Фото: пресс-служба
Технологии цифровых двойников — важная составляющая экономики 4.0, характеризующейся повсеместной автоматизацией процессов.
Их применение — восходящий глобальный тренд: по оценкам Research and Markets, объем мирового рынка цифровых двойников в 2023 году перевалил за $10 млрд, а к 2028 году его обороты могут составить $100 млрд. В 2025 году, по данным Gartner, 60% мировых производителей планируют использовать цифровые двойники в своей деятельности.
Цифровой двойник, или виртуальная копия, полностью повторяет структуру предприятия. Скажем, при создании двойника теплоэлектростанций (ТЭЦ) полностью воспроизводятся номенклатура оборудования и его расстановка, расположение трубопроводов, в систему вводится уровень износа техники. Имитационная модель позволяет экспериментировать с режимами ТЭЦ, искать оптимальные настройки оборудования или моделировать аварийные ситуации, не задействуя опасные производственные объекты. В дальнейшем опыт, накопленный в модели, переносится на работу реальной ТЭЦ.
В России, по оценке экспертов Центра научно-технологической политики МГУ, пока этими технологиями пользуются лишь 22% компаний. В нашей стране до сих пор не утверждено определение цифрового двойника объекта: сейчас это понятие используется для обозначения самых разных решений — от систем видеонаблюдения до создания цифровых конструкторских чертежей.
В российской электроэнергетике цифровые двойники внедрены не более чем на 5% предприятий. Пока в приоритете у энергетиков находится установка комплексных систем безопасности и импортозамещенных автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП). Однако можно с уверенностью предполагать, по мере дальнейшей цифровизации промышленности отрасль перейдет к этапу активного внедрения двойников.
Мы активно нарабатываем экспертизу в работе с цифровыми двойниками, и у нас уже есть опыт создания одного из компонентов цифрового двойника электростанции и активного участия в развитии этого проекта. Речь о полноценной цифровой копии ТЭЦ, где собирается вся технологическая и коммерческая информация предприятия, и эти данные выступают «исходником» для различных модулей решения бизнес-задач.
Технологически сейчас существует несколько подходов к созданию цифрового двойника. Можно использовать его как инструмент физико-математического моделирования, когда с помощью системы уравнений описывается физика процессов, протекающих на предприятии. Например, через математические формулы может моделировать режим горения или фазный переход из пара в воду. Другой способ — моделирование с использованием архивных данных и искусственного интеллекта (ИИ). В этой модели используются нейросети, которые на основе накопленных данных подбирают наилучший режим работы техники при определенных параметрах. В мировой практике наиболее популярен комплексный подход, с использованием обоих вариантов.
База цифрового двойника — это упомянутый сбор технологической и коммерческой информации предприятия, в том числе схем функционирования его оборудования и нормативно-технической документации. Собранная информация накапливается в «озере данных», затем они структурируются и систематизируются в IoT-платформе, которая раскладывает информацию по полочкам для решения конкретных задач специальными модулями.
Есть миллионы комбинаций режимов работы оборудования на станции, и обычный человек, какой бы умный ни был, не в состоянии подобрать оптимальный вариант, а машина может это сделать. Кроме того, в состав цифровых двойников на электростанциях входят модули расчета их технико-экономических показателей, использующиеся для подготовки регулярных отчетов в Минэнерго, а также для предиктивной диагностики и BI-аналитики. Последние две подсистемы, соответственно, предсказывают поведение оборудования, в том числе в случае отказа, и помогают топ-менеджерам предприятия принимать решения.
Цифровые двойники были внедрены на ТЭЦ «Академическая» и Ново-Свердловской ТЭЦ. Одна из станций современная, оснащена необходимыми датчиками, так что сделать ее цифровую копию было сравнительно просто. Другая станция была запущена в 1960-х годах, на ней смонтированы аналоговые приборы, не подключенные к базам данных. Из-за этого создать полноценную цифровую копию ТЭЦ казалось невозможным, но «Ростелекому» удалось найти решение. Данные с аналоговых приборов снимают видеокамерами, с помощью системы видеоаналитики они оцифровываются и затем используются для калибровки цифровой модели.
Использование двойника на ТЭЦ принесло сразу несколько эффектов. Во-первых, персонал станции стал использовать систему в качестве тренажера. Обучение работе на цифровой копии оказалось особенно эффективно для новых сотрудников, которые получили возможность отработать оперативные переключения и действия в случае аварийных ситуаций. При переходе на реальный объект сотрудник даже не почувствует разницы, так как все реакции оборудования, даже задержки во времени в цифровом двойнике такие же, что и на самой ТЭЦ. Подобная практика, по нашим оценкам, примерно на 10% снижает число аварий по вине персонала.
Следующий эффект — оценка эффективности использования топлива на ТЭЦ, исключение так называемых пережогов. В результате работы с копией станции экономится примерно 1% топлива. Совокупный эффект от внедрения цифрового двойника ТЭЦ составляет до 50 млн руб., его окупаемость — полтора-два года.
Проект по созданию имитационной модели ТЭЦ выглядит весьма актуальным в силу того, что, по данным Минэнерго, до 70% объектов электроэнергетики в России — морально устаревшие и изношенные станции, с низким уровнем дооснащения. Крупных инвестиций в их модернизацию не предвидится из-за конъюнктуры рынка и тарифной госполитики, сдерживающей рост цен на электроэнергию для населения. К тому же такая модернизация обойдется в десятки миллиардов рублей.
При этом наше решение позволяет электростанциям развивать цифровизацию при меньших вложениях: модуль с видеокамерами и видеоаналитикой дает возможность собрать информацию в аналоговом виде и передать ее в базу данных на любых старых предприятиях.
Масштабирование цифровых двойников на всю энергетическую отрасль России — это только вопрос времени.