18.04.2022

Интервью с Петром Маниным: цифровые двойники и эффекты от их внедрения

Интервью с Петром Маниным: цифровые двойники и эффекты от их внедрения

Мы поговорили с Петром Маниным о том, какие плюсы для строительства дают цифровые двойники, как развивается технология и какие есть сейчас сложности при их создании.

Содержание

  1. Тренды
  2. Особенности цифровых двойников
  3. Уровни проработки
  4. Зачем нужен цифровой двойник

Петр Манин

  • Эксперт технического комитета Министерства Строительства и ЖКХ по внедрению BIM всех созывов с 2015 года, Сооснователь Ассоциации «Лидеры BIM», к.т.н.
  • Работал техническим директором Autodesk в России и СНГ. Впервые представил рынку Открытый BIM стандарт и технологии цифровой работы с моделью на стройке.
  • Работал BIM-менеджером и BIM-директором компаний «СПб Реновация» (8 млн.кв.м. жилой застройки, все разделы проекта в BIM) и «Верфау» (крупнейших медицинский проект в России, лучший инновационный проект 2016 года).
  • Работал в ряде знаковых проектов нефтегазовой и атомной отраслей.
  • Автор более 40 научных статей и публикаций по вопросам цифровизации, в том числе в изданиях РАН. Автор Forbes, Коммерсант, РБК.

Тренды

Пётр, расскажите, а что вообще такое конвергенция цифровых технологий?

Конвергенция на простом языке — это движение друг к другу. Цифровые технологии, которые мы используем для автоматизации строительства, машиностроения, производства, становятся похожи.

Есть определенная иерархия систем для проектирования. В САПР (системы автоматизированного проектирования) есть группы продуктов, которые относятся к машиностроению, а есть те, которые предназначены для сферы строительства. В какой-то момент мы придем к единым программным продуктам, которые будут решать задачи обеих этих индустрий одинаково эффективно.

Что общего у стройки и машиностроения? Почему технологии, которые применяются в них, становятся похожи?

Стройка — индустрия более консервативная и медленная: она традиционно заимствует технологии из машиностроения и производства. Например, трехмерные САПР и продукты для BIM моделирования появились на основе своих аналогов в машиностроении, где уже давно применяются технологии работы с цифровыми прототипами изделий. Они используются как в самых сложных, так и в машиностроительных САПР среднего уровня для решения вполне утилитарных задач. Там же изначально появились хорошо известные нам шаблоны, типоразмеры (семейства) оборудования и другой функционал для эффективной работы конструктора с моделями и сборками.

Трехмерная модель изделия. Изображение из практики эксперта
Трехмерная модель изделия. Изображение из практики эксперта

Вы говорите, что строительство перенимает у машиностроения подходы, то есть пока выступает в роли «догоняющего». Где здесь «движение друг к другу»? Что могло бы машиностроение перенять у строительства?

Машиностроение — это конвейер, очень структурированный процесс. Каждый такой процесс имеет под собой конкретные действия, очень понятные и очень точные. В то же время стройка — это пока что хаос. Все проектируют и строят по-разному, хотя применяют одну и ту же теорию.

Мы наблюдаем два тренда:

  1. Стройка движется от хаоса к формализации: процесс проектирования и строительства должен стать понятным, чтобы его можно было привести к алгоритму из чётких действий, как на конвейере. Сценариев может быть много, но список действий должен быть конечным и понятным.
  2. Машиностроение движется к кастомизации. Раньше речь шла про огромные партии единообразных товаров и продуктов. Сейчас каждый человек хочет, чтобы наушники повторяли форму ушей, или небольшое комплементарное изделие внешне подходило под дизайн автомобиля или квартиры. Поэтому запрос на индивидуальные партии и кастомизированные заказы возрастает, что влияет на диверсификацию производства.

Если посмотрим на облик современных городов, увидим, что дома часто похожи по стилю, но каждый из них уникален. Эта уникальность требуется сейчас в машиностроении. Стройка готова такие подходы передать.

Какие ещё есть тренды?

И там, и там продолжается проникновение технологии создания цифровых двойников. Этот термин — «цифровые двойники» — также пришёл из машиностроения и более-менее устоялся там. В частности, в декабре прошлого года в России приняли ГОСТ с чётким определением, что же такое цифровой двойник для изделий. Он есть в открытом доступе в Интернете.

Особенности цифровых двойников

Так что же такое цифровые двойники?

