Российские вузы начали осваивать технологию будущего: о чем важно знать
На протяжении тысячелетий для доказательства или опровержения гипотезы человечеству требовались реальные и порой продолжительные эксперименты. Ситуацию изменило компьютерное моделирование, которое появилось с появлением цифровых технологий. Однако оно имело существенный недостаток: дорогое оборудование и программное обеспечение. Соответствующие расходы могли себе позволить единицы компаний и институтов на всей планете. Настоящим прорывом стали цифровые двойники, которые позволяют проводить виртуальные эксперименты и прогнозировать реальные результаты на обычном ноутбуке.
Цифровой двойник — это виртуальное воплощение одного предмета, группы предметов или даже большой системы. Например, человеческого органа или целого города с домами, инфраструктурой и жителями.
Используя цифрового двойника, можно протестировать инновацию — а значит, еще на этапе разработки понять, как можно оптимизировать продукт, его производство и логистику. Использовать эту технологию можно в любой области — в сфере продовольственных товаров, строительства, транспорта, электроники или здравоохранения. По оценке аналитиков Accenture и Dassault Systèmes, использование цифровых двойников в пяти перечисленных индустриях позволит компаниям по всему миру к 2030 году совокупно сэкономить $1,3 трлн и уберечь планету от выброса 7,5 гигатонн углекислого газа.
Технология цифрового двойника интересна не только бизнесу, но и властям — в том числе российским. К примеру, подобное моделирование может стать базой для реализации федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика». Это учитывает Министерство науки и высшего образования Российской Федерации в своей программе «Приоритет 2030».
В рамках этой программы 106 университетов, больше двух третей из которых представляют регионы России, получат гранты в размере ₽100 млн на реализацию своих предложений. Среди проектов, которые поддержало Минобрнауки, есть и посвященные цифровым двойникам. Рассказываем, как они могут изменить жизнь людей и чего добились российские университеты в этой сфере.
Интеллектуальное машиностроение
Впервые о цифровых двойниках заговорили в начале 2000-х в космической промышленности. Первыми, кто стал использовать технологию на Земле, стали крупные промышленные производства. Они смогли связать между собой все имеющиеся заводы, а также унифицировать и оптимизировать процессы.
Инструмент также позволил тестировать гипотезы без существенных денежных вливаний и делать тренажеры для обучения новых сотрудников. В России цифровые двойники появились прежде всего в нефтегазовой сфере, дальше в производстве транспорта, а затем в строительстве.
В 2021 году был принят первый в стране ГОСТ для цифровых двойников в машиностроении. Этой же индустрии посвящен проект Южно-Уральского государственного университета (ЮУрГУ), получивший поддержку в рамках участия в программе «Приоритет 2030». Вуз разработал систему интеллектуального анализа для Магнитогорского металлургического комбината (ММК).
Разработку ЮУрГУ внедрят в листопрокатном цехе ММК № 11. Система будет собирать информацию с датчиков на оборудовании, анализировать ее и подавать сигнал, если посчитает, что какая-то деталь может в ближайшем времени выйти из строя. Подобный прогноз позволит эффективнее диагностировать оборудование и избежать аварий, когда цех вынужден простаивать неопределенный срок.
Еще одна совместная инициатива ЮУрГУ и ММК — внедрение на заводе системы цифровых двойников турбоагрегатов. С помощью датчиков эта система собирает сведения по 100 параметрам, касающимся состояния энергоагрегатов, и анализирует полученные сведения в режиме реального времени. Цифровой близнец сможет быстро находить места утечек, проводить диагностику оборудования и прогнозировать возможные неисправности.
Персонализированное здравоохранение
Цифровым двойником может обзавестись не только предмет, но и человек — и здесь у технологии огромные перспективы. При должной реализации она позволит каждому пациенту получить виртуальный аналог собственного тела. Такой цифровой двойник будет не только повторять анатомические и физиологические особенности, но даже воспроизведет геном реального человека. «Виртуальный пациент» будет обновляться после каждого исследования, и его можно будет использовать для подбора подходящего лечения за считанные минуты.
На текущем этапе развития науки виртуальный пациент остается фантастикой, однако разработки в области цифрового биодизайна приближают мечту к реальности. Например, уже сейчас можно смоделировать сердце и спрогнозировать, насколько хорошо оно справится с перекачиванием крови. Среди направлений на ближайшую перспективу — работа с хроническими болезнями. Созданием цифровых двойников таких заболеваний занимается Новгородский государственный университет (НовГУ), ставший участником программы «Приоритет 2030».
