[Заместители и ассистенты] Почему "цифровые двойники" (DigitalTwin) становятся мэйнстримом в энергетике

Технология "цифровых двойников" не нова, но ее только начинают широко внедрять в бизнес-процессы, поэтому знакомство с ней лучше начать с азов - с самого определения - и для закрепления понимания перейти к рассмотрению масштабных реализаций в вертикальных индустриях.

Технологии "цифровых двойников" принадлежат новому веку - впервые концепция была озвучена в 2002 г. Однако, в настоящее время ее реализация все же оказалась технически сложной, при этом демонстрируя высокую эффективность при внедрении в разных отраслях.

Бизнес крайне позитивно относится к "цифровым двойникам": в 2021 г. половина крупных компаний мира планирует использовать эту технологию, что будет способствовать повышению производительности на 10% - так видели аналитики Gartner ситуацию в 2019 г. Пандемия и в этот сегмент внесла свои коррективы, какие будут реальные итоги года в продвижении технологии "цифровых двойников", пока сказать сложно. Но уже очевидно, что она становится мэйнстримом, несмотря на сложность реализации.

Что такое "цифровой двойник"

"Цифровой двойник" (digital twin) - виртуальная модель физического объекта, системы или процесса, но не статичная, а имитационная. Важно, что "двойник" развивается вместе с физической системой, обмениваясь с ней потоками данных. "Цифровой двойник" способен самостоятельно генерировать данные о состоянии своего физического воплощения - в том числе, в будущем, в разных режимах работы и т.д. С "двойником" можно экспериментировать в виртуальном пространстве, используя последнее как "песочницу" и не подвергая опасности реальные объекты.

Такой подход актуален на этапе проектирования объектов, так как позволяет радикально снизить затраты на эксперименты с реальными прототипами. Также "цифровые двойники" хороши на протяжении всего жизненного цикла моделируемого объекта - анализ поведения "близнеца" способен выявить проблемные места у реальной системы, что позволяет выполнять проактивные действия, предотвращающие аварии, поломки и сбои. Кроме того, "цифровой двойник" крайне полезен при планировании апгрейда или более серьезного развития исходной системы - "на цифре" мы можем проверить различные гипотезы и выбрать оптимальный вариант перед тем, как приступать к изменениям на физическом объекте.

Для создания действительно работающих "цифровых двойников" требуется глубокое понимание специфики как ИТ, так и многоплановой структуры активов энергетических организаций

Практические внедрения "цифровых двойников" начались не сразу после формирования концепции - в начале века необходимые технологии еще не были достаточно развиты и стоили крайне дорого. Только после бурного развития интернета вещей и соответственного снижения стоимости решений стало возможным получать нужные потоки данных о текущем состоянии моделируемого объекта, а развитие технологий вычислений - в том числе, с применением искусственного интеллекта - дало возможность обрабатывать эти потоки с приемлемой скоростью.

Важно понимать, что с точки зрения пользователей "цифровые двойники" - это софт, причем простой в обращении. "Алгоритмы оптимизации и расчета ТЭП электростанции работают через единый пользовательский веб-интерфейс", - говорит Сергей Новиков, директор Западно-Сибирской ТЭЦ, филиала "Евраз ЗСМК". Разумеется, для более сложного моделирования приходится привлекать команды, состоящие из энергетиков, финансистов и дата-сайентистов. Следует помнить, что в деле оптимизации работы энергетических объектов применяют разные инструменты и технологии, а "цифровые двойники" - только один из них, но потребуются и другие компоненты, как цифровые, так и физические.

Заметим, что результаты моделирования, достигаемые при использовании "цифровых двойников", достаточно точно повторяют данные, получаемые с физических объектов. Например, на "Ново-Салаватской ТЭЦ", где внедрение было реализовано компанией НБИ, расхождение не превышает 2%, а это внедрение было реализовано более 5 лет назад, с тех пор технологии шагнули вперед, соответственно, доступная точность возросла.

Почему энергетика в лидерах внедрений "цифровых двойников"

"Цифровые двойники" получили широкое распространение в промышленности - технология прекрасно ложится на проработанные процессы и позволяет кардинально оптимизировать все элементы в производственно-сбытовой цепочке. В рейтинг лидеров по внедрению "цифровых двойников" входят энергетика, нефтегазовый сектор, машиностроение, транспорт, строительство. Российские компании традиционно активны во внедрении цифровых технологий и являются одними из самых продвинутых в регионе EMEA", - говоритТатьяна Бочарникова, глава российского представительства NetApp.

В 2017 г. корпорация "Росатом" объявила о планах создания цифровых АЭС, которые один-в-один повторяют реальные станции. Это позволяет собирать и анализировать данные о работе каждой единицы оборудования, а также создает возможности для моделирования и прогнозирования работы объектов в различных условиях и режимах. Важно, что эксперименты с "цифровыми двойниками" безопасны, что для атомных станций особенно актуально.

По мнению экспертов ИТ-компании КРОК, при создании "цифрового двойника" на энергетических предприятиях необходимо учитывать, что в рабочих процессах участвует большое количество сложного технологического оборудования, особенно в генерирующих компаниях, и для достижения максимального эффекта и создания действительно работающих "цифровых двойников" требуется глубокое понимание специфики как ИТ, так и многоплановой структуры активов энергетических организаций.

Как шло развитие

Несколько лет назад большинство "цифровых двойников" - как в российской, так и в мировой практике - представляли собой виртуальные модели отдельных элементов производства: продуктов, оборудования, систем, линий и процессов.