Давайте объясню на примере цифрового двойника изделия. Это реальный прототип, полностью повторяющий изделие до какого-то уровня абстракции в любой момент времени. Отличие двойника от модели или простого прототипа в том, что двойник живет вместе с изделием. Если изделие изменилось — например, деформировалось, нагрелось, износилось — двойник полностью отобразит изменения.

Например, нужно понять, что будет, если запускать станок не 10 часов в день, а 24 часа без остановки? Он, возможно, сломается. На практике мы это проверить не можем: если остановить станок и запустить тест, это приведет к простою производства.

А если речь идет про электрическую подстанцию, которая питает город? Раньше в городах случались блэкауты: вылетает одна станция, потом каскадом другая, третья — и целый район города остается без света. Конечно, хочется сделать так, чтобы всё работало устойчиво: например, если станция вылетает, грамотно распределялась добавочная энергия от других станций.

В реальности проверить эффективность этого решения не получится: снабжение электроэнергией — процесс, который нельзя остановить. Тогда на помощь и приходят цифровые двойники: они помогают моделировать такие процессы.

Расскажите, как на практике создается цифровой двойник в строительстве?

В отличие от машиностроения, для стройки ГОСТа пока нет: индустрия не пришла к общему пониманию, и люди под цифровым двойником часто подразумевают разные вещи. Давайте посмотрим на примере.

Возьмем цель: организовать эффективную эксплуатацию объекта — управление и ремонт. Первая задача тут — актуализировать или наработать цифровые данные об объекте.

По итогам строительства есть строительная модель или осталась проектная. Нужно получить исполнительную, или итоговую, модель. Для этого — внести в нее изменения: измерить, зафиксировать то, что реально произошло на стройке. Если моделей не было совсем, нужно создать или «поднять» ее по обмерам и результатам цифровой съемки.

Чтобы модель была полезна в дальнейшем, нужно, чтобы она жила вместе со зданием. Если происходят переделки и перестройки, кто-то должен их вносить в модель. «Живая» модель так же, как и объект, меняется со временем.

Живая модель: выдача заданий на обслуживание в реальном времени. Источник: IBS
Живая модель: выдача заданий на обслуживание в реальном времени. Источник: IBS

Очень важно иметь именно актуальную информацию, иначе расчёты будут неправильные: модель впоследствии станет бесполезна.

С помощью каких технологий можно следить за изменениями и управлять ими?

ТОиР системы и датчики

На объектах есть так называемые ТОиР системы: при помощи датчиков они имеют связь с оборудованием, которое участвует в эксплуатации.

Раньше, до интеграции с моделью, датчики часто были низкоуровневыми. Это похоже на центр управления полетами: на пульте управления мигают лампочки. Оператор должен разбираться во всех показателях приборов, чтобы понимать, что происходит.

Но для утилитарного использования просто набор лампочек не подходит: если мы говорим, что исполнительная модель должна быть не только на заводах, атомных станциях и космодромах (где работают очень узко квалифицированные специалисты), а везде — нужно, чтобы технологии были более простыми и наглядными.

Исполнительная модель

Поэтому у диспетчера, который будет следить за эксплуатацией, например, больницы, уже должны быть не лампочки, а монитор с объемной моделью. На мониторе диспетчер может с помощью различных фильтров изменить представление. И при помощи датчиков будут видны температурные режимы, уровни загрязнения воздуха, уровень шума и прочие показатели.

Важным здесь является достаточность данных: справочники и классификаторы объектов эксплуатации должны быть введены в модель. Пока это вносится в основном вручную уже при эксплуатации.

Если мы правильным образом настроим интеграцию BIM-модели с этими справочниками, то они могут заполняться в автоматизированном режиме. Это, поверьте, колоссальная экономия по времени наработки цифровой информации для заводов.

Цифровой двойник и ТОиР

Цифровой двойник выполняет роль некоего контейнера, который отвечает за визуальное представление и наполнение информацией прототипа реального объекта. То есть он является не заменой ТОиР-систем, а их дополнением. А также помощником, который помогает руководителям и специалистам широкого профиля четко и быстро понимать, что же происходит.

Другой вариант применения двойника — имитационное моделирование, если необходимо попробовать: а что будет если…? При помощи ТОиР-систем вряд ли это возможно. Подобные тестирования происходят на цифровом двойнике, и впоследствии «идеальные» параметры передаются в системы обслуживания как исходные данные.

