Магистерский диплом (ВКР) на тему Программные платформы управления цифровыми двойниками: проблемы, стандарты, решения

Содержание:

Введение. 4

1.
Постановка задачи исследования. 6

1.1
Общие данные о цифровых двойниках и программных платформах управления цифровыми
двойниками. 6

1.2
Аналитический обзор стандарта цифровых двойников и программных платформ
управления цифровыми двойниками. 10

1.3
Аналитический обзор CML Bench. 16

1.4
Вывод по главе 1. 26

2.
Выбор платформы управления цифровым двойником. 27

2.1
Описание работы предприятия. 27

2.2
Выбор программной платформы.. 36

2.3
Создание цифрового двойника изделия. 50

2.4
Вывод по главе 2. 59

3.
Ожидаемый эффект реализации цифрового двойника. 60

3.1
Расчет стоимости затрат на реализацию цифрового двойника. 60

3.2
Расчет оплаты труда разработчиков цифрового двойника. 62

3.3
Вывод по главе 3. 65

Заключение. 66

Список
литературы.. 69

Введение:

Актуальность работы:
Цифровой двойник — это цифровая (виртуальная) модель любых объектов,
систем, процессов или людей. Она точно воспроизводит форму и действия оригинала
и синхронизирована с ним.

Цифровой двойник нужен, чтобы смоделировать, что будет
происходить с оригиналом в тех или иных условиях. Это помогает, во-первых,
сэкономить время и средства (например, если речь идет о сложном и дорогостоящем
оборудовании), а во-вторых — избежать вреда для людей и окружающей среды.

Официально термин «Цифровой двойник» впервые упоминается в
отчете NASA о моделировании и симуляции за 2010 год. В нем говорится о
сверхреалистичной виртуальной копии космического корабля, которая воспроизводила бы
этапы строительства, испытаний и полетов.

Мощный толчок в развитии цифровых двойников произошел
благодаря развитию искусственного интеллекта и интернета вещей. Согласно
исследованию Gartner Hype Cycle, описывающему циклы зрелости технологий, это произошло
в 2015 году. В 2016-м цифровые двойники и сами вошли в Gartner Hype Cycle, а к
2018 году оказались на пике.

Цифровые двойники помогают снизить риски при добыче и
переработке нефти и газа. Это позволяет сохранить жизни сотрудников и избежать
ущерба для окружающей среды, а также сэкономить огромные суммы.

Технология цифровых двойников позволяет создавать отдельные
детали и воспроизводить целые производственные цепочки, проводя виртуальные
испытания и предупреждая сбои в работе оборудования.

Цифровые двойники применяют, чтобы оптимизировать работу
электростанций, избежать сбоев в подаче электричества и рационально подойти к
энергопотреблению.

С помощью цифровых двойников можно построить модель будущего
здания или целого квартала и спрогнозировать, как оно впишется в среду,
выдержит климатические условия и нагрузки на несущие конструкции.

В данной работе будет проведено исследование на тему
проектирования цифрового двойника конкретного изделия.

Цель работы: Программные
платформы управления цифровыми двойниками: проблемы, стандарты, решения.

Научая новизна и
практическая применяемость: С
появлением суперкомпьютерных вычислений инженеры и конструктора получили
возможность быстро проводить вычисления любой сложности тем самым проверять
максимальное количество идей и гипотез и т.д.

Задачи работы:

— рассмотреть общие данные о цифровых двойниках и
программных платформах управления цифровыми двойниками;

— дать аналитический обзор стандарта цифровых двойников и
программных платформ управления цифровыми двойниками;

— выполнить аналитический обзор программы CML Bench;

— выбрать платформы управления цифровым двойником;

— описать процесс создания цифрового двойника изделия;

— выполнить расчет стоимости затрат на реализацию цифрового
двойника;

— выполнить расчет оплаты труда разработчиков цифрового
двойника.

Заключение:

В проделанной работе были решены следующие задачи:

В 1 главе были рассмотрены общие вопросы относительно
цифровых моделей.

Как было показано, цифровой двойник – это цифровое представление
устройства, системы, процесса или даже человека. Это цифровое
представление отражает реальный процесс с полным знанием его исторических
характеристик. Моделируя активы для прогнозирования их будущей
производительности, цифровые двойники способствуют гибкости и сближению
операционных знаний.

Существуют стандарты, которые регламентируют создание
цифровых двойников. В России существует два стандарта:

— «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники
изделий»;

— «Умное производство. Двойники цифровые производства».

