Цифровые двойники. В Челябинске запускают IT-технологию, позволяющую в разы повысить качество продукции

Над этим задумались челябинские ученые, и уже одними из первых в России запускают IT-технологию цифровых двойников, позволяющую уйти от излишних операций, снизить себестоимость и в разы повысить качество продукции.

О том, как идет внедрение прорывного ноу-хау, рассказал один из его разработчиков, кандидат физико-математических наук Глеб Радченко, директор высшей школы электроники и компьютерных наук ЮУрГУ.

Глобальный грид

— Как родилась эта идея? И был ли прообраз вашей цифровой разработки?

— Одна из главных проблем, возникающих, например, у конструкторов при машинном проектировании высокотехнологичной продукции, —  использование мощных вычислительных комплексов. Суперкомпьютеры есть лишь у крупных научных центров и нередко находятся за тысячи километров от «заводского клиента». Но несколько лет назад мы на программной платформе GPE разработали предшественника технологии цифровых двойников — инновационный IT-продукт, позволяющий предоставить «сторонним» конструкторам прозрачный доступ к суперкомпьютерам.

Он создан на основе технологии грид-вычислений (англ. grid — решетка, сеть), в которой «виртуальный суперкомпьютер» представлен в виде кластеров, соединенных с помощью сети компьютеров, работающих вместе для выполнения огромного количества заданий. Наше ноу-хау — так называемая программная платформа для разработки и поддержки виртуальных испытательных стендов в распределенных вычислительных средах — DiVTB (Distributed Virtual Test-Bed).

— А какую реальную пользу она дает?

— Под руководством профессора Леонида Соколинского, заведующего кафедрой системного программирования, был запущен интернет-сервис, которым уже пользуются в 9 странах мира. Заключен и лицензионный договор для распространения этой технологии. Подготовлен вариант системы удаленных вычислений для продвижения суперкомпьютерных услуг в Европе, Азии, Южной и Северной Америках. Теперь можно даже из Мексики зайти на наш суперкомпьютер и смоделировать, например, работу прокатного стана!

С помощью компьютерного моделирования можно изучить особенности строения наноматериалов на атомном уровне, рассчитать параметры композитных материалов. Система позволит определить, какие в их структуру внести изменения, чтобы они обладали заданными свойствами. Последний пример: расчеты двигателей для новейшего российского пассажирского самолета Иркут МС‑21, который недавно совершил первый полет, были выполнены на наших суперкомпьютерах.

Виртуальный «Экипаж»

— Но в одиночку такой масштабный проект не осилить…

— Это комплексный проект, в котором участвовали наши партнеры. Например, совместно с московской компанией «ТЭСИС» были разработаны методы, позволяющие тем же конструкторам использовать систему моделирования FlowVision в виде интернет-сервиса. А с компанией «Сигма Технология» мы разработали метод запуска ее системы IOSO для оптимизации проектируемых моделей с возможностью учета множества критериев. Также сотрудничаем с научным центром немецкого города Юлих, который поддерживает платформу распределенных вычислений UNICORE.

К слову, одно из направлений применения этой технологии — так называемая удаленная визуализация (или «рендеринг») 3D-графики: челябинская компания «TURBORender» принимала участие в создании компьютерной «картинки» со спецэффектами таких нашумевших фильмов, как «Экипаж», «Ледокол», «Притяжение», мультфильмов «Буба», «Никита Кожемяка». Директор «TURBORender» Валентин Дорохов — один из соавторов нашей технологии виртуального моделирования.

Двойник «из облака»

— Но вы пошли дальше?

— Это так. IT-прогресс движется со стремительной скоростью, и то, что еще недавно было новинкой, скоро устаревает. Такая судьба постигла и грид-технологии: в мире остался лишь один подобный мегапроект — система анализа данных Большого адронного коллайдера. Сегодня им на смену пришли «облачные» IT-технологии. Несколько лет назад и мы начали перевод нашей системы «в облако».

Параллельно с этим на новый уровень вышли и технологии цифровой промышленности. Новые поколения беспроводных датчиков привели к появлению так называемых цифровых двойников (Digital Twin) — концепции, в основе которой — виртуальный мир образов реальных машин и технологических процессов, созданных методом математического моделирования.

Все параметры таких двойников вводятся не вручную, а автоматически, по данным датчиков температуры, давления, вибрации… Выйти на этот уровень мы смогли во многом благодаря сотрудничеству с корпорацией «Эмерсон» — мировым лидером автоматизации промышленных систем.

— Цифровые двойники — для России дело новое?

— Эта прорывная технология — новинка не только в России, но и в мире. Американская компания «Дженерал электрик» только недавно запустила пилотный проект платформы для поддержки цифровых двойников (для российских пользователей она пока недоступна). Причем производственники требуют высокой степени защиты своих данных: для этого применяются так называемые частные облачные платформы, доступные только внутри корпоративной сети.

