Концепция цифрового двойника — роль и отличия от информационной модели

Описать концепцию цифрового двойника (ЦД) можно следующим образом: представить модель объекта, изменяющуюся во времени. Но и здесь есть нюансы: существуют ЦД, использующиеся для прогнозирования. Получается цифровая симуляция объектов для расчета дальнейшей перспективы. Горизонт планирования при этом может составлять до 70 лет и более. 

Концепция активно используется в нефтегазовой отрасли. Современные технологии позволяют создать систему из одного или нескольких элементов. Как пример: цифровой двойник буровой установки, месторождения или отдельных процессов, связанных с оборудованием или передачей данных.

Кто считается автором концепции цифрового двойника?

Одним из авторов концепции считается Майкл Гривс: её начало было положено в 2000-х годах. Главная идея заключалась в том, что каждый объект или процесс существует в физическом мире: значит его можно оцифровать, создав двойников в мире виртуальном. Одна система отражает другую, как зеркало: изменения в реальности переносятся в цифровую модель и наоборот.

Технология чем-то напоминает своего прародителя: симулятор NASA, который они использовали в Apollo. Многие компании направляют инвестиции в виртуальные системы, включая ЦД. Объекты цифровых дневников можно объединять: в результате получаются зеркальные миры. Это не понятие теории из киновселенных, а реальная полезная система, которую используют в промышленности. ЦД активно применяются для создания виртуальных месторождений и активов для газонефтедобывающей отрасли.

В чем отличие цифрового двойника от информационной модели?

Раньше в производство активно внедрялись информационные модели. Но у них есть один главный недостаток: они рассчитываются для конкретной точки во времени и пространстве. После этого изменения на реальном объекте не переносятся в модель. Цифровой двойник же обновляется постоянно. Он дублирует физический объект.

В нефтегазовой отрасли используются ЦД месторождений и активов. Они необходимы, чтобы отслеживать данные и передавать их на оборудование для дальнейших этапов обработки смеси. Объяснить различия между цифровым двойником и информационной моделью проще на примере:
●    понятие ЦД месторождения предусматривает наличие модели, содержащей интегрированные данные. Они меняются в режиме онлайн. Среди них движение нефти, состояние скважины, визуализация сети сбора в реальном времени;
●    информационная модель — система, в которой отражено состояние буровой установки, по результатам измерений и сбора числовых и статистических данных при анализе в выбранный период. Она может использоваться при расчетах, но не будет актуальной на перспективу. Для этого её нужно регулярно обновлять, и при этом она не станет цифровым двойником. Ее концепция в том, чтобы смоделировать одну из ситуаций.

Чтобы актуализировать модель, требуется участие не одного десятка инженеров, которые будут заново исследовать объект для выявления возможных изменений. ЦД же не только отслеживает изменения, но и собирает новые данные. Например, если на месторождении открыли новую скважину, он самостоятельно собирает данные об объекте. Инженер в таком случае нужен только для уточнения и сверки данных.

Какие задачи решают и где применяются цифровые двойники?

Цифровой двойник зачастую работает в связке с другими продуктами: искусственным интеллектом и прикладными программами, необходимыми для измерений и аналитики. ЦД можно считать масштабным калькулятором, данные с которого нужно визуализировать и обработать для дальнейшего использования.

Один из простых примеров, что можно сделать двойник — составить расписание для производства с задачей максимизации прибыли:

1.    Система получает задачу извне — в данном случае максимизировать прибыль.
2.    После этого она анализирует возможные действия и их эффект. Для этого и используются возможности цифрового двойника. Если можно создать новые скважины, что это даст в перспективе, как можно эксплуатировать текущие объекты, делать промывку и проводить водоизоляционные манипуляции.
3.    После этого для каждого возможного изменения рассчитываются данные, визуализирующие затраты и их окупаемость. Сочетаются комбинации мероприятий, которые помогут достичь положительного экономического эффекта.
4.    В результате получается расписание, показывающее этапы работ, их порядок, действия каждого члена команды и развитие объекта в целом.

Цифровой двойник помогает просчитать возможные варианты развития при разных вводных данных. И уже после получения ответов другие программы и искусственный интеллект создают модель дальнейших действий, отвечающих требованиям. 

Преимущество цифровых систем в том, что они могут учитывать изменения мгновенно. Если работы задерживаются, не хватает комплектующих, перебои с поставками, или на смену не вышел сотрудник — внедрение данных двойника происходит сразу же. Затем происходит создание прогноза на основе обновленных данных, корректируется план добычи.

В чем заключается положительный эффект от внедрения цифрового двойника?

Сама концепция только разрабатывается в России и в мире: такие проекты пока создаются и скоро будут интегрироваться с производствами и предприятиями. При нефтегазовой добыче и в других отраслях многие используют интегрированные модели: из этого не получится полноценный двойник.

Если говорить о положительных примерах, можно взять цифровой двойник актива — в отличии от концепции ЦД месторождения технология позволяет собрать данные не только с буровых установок, но и с обеспечивающих систем, кадрового резерва и экономики предприятия. 

В результате руководитель может увидеть как технологические, так и экономические изменения в их взаимосвязи. Появляется возможность просчета дальнейшего развития с учетом сокращения сотрудников, затрат, увеличения инвестиций и изменения параметров добычи.

Главной задачей для предприятий при внедрении ЦД является сбор и анализ данных: они должны быть четко структурированными и проверенными. При этом учитываются и взаимосвязи. Если при изменении одних параметров меняются другие, это также нужно учесть. Простейший пример: если при разработке скважины изменяется размер детали, а также её цена, все взаимосвязи отражаются в системе. 

Непосредственно за сбор данных отвечают датчики, сенсоры и другие диагностические приборы. Для каждого предприятия цифровой двойник уникален. Есть и общие свойства, отражающиеся на отраслевых решениях. Но несмотря на то, что концепция едина, даже для двух находящихся рядом месторождений и производств, созданных по образцу, ЦД будут разными.

Примеры и перспектива внедрения ЦД

Консалтинговая компания Accenture (сейчас —  Axenix) в 2021 году обозревала топ-5 трендов, влияющих на стратегическое технологическое развитие. 65% руководителей, опрошенных в процессе исследования, ожидали роста инвестиций в ЦД в последующие 2-3 года. Уже тогда 18% опрошенных организаций рассказали о том, что уже внедрили концепцию цифровых двойников, а 24% тестировали её.

Что касается применения ЦД, то «Объединенная двигателестроительная корпорация» уже тестировала его, например, в ходе испытаний двигателей.  Система с элементами искусственного интеллекта отслеживает изготовление двигателей и позволяет моделировать их испытания в виртуальной среде. Это значительно сокращает сроки реальных испытаний. 
Базой для сбора и аналитики данных в этом проекте стала платформа 
ZIIoT. ZIIoT Oil&Gas используется также на крупнейших нефтегазовых и нефтехимических предприятиях России и дружественных стран. 

Отправьте заявку, и мы обсудим варианты внедрения ЦД на ваших предприятиях.