Развитие технологий и цифровизация абсолютно всех процессов промышленности и повседневной жизни год от года наращивают темпы. Мы живем в век цифровой трансформации. Это комплексный процесс модернизации и реформирования — промышленного предприятия, системы, действительности в целом. Именно цифровой трансформацией – как в широком, так и в узком понимании – занимается недавно созданная «Лаборатория исследования цифровых технологий» ЮРГПУ(НПИ).
Возглавляет лабораторию доцент кафедры «Горное дело» Владимир Геннадьевич Черных. С ним работают еще пятеро инженеров – Александр Васильевич Отроков, Дмитрий Александрович Гринько, Антон Александрович Гринько, Сергей Владимирович Щербаков и Алина Олеговна Миронова.
— Цифровая трансформация происходит вокруг нас каждый день. В промышленности это особенно заметно и особенно важно. В некоторых отраслях, например, в ракетно-космической, атомной – это намного более активный процесс, потому что того требует высокая наукоемкость технологий, повышенные требования к безопасности и другие факторы, — рассказал Владимир Геннадьевич. – В других, общепромышленных отраслях, таких, как горно-металлургическая или машиностроительная, этот процесс пока развит менее заметно. И перед нами как раз стоит задача устранить это отставание.
Цифровая трансформация предполагает внедрение высоких технологий буквально во все сферы промышленного производства – от научных изысканий до освоения новых подходов и образцов оборудования специалистами. И в этой связи все более востребованными становятся цифровые двойники. Цифровой двойник — это виртуальная копия физического продукта, процесса или экосистемы. Он используется для создания имитаций, которые можно обновлять и менять с учетом данных реального мира, и отражать любые действия, происходящие с физическим объектом.
Проще говоря, это симулятор, программа, которая позволяет имитировать реальные условия исследований, работы или испытания машин и механизмов. Загружая в нее нужные условия, пользователь может решать сложнейшие задачи с внушительной экономией времени и ресурсов. Например, раньше, чтобы научить специалиста-горняка работать на сложном горнообрабатывающем оборудовании, нужны были месяцы тренировок и непосредственный доступ к машинам. Сейчас, с использованием цифрового двойника, те же компетенции специалист может получить намного быстрее, а главное – в условиях лаборатории, оборудованной симулятором.
С исследовательскими и конструкторскими задачами все еще перспективнее. Раньше инженер, работая над созданием той или иной машины (технологического процесса) делал огромное количество расчетов, исписывал сотни страниц своими гипотезами и выкладками, раз за разом создавал и тестировал образцы, оттачивая результат. Сейчас все это делать не нужно. Достаточно просто загрузить в цифровой двойник характеристики машины или ситуации, добавить условия эксплуатации и подробное описание поставленных задач – и программа проведет виртуальные расчеты и даже эксперименты с высочайшей степенью точности результатов.
— Горная отрасль – это также повышенная опасность. В нашей работе, связанной с необходимостью управлять сложными машинами и бурить породу зачастую на большой глубине, важно обеспечить точность и безопасность всех процессов, — рассказал В.Г. Черных. – Учитывая это, а также развитие и повышение доступности разного рода цифровых технологий, мы с командой ученых факультета геологии, горного и нефтегазового дела ЮРГПУ(НПИ) решили создать лабораторию цифровых двойников и приступить к исследованию их возможностей.
Лаборатория работает больше года. Для нее было закуплено аппаратно-программное оборудование финской компании «Mevea» — симулятор для имитации кабины машины, а также комплект специализированных программ. Такое оборудование есть в Питерском политехе, в Санкт-Петербургском горном университете, сейчас его начинают осваивать на Урале. В нашем регионе, да и вообще на юге России, аналогов лаборатории ЮРГПУ(НПИ) нет. За время освоения комплекса у политехников наметился целый ряд сфер его применения.
