«Формируют бюджет страны»: проректор Политеха — о том, как цифровая трансформация меняет современные технологии

— Алексей Иванович, что такое цифровой двойник? Какова его роль в технологическом развитии страны? Сопрягаются ли цифровые двойники с Big Data и искусственным интеллектом?

— Цифровой двойник — это и технология, и результат применения этой технологии. Это отражение реального изделия в цифровом, виртуальном мире.

В 2022 году вступил в действие Национальный стандарт «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения», который был разработан специалистами Центра НТИ «Новые производственные технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великогосовместно со специалистами ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» и при участии ещё 25 высокотехнологичных организаций и отраслевых институтов. В этом документе цифровой двойник определяется как система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с реальным объектом.

Однако многие люди часто путают понятия «цифровой двойник» и «цифровая тень». Цифровая тень создаётся на основе данных, полученных с объекта, который уже эксплуатируется. Например, мы установили датчики и через промышленный интернет передаём большие потоковые данные.

В итоге получаем Big Data, которые нужно хранить и обрабатывать, то есть извлекать содержательные данные, чтобы определить, в каком состоянии находится объект, и иметь возможность провести анализ его работы в различных режимах в долгосрочной перспективе. Это почти как с человеком, который в течение своей жизни периодически обращается к врачу, и в его медицинской книжке фиксируются те изменения, которые с ним происходят.

Что касается технологии цифровых двойников, то её концепцию в 2002 году предложил профессор Мичиганского университета Майкл Гривз. По его мнению, цифровые двойники начинаются тогда, когда возникает первая идея о создании нового продукта.

Цифровой двойник как технология позволяет выйти на этап разработки, когда изделия ещё нет. При этом мы можем учесть все его функциональные, технические, стоимостные, экологические и другие требования и характеристики. Это крайне важно, потому что именно на этапе разработки закладываются конкурентные преимущества будущего продукта.

Фактически в современном мире, чтобы создать высокотехнологичное изделие, которое будет превосходить лучшие образцы, нужна технология цифровых двойников. Это превосходство отражено в дополненном определении технологического лидерства Российской Федерации.

Отвечая на ваш вопрос о связи искусственного интеллекта и технологии цифровых двойников, отмечу следующее: искусственный интеллект, в частности нейросети, позволяет при разработке цифровых двойников максимально быстро проверять, насколько внесение изменений отразится на финальном результате.

Объединение или конвергенция технологий искусственного интеллекта и цифровых двойников считается очень перспективными. Особенно, если ИИ будет подсказывать новые и неожиданные решения.

— С какого периода питерский Политех реализует проекты с применением технологии цифровых двойников? Какую практическую пользу они приносят?

— Проектов было много. Расскажу о нескольких из них. Работа началась ещё в августе 2002 года с реконструкции шпиля Петропавловского собора и флюгера «Ангел». Наша задача заключалась в восстановлении работоспособности поворотного механизма флюгера. Для анализа воздействия ветровой нагрузки наши специалисты разработали пространственную конечно-элементную модель флюгера, высокоадекватную реальному объекту, и элементную модель всего шпиля.

Всё это позволило проанализировать обоснованность выбора всех конструктивных решений и материалов. Таким образом, основные элементы технологии цифровых двойников мы применяли более 20 лет назад.

В феврале 2003 года была проведена сборка поворотного механизма и самого «Ангела» на шпиле собора. Работы были приняты государственной комиссией. Отреставрированный поворотный механизм флюгера содержал все основные элементы исторической конструкции Дмитрия Ивановича Журавского 1858 года без дополнительных деталей.

В 2004 году технология цифровых двойников и расчёты специалистов лаборатории «Вычислительная механика» (CompMechLab) СПбПУ позволили подтвердить прочность и надёжность работы главного циркуляционного насоса Тяньваньской АЭС (КНР), расположенной на берегу Жёлтого моря.

В 2014—2016 годы на нашей собственной платформе разработки и применения цифровых двойников CML-Bench был реализован первый крупный проект государственного значения — «Кортеж». Мы совместно со специалистами ФГУП «НАМИ» участвовали в проектировании элементов каркасов кузовов отечественных автомобилей семейства «Аурус».

На нашей цифровой платформе CML-Bench на сегодняшний день реализовано уже более 60 проектов для десяти высокотехнологичных отраслей промышленности: от атомной и нефтегазовой отраслей до авиастроения, судостроения и автомобилестроения. Например, по заказу «ОДК-Сатурн» в течение трёх лет наши инженеры работали над созданием цифрового двойника морского газотурбинного двигателя (ГТД) и редуктора в составе агрегата.

К слову, ГТД является одним из самых сложных инженерных устройств, которые когда-либо создавал человек. Также впервые в отрасли газотурбинного двигателестроения мы разработали цифровой двойник авиационного ГТД ТВ7-117СТ-0, который в декабре 2022 года по результатам испытаний получил у Росавиации сертификат типа.

— На чём питерский Политех сосредоточен в настоящее время?

— Как видите, у нас большой опыт в области двигателестроения и платформенных решений и свои компетенции мы сейчас транслируем в активно развивающуюся отрасль беспилотных авиационных систем. Так, Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» включилась в реализацию национального проекта «Беспилотные авиационные системы», разработав концепцию создания единой среды проектирования беспилотных авиационных систем на базе цифровой платформы CML-Bench.

