Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников

Алексей Боровков
К.т.н., ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», проректор по цифровой трансформации, профессор, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ), Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии», Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ.

Дмитрий Сачава
ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»,
начальник отдела маркетинга передовых технологий ПИШ СПбПУ.

Ольга Князева
ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»,
ведущий специалист отдела маркетинга передовых технологий ПИШ СПбПУ.

Екатерина Мартынец
ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»,
ведущий специалист отдела технологического и промышленного форсайта ПИШ СПбПУ.

Антон Алексашкин
ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab®), директор департамента «Дистрибьюция программных систем компьютерного инжиниринга», ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», ведущий специалист ПИШ СПбПУ.

Юрий Рябов
К.полит.н., ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»,
начальник отдела технологического и промышленного форсайта ПИШ СПбПУ.

Статья представляет шестую часть цикла статей «Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins) CML-Bench^®». Первые три части статьи опубликованы в № 8-10 за 2023 год, четвертая и пятая часть опубликованы в № 5 и № 7 за 2024-й. Шестая часть цикла статей посвящена описанию ключевых результатов развития цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®, относящейся к классу SPDM-систем. В статье освещены функциональные и технические возможности цифровой платформы CML-Bench^® в области интеграции и дистрибьюции инженерного программного обеспечения, включая CAx-, PLM-, PDM-системы, формирования интеллектуального и научно-технологического задела, а также особенности внедрения цифровой платформы CML-Bench^® в образовательные и научно-исследовательские организации, применение платформы для реализации проектов в области цифрового проектирования и моделирования, разработки цифровых двойников, в том числе в рамках сверхактуального научно-технологического направления разработки, сертификации и производства беспилотных авиационных систем (БАС).

Введение

Новые экономические вызовы и геополитические изменения требуют от России быстрого освоения передовых технологий, создания инновационных продуктов и достижения технологического лидерства в приоритетных отраслях промышленности. Начиная с 2022 года, ключевое значение для решения стратегических задач государства приобрел цифровой инжиниринг, широкомасштабное внедрение инструментов для проведения цифровых (виртуальных) испытаний и разработки цифровых двойников, развитие прикладных программных инструментов для формирования научного опыта и уникальных компетенций.

В соответствии с национальным стандартом ГОСТ Р 57700.37—2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения» [1], разработанным специалистами Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» совместно с ФГУП «Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики» («РФЯЦ-ВНИИЭФ»), Госкорпорация «Росатом»), для разработки цифровых двойников изделий, проведения цифровых (виртуальных) испытаний, применения результатов математического и компьютерного моделирования и организации совместной работы по разработке цифрового двойника изделия рекомендуется применять программно-технологическую платформу, или цифровую платформу.

Важно отметить, что в ноябре 2023 года национальный стандарт Российской Федерации ГОСТ Р 57700.37—2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения» официально включен в перечень взаимно признаваемых стандартов в сфере авиастроения между Китайской Народной Республикой и Российской Федерацией и переведен на китайский язык [2]. Торжественная церемония подписания утвержденного перечня взаимно признаваемых стандартов состоялась 24 ноября в Пекине на 14-м заседании специальной рабочей группы по стандартизации Российско-Китайской Подкомиссии по сотрудничеству в области гражданской авиации и гражданского авиастроения, включая БАС. Так, эффективным инструментом цифрового проектирования и моделирования, разработки цифровых двойников изделий является цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®, которая объединяет «лучшие в своем классе» (best-in-class) цифровые технологии мирового уровня [3; 4].

Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® — полностью российская SPDM-система (Simulation Process and Data Management), то есть система управления процессами и данными компьютерного моделирования, позволяющая эффективно организовать процессы в области системного цифрового инжиниринга. Работы по созданию и развитию платформы начались в 2006 году как совместный проект ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab®) [5] и сотрудников СПбПУ под общим руководством проректора по цифровой трансформации СПбПУ профессора А.И. Боровкова. С 2006 года цифровая платформа непрерывно совершенствуется и дополняется, в том числе в целях адаптации для решения актуальных задач высокотехнологичной промышленности.