— Оборудование для работы с цифровыми двойниками востребовано конкретно на нашем факультете, а также уже оказалось интересно представителям смежных направлений (около 14 укреплённых групп специальностей, среди которых технология машиностроения, строительство, химические технологии, электроэнергетика, машиностроение), — рассказал Владимир Геннадьевич Черных. – Это возможность для всех нас внедрить в свою работу цифровые технологии и вкорне изменить университетскую научную и образовательную среду. Теперь и процесс обучения студентов, и работа ученого, даже самая прикладная, может происходить в виртуальном поле.
Использование цифровых двойников в инженерных направлениях деятельности – это, безусловно, новый концептуальный виток развития. Это меняет подход к таким основополагающим инженерным процессам, как проектирование, инженерные расчёты, изготовление образцов и их тестирование.
— Это, с одной стороны, упрощает нашу работу, позволяет студенту-инженеру получить знания, а преподавателю — дать больше конкретных прикладных навыков, — отмечает Владимир Геннадьевич. — А с другой стороны, это – новый простор для исследовательского творчества! Трехмерная визуализация, созданная с помощью цифровых двойников, дает возможность быстро увидеть, понять, оценить и практически «пощупать» результаты сделанных ученым теоретических выкладок. Такие возможности выводят на новый уровень столь важный для нас системный подход – обеспечивают рассмотрение системы в целом, с разных точек, дает увидеть проблемы взаимодействия между ее элементами.
«Лаборатория исследования цифровых технологий», хоть и создана на базе ФГГиНГД, имеет статус межфакультетской. Она задумана и реализована, как образовательное и научно-исследовательское пространство, где смогут обучаться и работать представители различных специальностей: машиностроительной, механической, горной, транспортной, строительной отрасли. Благодаря использованию нового подхода, последовательность разработки новой машины или методики в последовательности «идея-концепция-расчеты-создание образца-тестирование-исправление характеристик-реализация в натуре» становится в разы короче! Не нужно огромное количество страниц расчетов и формул, а тестирование происходит в виртуальных условиях, неотличимых от реальных. Естественно, методика крайне востребована на развивающихся предприятиях. А специалисты, владеющие этими компетенциями, в топе на рынке труда.
— Переход на использование цифровых стимуляторов предполагает смену принципов работы со студентами, да и от нас, преподавателей, требует более глубокой квалификации и междисциплинарных компетенций, — говорит В.Г. Черных. – На ближайшее время мы сформулировали несколько направлений своей работы. В первую очередь, нам интересно разработать тренажеры на основе принципа цифровых двойников для каждой отрасли: от подземных горных работ до тренировки наземного персонала разных типов. Во-вторых, есть высокий спрос именно на обучение кадров с использованием этого комплекса. Подготовка машинистов, работающих на редких высокотехнологичных кранах еще пару лет назад предполагала риск и износ машины, в то время как сейчас можно организовать такое обучение, не выходя из кабинета. Мы планируем предоставлять такие услуги и учебным заведениям, и предприятиям. В-третьих, мы занимаемся разработкой новых цифровых прототипов оборудования и их тестированием.
В этом направлении сейчас идет поиск стратегических партнеров. Есть и первый результат – политехниками, в интересах компании-партнера, создан цифровой прототип силового оборудования гидравлического экскаватора, спроектированный полностью в программном комплексе, и готовый к тестированию виртуальной модели. Это детали для класса экскаваторов с объемом ковша до восьми кубометров. В нашей стране сейчас нет производства машин такого класса. На днях В.Г. Черных вернулся с главной выставки строительной техники и технологий в России, организованной компанией «Мессе Мюнхен Русс». Наш университет удостоен награды выставки «За вклад в развитие строительной индустрии», и этот успех, уверены политехники, — лишь один из многих!
Естественно, для реализации столь амбициозных планов нужна подготовка квалифицированных кадров. В нашем университете студенты соответствующих направлений подготовки уже осваивают работу с цифровыми двойниками. Есть идея развития международной магистерской программы, совместно с Фрайбергской горной академией. Переговоры по этому вопросу сейчас находятся в активной стадии.
по материалам пресс-службы ЮРГПУ (НПИ)