В европейских странах данную область регламентирует стандарт
IPC-2591 (CFX, Connected Factory Exchange, обмен данными между
производственными процессами).

Так же, было рассмотрено программное обеспечение: цифровая
платформа CML-Bench. CML-Bench – 
цифровая платформа разработки цифровых двойников (Digital Twin) и умных
цифровых двойников (Smart Digital Twin) как изделий / продуктов, так и
производственных процессов их изготовления, система управления деятельностью в
области цифрового проектирования, математического моделирования и компьютерного
инжиниринга.

В главе 2 было показано, что с помощью цифрового двойника
можно произвести моделирование нескольких параметров объекта без фактического
использования самого физического объекта. Тем самым можно сократить затраты на
персонал, приобретение лабораторного и измерительного оборудования. Сооружения
полигона для испытаний и т.д.

С другой стороны, невозможно полностью смоделировать все
физические параметры такого сложного объекта как пистолет. Создание
математической модели – это сложный процесс, необходимо учитывать массу
параметров физического объекта.

Тем не менее, цифровой двойник позволяет произвести
моделирование, которое позволяет сделать предварительные выводы на этапе
проектирования объекта моделирования. Данное обстоятельство позволяет
произвести экономию затрат на испытания физических образцов, и, приступить
непосредственно к испытанию окончательной физической модели.

В процессе разработки главы 3 были произведены расчеты
экономической эффективности от разработки и применения цифрового двойника на
практике.

Как было показано, для создания цифрового двойника изделия
необходимы затраты на приобретение программного обеспечения, компьютеров и
оплаты труда разработчиков.

При расчете затрат, был получен следующий результат: срок
окупаемости от реализации и внедрения цифрового двойника составит 6 месяцев.

Из результатов сделанной работы можно сделать следующее
общее заключение: успешно внедрившие цифровые двойники отмечают значительное
повышение производительности инженерных работ за счет устранения трудоемких
задач управления данными, не приносящих добавленной стоимости, увеличения
повторного использования данных и знаний, а также постепенной автоматизации
повторяющихся задач. Цифровой двойник поддерживает удаленную работу, что
позволяет привлечь высококвалифицированных специалистов для моделирования.

Наиболее успешные цифровые двойники поддерживают численные
эксперименты квалифицированных аналитиков; они создают запись используемых
данных и принятых решений в виде цифровой нити и не стремятся предписывать
негибкие процессы.

Однако, несмотря на значительные успехи в данной области,
цифровые двойники все еще является развивающейся областью с предлагаемыми
решениями, сильно различающимися по возможностям и зрелости.

Успешно реализованные цифровые двойники, были успешными во
всех отраслях промышленности. Принятие решения в пользу реализации цифрового
двойника должно быть сосредоточено на возможностях, легкости адаптации и
открытости для управления широким разнообразием программного обеспечения для
моделирования, встречающегося в большинстве организаций. Выбор должен быть
основан на практическом тестировании возможностей решений с приложениями,
данными и процессами и включать PoC.

Фрагмент текста работы:

. Постановка задачи исследования

1.1 Общие данные о цифровых двойниках и
программных платформах управления цифровыми двойниками Цифровой двойник – это цифровое представление устройства, системы,
процесса или даже человека. Это цифровое представление отражает реальный
процесс с полным знанием его исторических характеристик. Моделируя активы
для прогнозирования их будущей производительности, цифровые двойники способствуют
гибкости и сближению операционных знаний.

Такое расширенное понимание позволяет эффективно принимать
решения и помогает определять стратегии, обеспечивающие максимальную
безопасность, надежность и прибыльность. Цифровые близнецы собирают данные для
определения производительности в реальном времени, которую можно использовать
на протяжении всего жизненного цикла актива для оптимизации и профилактического
обслуживания.

В то время как цифровой двойник включает в себя один аспект технологии искусственного интеллекта что
позволяет ему автоматически улучшаться на основе опыта, существуют ключевые
различия между цифровыми двойниками и современными приложениями искусственного
интеллекта, такими как машинное обучение (ML).

Хотя алгоритмы машинного обучения наблюдают модели поведения
активов и коррелируют их с результатами, им не хватает глубоких знаний об
основных физических свойствах, которые имеют фундаментальное значение для
цифровых двойников. Для технологических приложений цифровые двойники могут
способствовать более качественному и быстрому принятию решений по вопросу «Что,
если?» и «Что лучше?» сценарии для тестирования стратегий
максимизации прибыли.