Центр НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» на мировом технологическом фронтире

Центр компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Новые производственные технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), являясь активным участником формирования цифровой экономики в России, всецело вовлечен в глобальный контекст Четвертой промышленной революции. В 2020 году Центр НТИ СПбПУ стал членом международных организаций, занятых разработкой и развитием передовых цифровых и производственных технологий, масштабированием лучших практик, аккумулированием и тиражированием соответствующих компетенций.

Так, в июле 2020 года СПбПУ в лице Центра компетенций НТИ «Новые производственные технологии» СПбПУ стал первой из российских организаций, вступивших в Digital Twin Consortium по приглашению руководства Консорциума.

В мае 2020 года некоммерческая организация Object Management Group (OMG), основателями которой являются Ansys, Dell Technologies, Lendlease и Microsoft, объявила о создании Консорциума по цифровым двойникам (Digital Twin Consortium, DTC). Сооснователями Консорциума стали компании GE Digital, Northrop Grumman, Autodesk и Bentley Systems.

Ключевой задачей DTC стало формирование международной экосистемы ведущих экспертов, влияющих на разработку, применение и стандартизацию технологии цифровых двойников (Digital Twins).

«Реализация цифровых двойников – виртуальных моделей процесса, продукта или услуги, которые позволяют проводить анализ данных и мониторинг систем с помощью численного моделирования, – может оказаться проблематичной из-за отсутствия программного обеспечения с открытым исходным кодом, проблем совместимости, путаницы на рынке и высоких затрат», – подчеркивалось в пресс-релизе, посвященном созданию Digital Twin Consortium.

Новая организация должна обеспечить единство в терминологии, архитектуре, безопасности и функциональной совместимости для продвижения использования технологии цифровых двойников.

В Digital Twin Consortium также вошли такие компании и организации, как Air Force Research Lab (AFRL), Animated Insights, Asset Management Lab, Association of Asset Management Professionals, Autiosalo Ltd, Bandora Systems, BEC, Building 4.0 CRC, Chain Technology Development, Connector Geek Ltd, Cyber Twin, DataCities, Digiotai, Executive Development, e-magic, Gafcon Inc, Geminus.AI, Healthskouts, Idun RE Solutions AB, ielabs, IIMBE Pty Ltd, imec, IoT management, IOTA Foundation, IoTIFY, Jitsuin, Luno UAB, Lux Modus, Neural Concept, NSW State Government, Padi, Piprate, Resonai, Ricardo PLC, Slingshot Simulations, Systems Analytics Solutions, Transforma Insights, Trendspek, Twin Building GmbH, University of Melbourne, UrsaLeo Inc., Willow Technology, WSC Technology, Ynomia, YoGeo, Inc. и другие.

В настоящее время участниками консорциума сформированы отраслевые группы для обсуждения и обмена опытом по разработке и применению цифровых двойников. Также была создана отдельная рабочая группа, отвечающая за формирование общей терминологии и определений, относящихся к цифровым двойникам – Technology, Terminology & Taxonomy WG (рабочая группа по технологиям, терминологии и таксономии).

На момент создания Digital Twin Consortium на сайте организации использовалось краткое определение технологии цифровых двойников – «виртуальная модель процесса, продукта или услуги, которая позволяет проводить анализ данных и мониторинг систем с помощью численного моделирования». Данное определение существенно уточнялось и расширялось участниками рабочей группы по технологиям, терминологии и таксономии.

16 ноября 2020 года состоялась ежеквартальная встреча членов DTC, ключевым событием которой стала презентация определения цифрового двойника.

Участники встречи:

• Майкл Гривс, главный научный сотрудник по передовому производству (Advanced Manufacturing) Технологического института Флориды;
• Билл Ру, председатель руководящего комитета Digital Twin Consortium;
• Д-р Ричард Соли, исполнительный директор Digital Twin Consortium;
• Дэн Айзекс, вице-президент, технический директор Digital Twin Consortium;
• Кейси Маллен, главный специалист по информационной архитектуре Federated Digital Twins в Bentley Systems;
• Шон Олкотт, технический директор Gafcon, Inc;
• Саид Табет, ведущий специалист по технологиям искусственного интеллекта, Интернета вещей в Dell Technologies.

Представленное членам консорциума и одобренное экспертами определение было опубликовано 3 декабря 2020 года в официальном блоге Digital Twin Consortium.

Согласно приведенной DTC трактовке, цифровой двойник – это виртуальное представление реальных (real-world) сущностей (entities) и процессов, синхронизированных с определенной частотой и точностью.

• Системы на основе цифровых двойников трансформируют бизнес, ускоряя целостное восприятие (holistic understanding), оптимальность принятия решений и эффективность действий.
• Цифровые двойники используют и исторические, и полученные в режиме реального времени данные, чтобы представить прошлые и настоящие ситуации, а также моделировать предполагаемые будущие ситуации.
• Цифровые двойники руководствуются результатами, адаптированы к сценариям использования, основаны на интеграции, построены на данных, руководствуются знаниями предметной области и реализованы в системах IT/OT (информационных / операционных технологий).