Цифровая платформа CML-Bench^® способствует одновременному («параллельному») выполнению десятков НИОКР различными инженерными командами в интересах высокотехнологичных предприятий — индустриальных партнеров Экосистемы технологического развития СПбПУ. Возможности цифровой платформы CML-Bench^® позволяют в сжатые сроки реализовывать сложнейшие проекты для таких отраслей, как двигателестроение, энергомашиностроение, атомное, нефтегазовое, нефтехимическое и специальное машиностроение, авиастроение, в том числе беспилотная авиация, ракетная и космическая техника, автомобилестроение, судостроение, кораблестроение и морская техника, приборостроение, спорт высших достижений и др. Важно отметить, что цифровая платформа CML-Bench^® приказом Министра цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации М.И. Шадаева № 84 от 16.02.2021 г. включена в Единый реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных [6; 7].

Кроме того, в 2024 году цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® признана лучшим продуктом в номинации «Импортозамещение: продукт года» премии Digital Leaders Award — 2024 [8]. Отметим, что за всю историю создания, развития и применения цифровая платформа CML-Bench^® была удостоена большого числа престижных наград. В их числе:

• национальная промышленная премия РФ «Индустрия» в 2017 году;
• премия «Лучший цифровой проект ЕАЭС» международного конкурса инновационных проектов «Евразийские цифровые платформы» в 2018 году;
• премия «Технологический прорыв — 2021» за проект «Цифровая платформа концептуального проектирования и оптимизации изделий авиационной техники»;
• «Первая Национальная премия “Импортонезависимость”» в 2022 году;
• «Национальная премия “Приоритет-2022”» в номинации «Импортозамещение»;
• многие другие.

Подробная информация о платформе CML-Bench^® представлена в цикле статей «Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins) CML-Bench^®», опубликованных в журнале «САПР и графика». Первая часть цикла статей, размещенная в № 8’2023 [3], касается общих сведений о платформе и ее функциональных возможностях. В первой части цикла статей выделены основные направления стратегического развития цифровой платформы CML-Bench^®, в их числе:

1. Развитие базового функционала цифровой платформы CML-Bench^®.
2. Сертификация средств защиты во ФСТЭК.
3. «Миграция» данных.
4. Интеграция с отечественным инженерным ПО (CAx-системы).
5. Отраслевая кастомизация и расширение сфер применения цифровой платформы.
6. Формирование образовательных подсистем платформы для академического использования, создание учебно-методических комплексов.

Вторая часть цикла статей (№ 9’2023 [9]) посвящена архитектуре, ключевым аспектам программной реализации, технологиям, лежащим в основе цифровой платформы, а также функциям защиты информации и обеспечения доступа к цифровой платформе CML-Bench^®.

Третья часть цикла (№ 10’2023 [10]) содержит описание ключевых результатов проектов, выполненных специалистами Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (ПИШ СПбПУ) в интересах высокотехнологичных предприятий автомобилестроения, двигателестроения и железнодорожного машиностроения, часть 4 (№ 5’2024 [11]) — описание проектов для атомного машиностроения, часть 5 (№ 7’2024 [12]) — проектов для нефтегазовой отрасли, в рамках которых для разработки изделий высокого уровня сложности применялась цифровая платформа CML-Bench^®.

В данной статье рассмотрены некоторые основные результаты развития и применения платформы за 2023-2024 годы, в том числе подробно рассмотрены некоторые результаты развития цифровой платформы CML-Bench^® в соответствии со стратегическими направлениями, определенными в первой части цикла статей [3].

