Эпоха цифровых моделей: что сменило циркуль и бумагу в XXI веке

Промышленное оборудование, здания, дорожная инфраструктура, автомобили и самолеты — все эти объекты состоят из тысяч деталей, каждая из которых начинается с создания модели. Примерно до конца восьмидесятых это делалось на бумаге, с помощью кульманов, логарифмических линеек, станков без числового программного управления (ЧПУ). Закономерно, что ресурсные и временные затраты были колоссальными: чтобы выпустить 20 паровых турбин, турбинному заводу требовались силы 10 тысяч человек. Для сравнения: сейчас с этой задачей справляются менее тысячи специалистов. Изменилась сама философия проектирования.

Сегодня цифровое проектирование — база для создания самых разных объектов: от жилых зданий до турбин и космических кораблей. Термин «цифровое» означает не просто перенос чертежа с бумаги на экран компьютера: создание моделей сегодня строится на абсолютно новых принципах. Во-первых, к виртуальному макету привязывается вся документация, которая появляется в процессе подготовки производства. Это дает возможность видеть всю хронологию проектирования, включая этапы согласования, любые изменения, заключения и оценки. 

И, разумеется, перевод проектирования на цифровые рельсы существенно снизил временные затраты. Так, рабочий проект одной из турбин Уральского турбинного завода, состоящей из 24 тысяч деталей, благодаря внедрению технологии «цифрового макета изделия» сегодня выполняется за 8 месяцев — раньше на эту задачу уходило больше года. А сокращение сроков — это уменьшение издержек и увеличение объема производства. Если ранее на заводе выпускалось от 200 до 300 трехмерных моделей в год — сейчас же это число превратилось в несколько тысяч. 

Но хотя цифровая модель решает многие проблемы проектирования, ее жизненный цикл заканчивается с момента появления объекта на свет. Что происходит потом, в период его работы — мы отследить не можем. Иначе говоря, если в процессе создания модели мы еще имеем возможность просчитать, как конечный продукт проявит себя в тех или иных условиях — то все, что будет влиять на его работу после выхода в эксплуатацию, остается темной зоной. А значит, невозможно вовремя выявить нарушения в его работе и предсказать их выход из строя. Во всяком случае, невозможно с помощью «классического» цифрового моделирования: для решения этой задачи необходим полноценный цифровой двойник.

Это одно из важнейших свойств цифровых двойников: с их помощью можно моделировать различные производственные ситуации и проверять гипотезы — вместо того, чтобы сразу проводить «натурный» эксперимент и рисковать, если что-то пойдет не так. Именно поэтому цифровые двойники имеют столь большой потенциал и в медицине: когда мы научимся воспроизводить работу человеческих органов, мы сможем проверять, как повлияет на них конкретный препарат или хирургическая операция — и уже по результатам экспериментов подбирать подходящее лечение.

Заводы без людей

Обобщая, можно сказать, что в промышленности цифровые двойники задействованы во многих сферах. В России эти решения активно развивают такие компании, как СИБУР, Норникель и Газпром нефть. Так, «Газпромнефть-Хантос» запустила в 2014 году проект цифрового месторождения, в состав которого вошел полноценный цифровой прототип процесса подъема жидкости из скважин. Следующий шаг в развитии этой технологии — появление полностью автоматизированных производств: заводов, рудников и фабрик, работой которых можно будет руководить дистанционно.

Использование Больших данных (Big Data) также неминуемо окажет влияние на технологические процессы и цифровое проектирование в частности. Мы с каждым годом аккумулируем все больше информации как на этапе конструирования, монтажа, так и в ходе всего жизненного цикла турбин и агрегатов с помощью систем удаленного мониторинга и прогностики.

Новые возможности проектированию способны дать и решения на базе дополненной реальности (augmented reality, AR), которые позволят сделать виртуальный макет максимально близким к своему «живому» воплощению. Если и дальше уходить в визионерство, то на роль следующего этапа в проектировании претендует эпоха 3D-печати. В идеальной версии развития событий виртуальные модели будут сразу превращаться в свои реальные трехмерные воплощения с помощью 3D-принтеров — но это пока перспективы следующих десятилетий.