Проект платформы цифровых двойников пока находится на начальной стадии, но наработки уже есть. Мы берем за основу открытую облачную систему OpenStack, развернутую на базе нашего суперкомпьютерного центра. Она уже работает в тестовом режиме для технологии цифровых двойников.

Цифровая экономика

— Цифровизация промышленности — это задача вовсе не частного, а государственного уровня…

— На недавнем международном экономическом форуме в Санкт-Петербурге президент РФ Владимир Путин озвучил проект «Цифровая экономика». В этом плане у нас есть фора, поскольку начали переход к цифровой промышленности раньше других.

Это проект комплексный, требует совместной работы специалистов из многих областей промышленности и информационных технологий. Генератор идей по программной поддержке технологии цифровых двойников — доктор физико-математических наук Леонид Соколинский. Среди разработчиков проекта — и директор нашего суперкомпьютерного центра Кирилл Бородулин, другие ученые.

Добавлю, что это масштабный международный проект. На базе высшей школы электроники и компьютерных наук в 2016 году были открыты две совместные лаборатории. Одна из них под руководством профессора Оксфордского университета (Великобритания) Мануса Генри проводит исследования по обработке сигналов, измерительной техники и самодиагностики технических систем. А лаборатория, которую возглавляет профессор научного центра города Энсенада (Мексика) Андрей Черных, исследует управление ресурсами облачных систем для поддержки цифровых двойников.

Пилотный мегапроект

— А есть ли у вас партнеры, готовые внедрять «цифру»?

— Недавно запущен наш совместный с ММК пилотный проект по запуску технологии цифровых двойников. Надеюсь, уже в 2018 году будут первые реальные результаты. В этом заинтересованы сами металлурги: цифровое моделирование позволит изготавливать высококачественный прокат с меньшими затратами.

— Имеет ли смысл распространить «цифровой проект» и на другие сферы?

— Конечно! Это затрагивает и создание искусственного интеллекта, машинное обучение, методы анализа больших данных (Big Data), нейронные сети. В рамках концепции «Интернет вещей» каждый физический объект может иметь такого двойника в виртуальном мире. Возможности «digital — отражений» практически безграничны: они могут найти применение в сельском хозяйстве, пищевой, легкой промышленности… И стать незаменимыми в проекте «Умный город», с автоуправлением систем жизнеобеспечения, в энергоснабжении, транспорте на автопилоте.

Использование облачных технологий возможно в оборонной, автомобильной, авиационной, космической промышленности. При этом большой плюс — прогнозирование степени износа автомашин, что позволит избежать аварий, восстановить «ходовой ресурс». И — спасти жизни людей!

— Видимо, не исключение и домовое хозяйство, ЖКХ?

— В Германии в рамках программы «Индустрия 4:0» (по названию 4‑й индустриальной революции — цифровой) создали свой «Интернет лифтов» — данные об их состоянии сразу поступают в управляющую компанию, и если оно внушает тревогу, проводят замену либо ремонт оборудования. Это особенно актуально для Челябинска, где износ лифтов нередко превышает допустимые нормы. Если и у нас будет умная цифровая система безопасности, это позволит избежать беды.

Браслет здоровья

— А могут ли цифровые технологии зайти в медицину, фармацию?

— Большие возможности для них открываются в мобильной медицине: считывая информацию из электронных историй болезней, «машина» поможет врачу поставить правильный диагноз, подскажет методы лечения.

Не меньшую пользу может принести цифровое моделирование и по созданию новых лекарств, профилактике заболеваний. Неинвазивные сенсоры не требуют подкожного «чипирования», и сейчас у спортсменов и бизнесменов очень популярны браслеты здоровья — фитнес-трекеры, отслеживающие в режиме online состояние организма. Фитнес-трекер Apple watch уже замеряет сердечные ритмы, на подходе и гаджет для определения содержания сахара в крови, что очень важно для больных диабетом.

К слову, наш студент Иван Волков в рамках программы «Умник» выиграл федеральный грант и разработал мобильное приложение DiaMetex для определения уровня сахара в крови. А в перспективе математическое моделирование позволит предсказать инсульты, инфаркты.

— А нет ли у вас опасения, что глобальная цифровая сеть — некий аналог фантастического «Скайнета», вытеснит человка, и мы окажемся в мире виртуальных двойников?

— Вовсе нет! Я уверен: умные машины будут не врагами, а верными помощниками человека, освободят его от тяжелого ручного труда, дав простор для работы ума. Цифровая индустриальная революция поможет нам найти свое место в современном мире, понять, для чего и зачем мы живем. А цифровые двойники — это лишь виртуальное отражение реальной жизни.