Кроме того, наши инженеры разработали линейку многофункциональных БПЛА «Снегирь». Беспилотник «Снегирь-1» гибридной компоновки сочетает преимущества мультироторной и самолётной схем, а «Снегирь-1.5» был создан в 2024 году для проведения лётных испытаний, отработки системы управления, валидации и верификации математических и компьютерных моделей.

Отмечу, что в связи с бурно растущим рынком БПЛА остро стоит вопрос замещения иностранных комплектующих отечественными. Электродвигатели для БПЛА, которые в силу специфики применения должны быть простыми с инженерной точки зрения и недорогими в изготовлении, могут полностью создаваться в России из отечественных материалов.

В ответ на существующий запрос наши инженеры разработали электродвигатель CML_03 с улучшенными тяговыми характеристикам. В частности, разработчики на основе цифрового моделирования изменили количество полюсов, модифицировали форму магнитов и модифицировали коронки зубцов.

По сравнению с зарубежными аналогами мы смогли увеличить пиковую мощность на 15%, увеличить КПД электродвигателя на 2%, снизить биения момента на 30% — этот показатель отвечает за плавность хода двигателя. Масса нового электродвигателя составляет около 150 граммов в сборе.

Если говорить об оценке наших компетенций в области технологии цифровых двойников, то СПбПУ — один из ведущих мировых центров развития этой передовой технологии. Об этом в том числе свидетельствует постоянный рост заказов из разных отраслей и их усложнение, оценки экспертного сообщества и представителей государственных органов.

— Расскажите, как устроена процедура построения цифровых двойников? Что самое сложное в такой работе?

— Ключевой элемент цифрового двойника — это матрица требований, целевых показателей и ресурсных ограничений. Самое сложное в создании цифрового двойника — сбалансировать матрицу, то есть учесть огромное количество требований и показателей, порой противоречащих друг другу. При этом мы не можем улучшить показатели по одним параметрам и ухудшить при этом по другим. Конечно, не можем забывать и про законы физики.

Затем необходимо провести большое количество цифровых испытаний на специальных испытательных стендах и полигонах, чтобы подтвердить адекватность разработанных моделей реальному объекту и режимам эксплуатации. После сотен цифровых испытаний удаётся с первого раза успешно проводить натурные испытания.

Например, матрица требований, целевых показателей и ресурсных ограничений при разработке «Ауруса» суммарно насчитывала 125 тысяч позиций. Это позволило автомобилю с первой попытки получить высший балл по пассивной безопасности на независимом полигоне. Для получения такого результата за 1,5 года были выполнены тысячи цифровых испытаний. В итоге цифровые двойники позволяют существенно экономить время и финансовые средства при разработке высокотехнологичных изделий.

— Какие задачи, на ваш взгляд, стоят перед России в сфере цифровой трансформации?

— Если Россия рассчитывает достичь технологического лидерства, то в первую очередь необходимо сконцентрировать усилия на построении цифровых моделей и цифровых двойников объектов в тех отраслях промышленности, которые формируют бюджет страны. Главным образом это нефтегаз, атомная энергетика, машиностроение, авиа- и судостроение, автомобильная индустрия и другие высокотехнологичные сектора экономики.

— В 2022 году учёные Сеченовского университета начали разработку цифровых моделей различных органов человека. Какую пользу, по вашему мнению, может принести оцифровка человеческого организма или как минимум его жизненно важных органов?

— Цифровые технологии не первое десятилетие применяются в медицине. Например, при помощи цифровых методов наши специалисты разрабатывали так называемые ловушки для тромбов. Это проект был реализован ещё 20 лет назад для одной американской медицинской компании. Также мы выполняли моделирование для офтальмологических операций.

В 2006—2007 годах университетский колледж Лондона (University College London, UCL) заказал нашему коллективу изготовить цифровую модель головного мозга. Тогда казалось, что это невозможно, но мы применили сразу несколько технологий из атомной энергетики, автомобилестроения, биоинженерии и других отраслей промышленности. Задача была успешно выполнена. Сейчас мы успешно применяем цифровые технологии при проектировании индивидуальных протезов.

Ежегодный рост рынка цифровых двойников составляет 60-65%. Учитывая, что вся мировая медицина сейчас движется к персонализации, то, я думаю, области применения цифровых двойников будут только расширяться.

Можно ожидать, что в перспективе действительно может быть создан цифровой двойник всего человека. Эта цифровая копия будет сопровождать его на протяжении всего жизненного пути, проводить предиктивную аналитику, сигнализировать о необходимость провести исследования, сдать анализы и что-то поменять в своём образе жизни для того, чтобы максимально долго оставаться здоровым и полным сил.

— Как бы вы тогда определили технические и этические барьеры подобных исследований?

— Техническим ограничением при построении цифрового двойника мозга или других человеческих органов является то, что биологически системы очень сложно описать при помощи уравнений, способных адекватно отразить химические и биологические процессы, происходящие в живом организме.

А что касается этической стороны вопроса, то вспомним историю атомного проекта. Он тоже вызывал много споров и сомнений, однако время всё расставило по своим местам.