевременного проведения планово-предупредительных ремонтов (ТОиР). Часто эта функция реализуется в системах производственного управления класса ERP (Enterprise Resource Planning). На уровне эксплуатационной модели «цифрового двойника» ПС функции ТОиР учитываются как дополнительные операции, оптимизируемые в оперативном плане производства так, чтобы они минимально влияли на скорость прохождения обрабатываемых изделий через станочную систему предприятия. Эту задачу принимают на себя MES-системы.
Важно, чтобы цифровая модель ПС поддерживалась в актуальном состоянии через реализацию непосредственной связи с оборудованием и производственными постами, с учетом текущего состояния изготавливаемых изделий. Для решения этой задачи, которая базируется на системах класса MDC/MDA (Machine Data Collection/Machine Data Acquisition) или SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), используется индустриальный интернет (IoT – Internet of Things). Последний призван обеспечить связь сенсоров, датчиков и другой аппаратуры сбора данных с существующими системами управления производством и эксплуатационной моделью «цифрового двойника» производственной системы.
Выводы
«Цифровой двойник» (Digital Twin) – фундаментальное понятие «цифрового производства» (Smart Factory), которое следует связывать как непосредственно с самим изделием, в этом случае применяется термин «цифровой двойник» изделия, так и с процессом изготовления изделий – в этом случае следует использовать термин «цифровой двойник» производственной системы. Последний включает в себя как инжиниринговую, так и эксплуатационную цифровые модели. Используемые совместно на этапе жизненного цикла изделия (Product Lifecycle Management), эти цифровые двойники должны быть функционально связаны между собой (Interoperability) и обеспечивать эксплуатационные характеристики проектируемого и изготавливаемого изделия в соответствии с его служебным назначением. В основе эксплуатационных моделей «цифровых двойников ПС» лежит программное обеспечение категории MES.
Фото: pixabay.com
Менеджеров, ботающих по фене, – много; а работающих в реальных производственных условиях – мало.
Прекрасная статья, ясный и незапутанный язык, чёткая классификация. Прочитал с огромным удовольствием. Очень рад, что у нас есть такие профессора, которые не просто объясняют старое, но двигают новое!
Если не ошибаюсь, сейчас строители очень активно переходят к цифровым двойникам.
Эти те бизнесмены, которые шаурмой торгуют? Тогда - да.
Если у вас образование пищевика, как вы уже отметили, не надо лезть в дискуссию, где рассматриваются вопросы машиностроения. Ваша озлобленность говорит о вашем скудном образовании и мышлении.
Сначала напишите такую же MES-систему, которую сделал Е.Б. Фролов, а потом мы посмотрим, на что вы способны.
Цитата: "Впервые полноценно эта концепция была описана в Мичиганском университете в 2002 году. Сейчас «цифровым двойником» изделия называют его виртуальную модель, которая на микро- и макроуровне либо описывает реально существующий объект ..."
Это эволюция? У Вас, Евгений, раздел называется "...эволюция и классификация". Уложились в два предложения. Чота маловато будет.
Цитата: "Задача цифровизации производственной цепочки обусловлена требованием обеспечения «прозрачности» производства, ..."
Насчёт "требований" солидарен. Только прозрачность на производстве - вопрос отношений между людьми. По крайней мере на наших предприятиях. То, что Вы называете "прозрачностью" всего лишь доступность и полнота необходимой информации необходимой Субъектам принятия решений и только на основных производственных процессах. Не стану мешать обсуждению. Это только замечание.
Цитата: "Инжиниринговую модель ПС, содержащую цифровое описание ресурсов предприятия, структуру станочной системы, средства технологического оснащения, номенклатуру и технологии изготовления изделий, систему сбора информации о текущем состоянии оборудования."
Что подразумевается под "цифровое описание ресурсов предприятия"? Расшифруйте пожалуйста.
Несмотря на моё занудство, выразившееся в ряде замечаний, статья для меня оказалась очень полезной. Даже применительно к моей практике не связанной напрямую с основным производственным процессом, совершенно ясно, что любая работа по изменению и даже поддержанию инфраструктуры должна опираться на MES-моделирование.
