Напомним, первой промышленной революцией стало изобретение парового двигателя в конце XVII века, которое послужило толчком для развития машиностроения, транспорта и промышленности. Вторая произошла в конце XIX века, когда было освоено массовое производство, а на заводе Генри Форда начали выпускать автомобили на конвейере – это стало возможным благодаря широкому применению электричества. Третья цифровая революция имела место в конце ХХ века, когда были изобретены компьютеры, производящие расчеты в миллиарды раз быстрее человека.
Концепция автономных фабрик и цифровое производство уже сегодня являются предвестниками четвертой промышленной революции. Директор Суперкомпьютерного центра ЮУрГУ, старший преподаватель кафедры системного программирования Кирилл Бородулин занимается разработкой облачной платформы для решения задач цифрового производства.
– До недавнего времени препятствием к этой революции была ограниченность сенсоров, – рассказывает Кирилл Владимирович. – Раньше на предприятиях стояли дорогостоящие датчики, которые не обеспечивали должной точности. Сейчас, с развитием интернета вещей, датчики стали дешевы и ими снабжают всё, что угодно – чайники, двери, розетки. На производстве с развитием беспроводных сенсорных сетей появилась возможность собирать и анализировать очень большое количество данных со станков, производственного оборудования. Но, так как данных очень много, ни один сервер не обработает их за достаточно короткое время. А обрабатывать нужно очень быстро, так как производственные процессы в большинстве своем быстротечны и нужно обеспечить возможность анализа, приближенного к реальному времени, поэтому используются облачные технологии.
Это один из современных трендов, когда все вычисления переносятся в «облако» – оно обеспечивает очень большую гибкость в предоставлении ресурсов, расчетах и возможность использования этих ресурсов по требованию. Проект ученых ЮУрГУ «Облачная индустриальная платформа» исследует возможности создания системы «цифровых двойников» производственных процессов. Цифровой двойник (Digital Twin) – это виртуальный образ устройства или технологического цикла в виде компьютерных физических и математических моделей. Цифровой двойник в реальном режиме времени синхронизируется с производственными процессами путем обработки данных, которые получает с интеллектуальных беспроводных сенсоров.
– Собирая цифровые двойники различного оборудования и технологических процессов, мы можем создать цифровой двойник предприятия в целом. Это дает возможность, во-первых, анализировать текущую ситуацию, то есть инженер на заводе может, сидя за компьютером, получить информацию о любом участке производственной цепочки на текущий момент, а во-вторых, прогнозировать поведение системы – например, предсказывать выход из строя оборудования на основании анализа данных, получаемых от датчиков, – говорит директор Суперкомпьютерного центра.
Концепция научного коллектива ЮУрГУ не ограничивается одним предприятием. В результате планируется создание «облачной» платформы, которая объединит производителей оборудования, индустрию и центры компетенций (например, университеты), на единой для всех предприятий России площадке.
– В рамках «облачной» индустриальной платформы производители оборудования предоставляют цифровые двойники: набор математических моделей, совмещенных с источниками данных от датчиков, установленных на поставляемом оборудовании. Завод же использует их для анализа процесса производства. Центры компетенций предоставляют алгоритмы, те самые математические модели для решения задач, – объясняет Кирилл Бородулин.
Южно-Уральский государственный университет уже имеет большой опыт создания цифровых двойников. Работа ведется под руководством, директора Высшей школы электроники и компьютерных наук ЮУрГУ Глеба Радченко. Для решения поставленных задач создана Лаборатория проблемно-ориентированных облачных сред, руководит которой директор Лаборатории параллельных вычислений Центра научных исследований и высшего образования Энсенады (Мексика) профессор Андрей Черных.
Деятельность лаборатории ориентирована на решение задач, связанных с суперкомпьютерными вычислениями. Суперкомпьютер – это очень мощная, высокопроизводительная вычислительная система, где применен целый ряд уникальных разработок мирового уровня. По техническим параметрам и скорости вычислений она превосходит большинство существующих в мире компьютеров. Во всем мире таких систем насчитывается не более тысячи. В Лаборатории суперкомпьютерного моделирования ЮУрГУ установлено три суперкомпьютера, производительность которых находится на уровне ведущих мировых вычислительных систем.
– В академической среде тема цифровых двойников начинает очень интенсивно развиваться, количество статей в Scopus за последние три года значительно выросло, – говорит Кирилл Бородулин. – Кроме того, сейчас появляются разработки компаний, которые в этом заинтересованы. Например, корпорация General Electric в нынешнем году представила облачную платформу Predix, где как раз и используется концепция «цифровых двойников», но она пока недоступна в России. Компания Emerson, с которой университет сотрудничает, проводит обучающие семинары по данному направлению, в том числе и для сотрудников ЮУрГУ. Думаю, что в 2018 году будет огромное количество статей, проектов, готовых коммерческих решений для внедрения. Поэтому важно успеть реализовать наш проект, чтобы попасть в эту волну.
Учёные ЮУрГУ сотрудничают с промышленными предприятиями Челябинской области и России – благодаря этому создаваемые модели не оторваны от реальности. Сейчас выполняются важные проекты с крупными предприятиями, в том числе Emerson, КАМАЗ, ММК. Работа в таком актуальном для науки и промышленности направлении позволила Кириллу Бородулину в прошлом году стать одним из победителей конкурса «Поддержка молодой науки», проводимого в ЮУрГУ в рамках Проекта 5-100.