Какие есть проблемы в использовании цифровых двойников при их создании и эксплуатации? Первую сложность при эксплуатации назвали: нужно постоянно следить за изменениями. Что ещё?

Вопрос не очень легкий: не так много практики в этом плане — пока что единичные проекты.

Первая проблема: высшее руководство заводов не всегда понимает, зачем нужны цифровые двойники. Они в целом понимают, что цифровизация — это хорошо. Но не понимают, зачем нужна отдельная среда с едиными и универсальными данными, которые будут единым источником правды.

Есть куча систем: 1С, ТОиР-системы, Excel. Разные отделы работают с одними и теми же данными: заново их пересчитывают, вводят, находят ошибки, нестыковки, старую информацию. Объяснить им, что будет единый источник данных и он будет всегда верный в моменте, оказывается довольно нелегкой задачей.

Вторая: заказчик не понимает, как использовать цифровые двойники. Главная проблема — целеполагание: «Просто хотим двойник. А дальше посмотрим, что с ним делать». Это неправильный подход: так не работает. Надо понять, что это даст. И тогда двигаться к цели с помощью конкретных действий.

Третья: нет внутреннего идеолога. Если не будет внутреннего лидера или драйвера внедрения, плюсы технологии не удастся оценить, история с цифровыми двойниками заглохнет, или будет не так эффективна.

Как можно использовать цифровые двойники на практике?

Наибольшее распространение цифровые двойники получили в автомобиле- и авиастроении. Технологии производства самолетов ушли далеко, там много разных факторов, которые надо учитывать: обтекание, скорость, высота, плотность слоев воздуха. Естественно, до момента производства это проверяется на двойниках.

Получается, что двойник возникает не по факту изготовления изделия, а еще до него. Это делается, чтобы натурное тестирование опытных экземпляров было как можно более быстрым и успешным.

Хороший пример — краш-тест автомобилей. Если автомобиль с первого раза проходит краш-тест, условно, бьется всего один экземпляр. Автомобили часто бывают дорогие, люксовые: их бить особо не хочется. Если сначала всё проверить на двойнике, это даст уверенность на 99%, что всё получится во время натурного теста. Он делается для регламента, и дальше автомобиль пойдет в производство. В принципе, всё очень логично. И такая же история перетекает в стройку.

Положительные эффекты цифровых двойников

Цифровой двойник позволяет:

  1. Делать предиктивную аналитику: как будет функционировать объект. Чаще всего это надо для промышленности: там важно, что происходит в цеху, хватает ли места для расположения и функционирования оборудования, его обслуживания и как оптимально расположить конвейерную ленту.
  2. Удаленно наблюдать, что происходит с объектом и где есть риски. Двойник для эксплуатации базируется на финальной BIM-модели построенного здания. На этом этапе делается интеграция с датчиками, которые уже стоят на реальном объекте. Это помогает оптимально использовать объект и управлять им. Срок эксплуатации зданий длинный: часто закладывается около 50 лет. За эти 50 лет можно получить хорошую экономию: например, отключать излишний обогрев при теплой температуре на улице и экономить на этом 3% энергии.
  3. Экономить время на поиск проблем и поломок. Если происходят какие-то поломки, человек, который их чинит, знает, какое конкретно оборудование, что требуется, какой у него паспорт изделия — процесс становится очень быстрым и четким.

Откуда берутся данные для цифровых двойников на этапе проектирования? Как можно прогнозировать такие вещи, как поведение людей? А ход строительства, ход эксплуатации?

Это еще одна конвергенция, микс технологий. Я в свое время писал кандидатскую как раз на тему теории массового обслуживания и имитационного моделирования.

Задача имитационного моделирования (не путать с информационным): с помощью виртуальных моделей, которые являются формализацией реального процесса, проверить, как будет вести себя объект или какое-то количество объектов во взаимной работе. Давайте рассмотрим немного отвлеченный пример, но он поможет понять главную мысль.

В большом магазине работают кассы, и под Новый год собираются большие очереди. Есть вариант открыть 100 касс: придется платить зарплату 100 сотрудникам и надо покупать дополнительное оборудование. Тогда очередей будет меньше, и покупатели будут довольны.

Второй вариант: открыть 10 касс. Будет стоять большая очередь, и некоторые люди скажут: «Мы не будем здесь ничего покупать» и уйдут, потому что не хотят тратить много времени.

Как лучше поступить? Можно за две минуты сымитировать процесс работы касс за целый день или за неделю. С высокой степенью точности то, что будет происходить в модели, случится в реальности. Можно будет выбрать лучшую ситуацию: оптимально небольшие очереди при оптимальных затратах на обслуживание.