Достаточно быстро эти разрозненные модели стали объединять в "фулл стек", целиком создавая "двойников" всей цепочки добавленной стоимости. Разумеется, все это требовало больших вычислительных мощностей. Вычислительные мощности росли, как для привычных высокопроизводительных вычислений (HPC, High-Performance Сomputing), так и для специализированных, ориентированных на задачи ИИ. "Некоторые компании стали делать акцент на решения, хорошо подходящие для рассматриваемого нами класса задач. NetApp предоставляет решения для разных профилей использования - для облаков, объектных хранилищ и т.д. - но в данном случае мы предложили рынку сбалансированные программно-аппаратные локальные комплекты, подходящие для работы с "цифровыми двойниками. Комплексы состоят из мощной вычислительной части, ориентированной на ИИ-задачи, и системы хранения данных, построенные по принципу all-flash, а поэтому хороши для работы с "горячими данными", - комментирует Татьяна Бочарникова, глава российского представительства NetApp.

Исторически компания NetApp занималась системами хранения, но в современных условиях пересмотрела свою стратегию, добавив к хранению еще и обработку. Подход к архитектуре Data Fabriс оказался актуальным при работе с огромными массивами данных, необходимыми для использования "цифровых двойников". Решения NetApp могут быть интегрированы с платформами виртуализации (например, WMware и KVM), а также с решениями контейнерной виртуализации (Kubernetes). Это позволяет запускать нужный софт с современными параметрами гибкости и защищенности, что важно для задач моделирования, связанных с "цифровыми двойниками". Кроме того, в соответствующих задачах будут актуальны собственные разработки NetApp, обеспечивающие расширенные возможности работы с данными: репликации, резервного копирования и т.д.

ИИ-решения для "цифровых двойников"

Интерес к ИИ огромен, соответствующие инструменты актуальны для ряда задач, в том числе, и для построения "цифровых двойников", обеспечения их работы и совершенствования. Однако, развернуть внутри организации предсказуемую масштабируемую систему, выполняющую глубокое обучение нейросетей, до недавнего времени могли только интернет-гиганты. Большие бюджеты в сочетании с колоссальным профильным опытом позволяли этим компаниям проектировать системы с оптимальным сочетанием вычислительной мощности, оптимизированных систем хранения данных и сетевой инфраструктуры, которые были способны обеспечить пользователей необходимыми сервисами для работы с ИИ.

Однако, компании, представляющие средний бизнес, при правильном техническом подходе могут построить собственные системы для работы с ИИ. "В сотрудничестве с Nvidia мы вывели формулу оптимальной архитектуры для ИИ и "глубокого обучения". - говорит Татьяна Бочарникова. - Наши заказчики просто могут "взять на вооружение" готовое выверенное решение с оптимальной конфигурацией вычислительных блоков GPU, систем хранения данных и сетевой инфраструктуры". Пример -система NetApp ONTAP AI, которая построена на базе суперкомпьютера NVIDIA DGX, оптимизированного для работы с ИИ, и систем хранения NetApp All-Flash. Это решение доступно для массового бизнес-применения - позволит компании любого размера развернуть систему глубокого обучения в периметре своей инфраструктуры, причем развертывание займет всего нескольких дней. Примененный в системе модульный подход позволит масштабировать решение в зависимости от бизнес-задач, стоящих перед компанией.

Что дальше

У "цифровых двойников" - большое будущее. Технология работы с ними прекрасно соответствует современным концепциям - "Индустрия 4.0" и "цифровая трансформация", позволяя радикально изменять бизнес-процессы, в том числе, в эксплуатации, управлении и развитии индустриальных систем, в том числе, и энергетического комплекса.

В широком смысле "цифровые двойники" - решение не столько цифровое или техническое, сколько имеющее отношение к финтеху в широком понимании: его применение позволяет радикально изменить бизнес-показатели индустриальных решений. "Оптимизация режимов в 2015-2016 гг. дала снижение удельного расхода топлива в среднем на отпуск электроэнергии - 0,9%, а на отпуск тепловой энергии - 1%. - комментирует Иван Белов, руководитель по планированию и контролю параметров Сакмарской ТЭЦ. - В итоге это вылилось в 86 млн. рублей экономии". Инвестиционный проект на упомянутой "Ново-Салаватской ТЭЦ стартовал в 2014 г., и уже в 2016 г. экономия составила 18,9 млн. рублей.

Создание "цифровых двойников" для реальных производственных активов задача сложная, наукоемкая и затратная как по финансам, так и по времени. Но известны прецеденты, когда создание "двойников" затягивалось на десять-пятнадцать месяцев, но примерно за такое время и окупалось. Прецеденты есть и в российских реалиях. "По предварительным оценкам окупаемость на "Евраз ЗСМК" составил менее 18 месяцев", - говорит Сергей Новиков. "Применение "цифровых двойников" для задач оптимизации на "Ново-Салаватская ТЭЦ", входящей в состав "Газпрома", окупилось еще быстрее - за 16 месяцев", - сообщил Александр Семенец, экс-директор электростанции. Энергетикам результаты нравятся, в результате пилотных проектов в ряде случаев принимаются решения о масштабировании технологий на другие энергообъекты. Например, после внедрений на Липецкой ТЭЦ-2 и Смоленской ТЭЦ-2 управляющая компания будет имплементировать решения на другие объекты.

Индустрия активно нарабатывает кейсы применений "цифровых двойников". Например, к их применению на этапах проектирования и обслуживания сложных систем добавили решения для тренировок персонала, что приводит к положительным результатам - количество ошибок у диспетчеров после тренировок на таких реалистичных тренажерах существенно сократилось. Происходит развитие технологий - нарабатывают экспириенс команды дата-сайентистов, в том числе, и погруженные в задачи энергетики.