Digital Twin Consortium Definition A digital twin is a virtual representation of real-world entities and processes, synchronized at a specified frequency and fidelity. Digital twin systems transform business by accelerating holistic understanding, optimal decision-making, and effective action. Digital twins use real-time and historical data to represent the past and present and simulate predicted futures. Digital twins are motivated by outcomes, tailored to use cases, powered by integration, built on data, guided by domain knowledge, and implemented in IT/OT systems. The foundational elements of the definition are captured in the first sentence: the virtual representation, the real-world entities and processes it represents, and the mechanism by which the virtual and real-world entities are synchronized.

Основополагающие элементы определения отражены в первом предложении: виртуальное представление, сущности и процессы реального мира, которые оно представляет, а также механизм, с помощью которого сущности виртуального и реального мира синхронизируются.

Еще одним значимым событием 2020 года стало присоединение Центра НТИ СПбПУ к Международной ассоциации NAFEMS – The International Association for the Engineering Analysis Community (NAFEMS, National Agency for Finite Element Methods and Standards).

​Это некоммерческая международная членская ассоциация, основанная в 1983 году с целью продвижения эффективного использования методов инженерного моделирования – таких, как

• конечно-элементный анализ (Finite Element Analysis, FEA),
• динамика многокомпонентных систем (Multi-Body System Dynamics, MBD, MBS),
• вычислительная гидрогазодинамика (Computational Fluid Dynamics, CFD).

Основные задачи NAFEMS:

• повышать профессиональный уровень всех работников, участвующих в инженерном моделировании;
• внедрять передовой опыт в области инженерных расчетов;
• быть координационным центром для распространения и обмена информацией и знаниями, которые касаются инженерных расчетов;
• содействовать сотрудничеству и установлению связей;
• поддерживать применение цифрового моделирования;
• постоянно улучшать образование и обучение в использовании методов моделирования;
• быть признанным независимым авторитетным органом, действующим объективно и беспристрастно.

Членами NAFEMS являются более 1 400 компаний по всему миру, от крупных глобальных корпораций до небольших инженерных компаний. Помимо конечных пользователей технологий различных отраслей промышленности в число участников Ассоциации входят поставщики технологий, исследователи и ученые.

Сотрудники Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) СПбПУ, являющегося ядром Центра НТИ СПбПУ, широко используют в своей деятельности курсы, стандарты, тесты, бенчмаркинги и методологии, разработанные NAFEMS.

Центру НТИ СПбПУ как организации, инженеры которой активно ведут проекты в области компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга, важно участие в ассоциации NAFEMS для непрерывного обучения и совершенствования работы, обмена знаниями и опытом применения передовых подходов в моделировании высокотехнологичных изделий.

Находясь на мировом технологическом фронтире, активно применяя в проектной работе передовые технологии для разработки глобально конкурентоспособной продукции в интересах как российских, так и зарубежных высокотехнологичных организаций, сотрудники Центра НТИ СПбПУ реализует и собственные инициативы, направленные на масштабирование компетенций по ключевым направлениям своей деятельности.

Так, в 2018 году в Центре НТИ СПбПУ создан Центр тестирования, верификации и валидации (Центр TVV) для создания базы данных и проведения верификации и валидации современного инжинирингового программного обеспечения (ПО) для решения прикладных задач по областям применения.

Основные задачи Центра TVV:

1. Сравнительный анализ инженерного программного обеспечения глобальных лидеров инжинирингового программного обеспечения CAE / FEA / CFD / MBD / FSI / EMA / CAO / HPC / ... .
2. Создание базы данных тестовых расчетных случаев для верификации (Verification) и валидации (Validation) инжинирингового программного обеспечения.
3. Разработка высокоточных математических моделей, математических / компьютерных / цифровых моделей, обладающих высоким уровнем адекватности для реальных материалов, машин / конструкций / агрегатов / установок / сооружений / технических и киберфизических систем, изделий и продуктов – для широкого круга задач, научных областей и высокотехнологичных отраслей с использованием программных продуктов и систем, а также цифровых платформ.
4. Контроль качества математических, компьютерных и цифровых моделей на соответствие задачам, стоящим перед заказчиком, и требованиям применимых стандартов.
5. Составление экспертных заключений и рекомендаций по использованию отечественного и зарубежного инженерного программного обеспечения компаниями для решения конкретных отраслевых задач.

Накопленный опыт и знания используются для оказания консультаций всем подразделениям Центра НТИ СПбПУ, проведения тестирования отечественного ПО с целью определения направлений для его дальнейшей доработки и повышения конкурентоспособности на рынке инжинирингового программного обеспечения.