Если говорить про стройку и ход строительства, чаще всего используется понятие 4D-моделирование. В чём суть:

  • Берется трехмерная BIM-модель: каждый компонент имеет прообраз реального объекта на стройке. Плита — это плита, окно — это окно.
  • Берется график строительства — реальный график, который делают планировщики. Он чаще всего ведется в классических продуктах планирования типа Primavera, MS Project, Spider и так далее.
  • График работ накладывается на трехмерную объемную модель. В этом случае мы получаем виртуальный проигрыш событий во время строительства, то есть имитируем его ход и делаем выводы, насколько он оптимален.

    Подпишитесь на рассылку
    Раз в неделю будем присылать вам самые интересные материалы

    Уровни проработки

    Какие элементы в модели нужно учитывать или можно не учитывать?

    Есть такой термин — «уровень детализации» или «уровень проработки модели», LOD, и LOI, уровень проработки информации в технологии BIM.

    Мы занимаемся моделированием не для того, чтобы смоделировать всё любой ценой. Цель — работать оптимальнее и получать прогресс. Поэтому в каких-то ситуациях мы моделируем дверь, но не моделируем ручки двери, хотя это отдельная фурнитура, которая стоит денег и заказывается отдельно.

    Иногда фурнитура записывается в параметры двери текстово: есть параметр «фурнитура» и ее код. Иногда это никак не записывается: просто дверь, у нее есть типоразмер, а фурнитура визуально универсальная.

    Изначально в техзадании прописывается уровень проработки LOD: нужна нам эта фурнитура в модели или нет.

    Какой у цифрового двойника в среднем уровень точности?

    Есть два варианта:

    1. Цифровой двойник поднимается с нуля. Если проектирование и стройка происходили без участия работы с моделью, тогда приходится брать чертежи, обмеры, ехать на объект. С помощью лазерных тахеометров, сканеров, дронов обмерять объект, чтобы потом при помощи чертежей и новых данных его воспроизвести и сделать цифровой двойник.
    2. Итеративная работа над двойником — уже упоминали про нее ранее. Это более правильный вариант.

    Вспомните ту самую, уже поднадоевшую круговую схему BIM, когда данные перетекают из стадии в стадию: со стадии проектирования передаем данные бесшовно на стройку, после стройки — в эксплуатацию. И эта модель живет.

    Классическая схема этапов развития BIM-модели
    Классическая схема этапов развития BIM-модели

    Проектная документация — это примерно уровень проработки модели LOD 300. Рабочая документация — примерно LOD 400. Как построено — LOD 500.

    Так вот, для эксплуатации считается, что в чем-то модель облегчается, что-то, конечно, добавляется: средний LOD — где-то 350.

    Уровень проработки LOD 200 и LOD 400 на различных примерах

    Есть цифровые двойники для разных целей: для моделирования работы будущего здания — один, для эксплуатации — другой.

    Цель эксплуатационной модели не в том, чтобы повторить идеально всё до гвоздика. Она должна быть полезна именно для эксплуатации. Если мы просто хотим сделать двойник, не зная целей, он для нас будет, скорее всего, бесполезным. Если мы хотим двойник для оптимизации процессов обслуживания и ремонтов, это будет одно ТЗ. Двойник для передачи информации в государственную систему учета объектов строительства — другие требования.

    На стройке есть компоненты модели, которые в эксплуатации не нужны: например, нам не важны подвесы или внутренние опоры. Мы с ними больше ничего не делаем — достаточно просто знать, что они там есть.

    Модель не должна быть перенасыщена: перенасыщенная модель будет медленно «вращаться», с ней медленнее идет работа. Мы возвращаемся к истокам внедрения BIM на проекте — BEP. С самого начала нужно понимать, какие цели мы закладываем при внедрении, так называемые BIM Uses или BIM цели.

    Зачем нужен цифровой двойник

    Расскажите, для каких проектов цифровой двойник нужен, а где без него можно обойтись?

    Развитие человеческой мысли и трендов говорит о том, что цифровые двойники постепенно будут появляться для совершенно разнообразных проектов. Меньше их точно не станет: всем хочется заранее сделать так, чтобы объект работал оптимально, и его было легко контролировать. Вот это в двух словах задача цифрового двойника и основной положительный эффект.