При инвестировании в производство, первый этап контроля ресурсов заключается в исследовании свойств предмета инвестиций. И здесь однозначно лучше иметь модель будущей производственной системы чтобы проверять на соответствие.
Причина «диалога» между профессором Е.Фроловым и мною – не нова.
Вообщем, примерам-аналогам «диалога» – несть числа.
Но, в истории был и период, когда доминировал стандарт максимального массового доступа к знаниям. Это был период явлений, названных научно-техническими революциями. С появлением индустриального производства, стали бурно развиваться наука и техника. Потребовались кадры в настолько большом количестве, что терминологические барьеры были убраны. Массово доступными стали системные представления. Этому есть яркие примеры:
Но, лет 30 назад, мир стал однополярным. Вскоре появился интернет. И изменился тип рынка знаний. На нём, вместо покупателя, стал доминировать продавец. На последствия сего указать нетрудно. К примеру, сейчас средства поиска выдают по нашим запросам не то, что нам нужно, а то, что нам хотят «впарить».
И сейчас на любого, кто возражает засилью барьеров из узкопрофессиональных терминов, просто набрасываются. «Виновника» тужатся представить маргиналом-невеждой-… . Е.Фролов еще старается придерживаться столичного этикета в плане толерантности. А провинциальный профессор вообще «слетел с катушек».
.===================================.
Обсуждаемая публикация соответствует общим описаниям. Но, системным – вряд ли. Поелику, в оной отсутствуют описания взаимосвязей. А в моей «модели производства» взаимосвязи указаны в общей схеме и описаны в тексте в виде действий-алгоритмов. Так что, глоссарий «MES-система, которую сделал Е.Б. Фролов» мне не понадобился бы.
А вообще, надо бы прекратить «диалог». Его стороны уже высказали свои представления о предмете несогласия. Свои повторю: я понимаю желательность общих описаний. Для их краткости могут применяться узкопрофессиональные термины. Но, тогда такие описания вряд ли подходят к широкой аудитории.
А вообще, термин "... двойник", в смысле целостной-полной модели, вызывает неприятие.
Кто не знает, что модель -- это только частичное представление прототипа. Общеизвестна притча об описаниях слона слепыми. У каждого из них была своя модель. И сколько бы таких моделей ни было, все они (вместе) недостаточны для полного представления о слоне. Вспомним к этому фейнмановское описание системы естественно-научных знаний. Так что, притязания на целостность и полноту содержания термина "цифровой двойник" -- абсурдны. А коли так, то зачем наглеть. Можно же говорить скромнее: модель; система; комплекс; ... .
Есть и общая причина неприятия. Термин "... двойник", в смысле целостной-полной модели, противоречит представлениям, основанным на известной теореме Гёделя. Модель-"двойник" -- это нечто замкнутое. Прототип же -- принципиально не может быть замкнутым. Ну не напоминать же здесь ленинское утверждение о неисчерпаемости ... . :)
Честно говоря, я не могу понять, какие термины Вас смущают, Владимир Иванович? Статья написана просто классически и чрезвычайно популярно. Например, здесь - перевод и привычный термин:
Не могу сообразить, что Вас смутило? MES? Этой аббревиатуре 33 года.
Владимир, можно конечно назвать и просто моделью, но тогда скорее всего будет потеряна основная суть. Цифровой двойник служит для сравнения, которое, в свою очередь, необходимо для работы над соответствием реального производства эталонному, математически обоснованному. Назовите Вы цифровая модель, математическая модель. Эти определения уже имеют какие-то ассоциации. Например, модель - что-то неизменное типа проекта. Но цифровой двойник, как раз, изменчив за счёт обратной связи с реальным производством.
Когда я разрабатывал свои Системы контроля ресурсов, тоже была проблема как назвать юстирующий, проверочный источник информации о производственных процессах. Вы смотрите на суть. Ведь, по большому счёту, Вы переносите маркетинговые тенденции, создать продукт без продукта, на реальный продукт пользующийся популярностью.