Наш мир стоит на пороге четвертой промышленной революции, когда технологии объединят виртуальный мир с физическим. Уже сегодня роль умных машин настолько велика, что без них сложно представить себе повседневную жизнь людей, производство и государственное управление. Но в скором будущем роботы смогут не просто бездумно выполнять алгоритмы, а анализировать данные и самостоятельно определять стратегию.
Напомним, какими были первые три промышленные революции. Первая – это 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 Генри Форд запустил поточное производство автомобилей, ставшее возможным благодаря широкому распространению электричества. Цифровая революция конца ХХ века, когда были изобретены компьютеры, производящие расчеты в миллиарды раз быстрее человека, считается третьей промышленной революцией.
Концепция автономных фабрик и цифровое производство уже сегодня являются предвестниками четвертой промышленной революции. Кирилл Бородулин, директор Суперкомпьютерного центра ЮУрГУ, старший преподаватель кафедры системного программирования, занимается разработкой облачной платформы для решения задач цифрового производства.
«До недавнего времени препятствием к этой революции была ограниченность сенсоров. Раньше на предприятиях стояли дорогостоящие датчики, которые не обеспечивали должную точность. Сейчас с развитием интернета вещей датчики стали дешевы и их ставят во все, что угодно (например, в чайники, двери, розетки). На производстве с развитием беспроводных сенсорных сетей появилась возможность сбора очень большого количества данных со станков, производственного оборудования и их анализа. Но так как данных очень много, ни один сервер эти данные не обработает за достаточно короткое время. А обработка нужна очень быстрая, так как производственные процессы, в своей массе, быстротечны и нужно обеспечить возможность анализа, приближенного к реальному времени, поэтому используются облачные технологии», – объясняет Кирилл Бородулин.
«Облачные» технологии – это один из современных трендов, когда все вычисления переносятся в «облако», так как оно обеспечивает очень большую гибкость в предоставлении ресурсов, расчетах и обеспечивает возможность использования этих ресурсов по требованию. Проект ученых ЮУрГУ «Облачная индустриальная платформа» исследует возможности по созданию 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 целиком. Это дает нам возможность анализировать текущую ситуацию, то есть инженер на заводе может, сидя за компьютером, получить информацию о любом участке в производственной цепочке на текущий момент. Во-вторых, это предсказания того, как поведет себя система. Например, цифровой двойник позволяет предсказывать выход из строя оборудования по анализу данных, получаемых от датчиков», – рассказывает директор Суперкомпьютерного центра ЮУрГУ.
Концепция научного коллектива ЮУрГУ не ограничивается одним предприятием. В результате планируется создание «облачной» платформы, которая объединит производителей оборудования, индустрию и центры компетенций (например, университеты), в единой площадке для всех предприятий России.
«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 данные цифровые двойники для анализа процесса производства. Центры компетенций предоставляют алгоритмы, те самые математические модели для решения задач», – объясняет Кирилл Владимирович.
Южно-Уральский государственный университет уже имеет большой опыт по созданию цифровых двойников. Работа ведется под руководством Глеба Радченко, директора Высшей школы электроники и компьютерных наук ЮУрГУ. Для решения поставленных задач была создана Лаборатория проблемно-ориентированных облачных сред, руководит которой профессор Андрей Черных, директор Лаборатории параллельных вычислений Центра научных исследований и высшего образования Энсенады (Мексика).
Работа лаборатории, ориентирована на решение задач, связанных с суперкомпьютерными вычислениями. Суперкомпьютер – это очень мощная, высокопроизводительная вычислительная система, содержащая в себе целый ряд уникальных разработок мирового уровня, которая по своим техническим параметрам и скорости вычислений 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 GE в 2017 году представила облачную платформу Predix, которая как раз использует концепцию «Цифровых двойников», но она пока недоступна в России. Также, компания «Emerson» с которой сотрудничает наш университет, проводит обучающие семинары, в том числе и для сотрудников нашего вуза, по данному направлению. Думаю, что 2018 году будет огромное количество статей, проектов, готовых коммерческих решений для внедрения. Поэтому нам важно успеть реализовать наш проект, чтобы попасть в эту волну».
Учёные ЮУрГУ работают в кооперации с промышленными предприятиями Челябинской области и России, благодаря этому разрабатываемые модели не оторваны от реальности. Сейчас идет работа над важными проектами с крупными предприятиями - Emerson, КАМАЗ, ММК и другими. 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.