    А главная проблема цифровых двойников в том, что это недёшево. Понятно, что для уже построенных объектов — а их все-таки больше, чем нового строительства, — двойники придется нарабатывать с нуля. Искать чертежи, если их нет — делать обмеры. Это всё сопряжено с колоссальными усилиями.

    Не так давно я был на нефтехимическом производстве, на реальном заводе. Там сравнительно «небольшой» цех: на его оцифровку даже без дополнительных действий и отладки процессов по использованию информации тратится примерно один год времени. Над созданием модели будут работать постоянно в течение года 10−15 специалистов. Это стоит довольно приличных денег: не все могут на это пойти.

    В промышленности двойники уже получают широкое распространение, причем я сейчас оперирую информацией про Россию — не про зарубежные страны. Там безопасность и оптимальное управление — это критически важно и с лихвой перекрывает обозначенные затраты времени и ресурсов.

    А в гражданском строительстве как обстоят дела с двойниками?

    Здесь ситуация другая. Например, в девелопменте много объектов эконом-класса и таких, где сравнительная величина проектов невелика. У садика бюджет в тысячу раз меньше, чем у цеха на заводе. Они просто не могут себе позволить создание двойника.

    Первыми в гражданском строительстве придут к использованию ЦД объекты, где необходим повышенный класс качества: например, дома бизнес-класса, у которых фишкой будет технология умного дома. Ведь умный дом — это как раз возможность дистанционно контролировать оборудование в квартире и управлять им.

    Как на практике будут эксплуатировать ЦД? С помощью каких датчиков и систем? Насколько это уже реально?

    Раньше на серьезных объектах в обслуживании применялись только брендовые системы и датчики от таких компаний как Schneider, Honeywell и некоторых других. Они отлично работают, но было две проблемы:

    1. Они дорогие и предназначены все-таки в большей степени для промышленности;
    2. Они имели закрытые API. Это означает, что только эти компании могли создавать интеграцию датчиков с изделиями: снимать с них данные и передавать во внешние системы.

    Сейчас появляются более дешевые аналоги, в том числе китайские датчики. Эта сфера стала более демократичной. Количество проектов увеличивается.

    Европа и Америка впереди планеты всей по цифровым двойникам? Или и Россия не отстает?

    В целом мы движемся примерно одинаково. До пандемии я активно ездил на конференции в России и за рубежом: темы поднимались одни и те же.

    Если говорить про реализацию, то, наверное, за рубежом чуть-чуть побольше кейсов вследствие более высокого понимания значимости этапа проектирования-моделирования и его оплаты.

    Плюс там люди давно интересуются технологиями оптимизации. Сейчас на повестке зеленое строительство, минимальное количество воздействия на окружающую среду. Наши компании тоже к этому идут.

    Давайте поговорим про бизнес-метрики и экономические показатели использования цифровых двойников. В какой перспективе они окупаются и что дают с финансовой точки зрения?

    Положительные эффекты от внедрения цифровых двойников весьма заметны. Если говорить про возможные неслучившиеся аварии, уровень возврата колоссальный, всем это понятно.

    Эксперты подсчитали, что экономия на энергии всего на 5% дает в течение 20−30−50 лет колоссальную экономию при эксплуатации. Эти суммы сопоставимы со стоимостью всего объекта. Причем это было подсчитано для гражданских проектов: больниц, аэропортов, социальных объектов.

    В русскоязычном сообществе есть ряд исследований, которые по определенной методике считают, какой происходит возврат инвестиций от внедрения. На больших проектах это миллиардные цифры.

    Когда строятся огромные газопроводы, например, в Сибири, фактор сезонности очень важен. Если не успеть всё сделать за весну, лето и осень, зимой там уже не проехать: река застывает, дорог нет. Если не успеть и не подготовиться логистически, получится огромный временной простой.

    Конечно, все затраты на всевозможное моделирование и двойники окупаются с лихвой на таких миллиардных проектах.

    Как цифровые двойники изменят мир?

    Я думаю, к лучшему: других вариантов нет!

    Хочется пожелать рынку, заказчикам, строителям, использовать цифровые двойники для повышения эффективности, а не для хайпа в духе «мы сделали, посмотрите, как мы довольны».

    Кто-то говорит, что у них в 3DS Max сделан цифровой двойник, а мы понимаем, что эта картинка никакого отношения ни к BIM, ни к реальному двойнику не имеет. Поэтому хочется, чтобы получили распространение работающие технологии. Я — за правильные подходы, нежели за «сделать любой ценой».