Совместно с базирующимся в Москве Сеченовским университетом НовГУ создал научный центр «Цифровой биодизайн и персонализированное здравоохранение». Его конечной целью назвали создание удобных инструментов, которые позволят распознавать в человеческом организме отклонения от нормы. Эти отклонения могут сигнализировать о возможных патологиях на самых ранних стадиях.
Для этого в базе данных научного центра начали собирать большой массив информации с результатами функциональных и генетических исследований. После этого специалисты НовГУ и Сеченовского университета рассчитывают создать цифровые двойники болезней, чтобы они давали представление о развитии заболевания и помогали в поиске наиболее эффективного лечения.
Цифровая энергетика
В цифровых двойниках заинтересована и энергетика. В первую очередь атомная: на атомных электростанциях умная система, способная быстро обнаруживать неисправности и прогнозировать поломки в энергоблоках, может уберечь от перебоев энергии и даже масштабных катастроф.
Российские АЭС начали оснащать цифровыми системами автоматизированного управления еще в 2000-х, однако профильные специалисты из компании «Русатом автоматизированные системы управления» (РАСУ) считают: существующие устройства создавались по принципам и методологии семидесятых годов прошлого века. Неудивительно, что в 2017 году «Росатом» приступил к разработке виртуальных атомных станций — то есть цифровых двойников АЭС.
Перспективы развития цифровых двойников есть и в сфере возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Этому посвящены разработки Томского политехнического университета (ТПУ) — грантополучателя программы «Приоритет 2030». Ученые ТПУ разработали моделирующий комплекс электроэнергетических систем, который позволяет отслеживать состояние системы в режиме реального времени. На его базе можно создавать цифровые двойники различных электростанций. Например, в этом году вуз представил модель для станций с ветрогенераторами и солнечными батареями
В Томском политехе обращают внимание, что сложность мониторинга возобновляемой энергетики в том, что для нее не подходят традиционные модели. Ветер и солнце нестабильны, а значит, нестабильна и выработка энергии. Поэтому в случае ВИЭ используют накопители, которые запасают энергию, когда она в избытке, и выдают энергию, когда ее не хватает. Кроме того, в подобных станциях гораздо ниже инерция, из-за чего аварии происходят быстрее.
Не подходят традиционные модели управления и для водородных станций. Чтобы исправить это и создать эффективную систему мониторинга работы водородной электростанции, в ТПУ обещают представить цифрового двойника и для этого типа энергосистемы.
Как это поможет экономике и госуправлению
Многие экономические модели помогают спрогнозировать различные ситуации, но их главный недостаток в том, что почти все модели носят теоретический характер. Перевести экономические модели в более практическую плоскость помогают цифровые двойники. В экономике они не только помогают прогнозировать развитие событий, но и понять, какой вариант развития окажется наиболее вероятным либо оптимальным с учетом сформулированных целей.
Развитие подобной технологии способно помочь чиновникам в управлении государством: с помощью такой модели можно будет понять, насколько эффективна окажется реформа или новый закон в масштабах региона или целой страны. С необходимым уровнем проработки такие цифровые двойники не отсновятся даже при моделировании экстремальных ситуаций — например, финансового кризиса или пандемии.
И если именно такую систему пока не изобрели, то цифровые двойники с усеченным функционалом успешно работают в городах. Самый яркий пример — Сингапур. Здесь разработали информационную 3D-модель Virtual Singapore с максимально подробной географией мегаполиса. Здесь не ограничились привычными всем дорогами и домами, но детализировали модель вплоть до виртуальных фонарей и скамеек.
Проект обошелся властям в $73 млн — и теперь от цифрового двойника ждут отдачи.
В Сингапуре рассчитывают, что это поможет установить точные взаимосвязи — например, как запуск нового производства на территории города скажется на окружающей среде и транспортной системе и в своем, и в соседних районах.
В России разработкой цифровых двойников, которые помогут рассчитать и подтвердить прогнозы социально-экономического развития страны, занимается вузы-участники программы «Приоритет 2030» — например, РЭУ имени Плеханова. В университете рассказали РБК, что модель будет работать в режиме реального времени, что позволит вносить изменения в исходные параметры максимально быстро.
На выходе ученые РЭУ имени Плеханова ожидают получить инструмент, который будет полезен и на федеральном, и на региональном уровне. Например, с помощью него можно будет найти наиболее подходящие меры для развития конкретных регионов. Для этого специалистам понадобится обработать большой массив данных. Цифровые двойники работают по тому же принципу, что и весь искусственный интеллект — чем больше данных и обучения, тем точнее будет результат.
