Работающая магия

Технология цифровых двойников, или близнецов (англ. digital twins), чем-то напоминает симпатическую магию в том виде, как её описал классик антропологии Дж. Дж. Фрезер: колдун тычет иголками в куклу вуду, символизирующую врага, или муж роженицы изображает процесс родов. Ну а мы вместо проведения реального крэш-теста виртуально разбиваем математическую модель автомобиля.

Конечно, технология цифровых двойников в отличие от магии, во-первых, рационально обоснована, а во-вторых, не предполагает ни положительного, ни отрицательного воздействия на сам объект: она лишь позволяет нам получить информацию, необходимую для такого воздействия. И всё же при знакомстве с некоторыми проектами кажется, что в них без колдовства не обошлось.

Призрак ветряка

«Уже десятки лет, - писал в 2017 году главный архитектор аналитической платформы промышленного Интернета GE Predix Марк-Томас Шмидт, - GE собирает данные о различных машинах, таких как электродвигатели. Соединив эти данные со статистической моделью, мы научились с высокой уверенностью предсказывать, что и когда случится с оборудованием. Не хватало только возможности определять, как это произойдёт и почему. Добавив имитацию физических процессов, мы сделали финальный шаг к тому, чтобы восполнить недостающее». Для решения этой задачи GE в качестве партнёра привлекла компанию ANSYS, специализирующуюся на разработке цифровых двойников для инженерных систем, и на сегодня процесс создания двойника конкретной машины в корпорации уже хорошо отработан. В 2018 году в облаке GE имелось порядка 1,2 млн действующих двойников различного оборудования - турбин, реактивных двигателей, локомотивов...

Прежде всего, как объясняет Шмидт, строится базовая модель инженерного объекта. Например, для ветрогенератора она включает информацию из системы управления жизненным циклом (Product Lifecycle Management, PLM) с данными по всем компонентам и материалам, трёхмерную геометрическую модель и собственно имитационную модель, которая предсказывает поведение объекта на основе физических алгоритмов или рекомендаций, выработанных аналитической системой в процессе машинного обучения. Затем типовая модель оборудования дополняется характеристиками его конкретной единицы.

В случае ветровой турбины нужно учесть время её эксплуатации, погодные условия в соответствующий период в том месте, где находится ветропарк, и положение данной турбины относительно остальных. Также фиксируется история технического обслуживания и ремонтов - какие возникали неисправности и как они были устранены. В готовом цифровом двойнике машины, таким образом, подробно представлено её прошлое и настоящее, что позволяет точнее предсказывать будущее с целью повышения производственной эффективности. К примеру, цифровой двойник одного из ветропарков помог компании GE Power поднять выработку электроэнергии на 5% без замены оборудования. Имитируя различные погодные условия, инженеры нашли оптимальные режимы работы для всего комплекса ветровых турбин. При этом одна из рекомендаций выглядела нелогично: оказалось, что для достижения максимальной выработки в некоторых случаях следует остановить определённые турбины.

Специалисты GE рассказывают о таком компоненте цифровых двойников, как виртуальные датчики, представляющие расчётные значения физических характеристик для тех мест машины, где установка реального датчика невозможна или нецелесообразна. Несколько таких датчиков присутствует, например, в двойнике ветровой турбины Haliade 150-6, где они измеряют температуру в разных частях мотора, поворачивающего гондолу. «Чем точнее отслеживается температура, тем легче понять эффект от режима работы турбины», - объяснил Эрве Сабо, технический директор Digital Foundry (научно-исследовательское подразделение GE, которое находится в Париже). Казалось бы, виртуальные датчики - всего лишь способ представления информации, которая и так уже есть в системе, но их появление расширило возможности мониторинга и сделало его более удобным.

Цифровой клон для ТЭЦ

Цифровые двойники находят применение и в российской энергетике. Именно этот подход использовал системный интегратор «КРОК Инкорпорейтед» в проекте по моделированию и оптимизации режимов работы одной из крупнейших московских ТЭЦ, выполненном для «Мосэнерго». Оптимизация предполагала снижение затрат на топливо и повышение эффективности работы станции на оптовых рынках электроэнергии - на сутки вперёд и балансирующем. Для этого было решено построить систему поддержки принятия решений, охватывающую и производственные, и экономические службы.

Используя специальные средства имитационного моделирования, специалисты «КРОК Инкорпорейтед» разработали имитационную модель, достаточно точно вычисляющую все основные технологические параметры (давление, температура, расход топлива и др.) для каждой точки технологического процесса. Таким образом, модель воспроизводит основные техпроцессы, которые фактически идут на станции. При изменении входных условий - в первую очередь тепловой и электрической нагрузок - параметры пересчитываются.

Когда разработчики, сверяя параметры цифрового двойника ТЭЦ с показателями работы реального оборудования, добились требуемой точности (расхождения не более чем на 2%), заказчик начал использовать модель для анализа «что, если...», то есть запускать на двойнике различные режимы и оценивать эффект. Следующим шагом стало создание на базе цифрового двойника оптимизационной модели. Она позволила рассчитывать оптимальный режим почасовой загрузки ТЭЦ для работы на рынке на сутки вперёд с учётом прогноза погоды и энергопотребления по теплу в рамках параметров, заданных Системным оператором. При этом модель настроена на минимизацию потерь от работы на балансирующем рынке и сокращение удельного расхода топлива.

Может быть, это моё личное заблуждение, но я пребывала в полной уверенности, что для построения цифрового двойника крупного предприятия нужны гигантские вычислительные ресурсы. Оказалось - нет: как рассказал директор по промышленным решениям «КРОК Инкорпорейтед» Вячеслав Максимов, система была реализована на имевшемся у энергокомпании сервере с двумя процессорами Intel Xeon и показала очень хорошую скорость работы. Расчёт режима в имитационной модели занимает несколько секунд, а оптимизационные расчёты, особенно связанные с перебором большого числа вариантов, требуют, конечно, больше времени, но и они длятся считанные минуты.

Из воздуха - в эфир

Ещё один проект, тоже компании «КРОК Инкорпорейтед», под названием «Термоскоп» был реализован в её собственном центре обработки данных (ЦОД) «Компрессор» на территории одноимённого завода. Поскольку серверы расходуют много электроэнергии и выделяют столько же тепла, на отвод которого также нужна энергия, по суммарному энергопотреблению вычислительного и кондиционирующего оборудования (у «Компрессора» оно составляет порядка 8 МВт) крупный ЦОД можно сравнивать со средним заводом.

Понятно, что владельцы ЦОДов всегда заинтересованы в повышении их энергоэффективности, и «КРОК Инкорпорейтед» - не исключение. В данном случае речь шла об оптимизации режимов работы инженерных систем климатического контроля (кондиционеров, вентиляционных установок), для чего была создана усовершенствованная система онлайн-мониторинга на базе цифрового двойника климатических условий в машинном зале ЦОДа.

Специалисты «КРОК Инкорпорейтед» для сбора данных разработали и установили по всему залу беспроводные температурные датчики. С их помощью смоделировали распределение тепловых потоков, нашли холодные и горячие коридоры, построили динамическую тепловую карту. Проект окупился меньше чем за год.