Интегрированное инженерное программное обеспечение

За 2023-2024 годы существенно расширены возможности совместимости цифровой платформы
CML-Bench^® с отечественным инженерным программным обеспечением. Так, по состоянию на февраль 2022 года платформа включала 110 программных систем и модулей, в то время как по состоянию на август 2024-го платформа насчитывает более 170 интегрированных программных систем и модулей. В  их числе — отечественные разработки ООО «Тесис» (FlowVision), ООО «Фидесис» (CAE Fidesys), ООО «Вычислительная механика» (Универсальный механизм), ООО «Тор» (ELCUT), ООО «Кванторформ» (QForm) и др.

Например, на цифровую платформу CML-Bench^® интегрирована одна из самых популярных отечественных программных систем для моделирования электромагнитных полей и решения задач электродинамики — ELCUT версии 6.6 [13; 14], рис. 1 и 2.

Рис. 1. Некоторые функциональные возможности программной системы ELCUT 6.6 на цифровой платформе CML-Bench^® (Источник: ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»)

Рис. 2. Расчетный случай холостого хода линейного генератора на цифровой платформе CML-Bench^® в программной системе ELCUT 6.6 (Источник: ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»)

ELCUT — российская разработка компании ООО «Тор» — программная система, предназначенная для моделирования электромагнитных и тепловых полей методом конечных элементов. Наибольшее применение данное программное обеспечение находит в области разработки и проектирования электромагнитных устройств, медицинской аппаратуры, а также в области строительной теплофизики для расчета теплозащиты ограждающих конструкций и фундаментов.

ELCUT расширяет сферу применения платформы CML-Bench^® в части моделирования низкочастотной электротехники. Интеграция решателя ELCUT 6.6 на платформу CML-Bench^® осуществлена на базе исследовательской задачи по разработке линейного генератора для преобразования энергии приливов.

Кроме того, запланирована интеграция CML-Bench^® с SimInTech (разработка ООО «ЗВ Сервис») и с CAE-системами платформы мультидисциплинарного анализа «ЛОГОС» (разработка ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», Госкорпорация «Росатом»), такими как ЛОГОС Тепло, ЛОГОС Прочность, ЛОГОС Аэро-гидро.

Перенос данных из PLM-системы

Цифровая платформа CML-Bench^® позволяет осуществлять бесшовную «миграцию» данных из многих популярных систем управления жизненным циклом продукта (Product Lifecycle Management, PLM) и применять уже имеющиеся наработки независимо от использованного ранее зарубежного ПО. В 2023 году инженеры ПИШ СПбПУ разработали программный модуль для переноса инженерных данных с одной из самых популярных PLM-систем Teamcenter (разработка Siemens Digital Industries Software) на CML-Bench^® [15]. Интеграционный модуль позволяет переносить структуру изделия, основные атрибуты и связанные файлы моделей в произвольных форматах, конструкторские и технологические модели, осуществлять гибкую настройку программного модуля под расширенные модели данных, реализованные на конкретном предприятии. Кроме того, программный модуль поддерживает стандарты XML и сервис-ориентированную архитектуру (Service-Oriented Architecture, SOA), а также имеет возможность предварительной оценки времени загрузки изделий на основе накопленной статистики ранее выполненных проектов.

После успешного завершения процесса загрузки данных из Siemens Teamcenter на цифровую платформу CML-Bench^® появляется возможность управлять инженерными данными, проводить инженерные расчеты, управлять процессами верификации и валидации, осуществлять подготовку к проведению цифровых (виртуальных) испытаний. В ходе проектов по интеграции Siemens Teamcenter и CML-Bench^® накоплена статистика по трудоемкости загрузки данных. Так, для полного переноса на платформу CML-Bench^® сборки, включающей девять ступеней, 302 лопатки и около 1000 компонентов, требуется не более 10 мин.

Цифровая платформа CML-Bench^® — ядро системы «УРАНИЯ»

Цифровая платформа CML-Bench^® легла в основу системы «УРАНИЯ», внедряемой на предприятиях Госкорпорации «Росатом» [16; 17]. Автоматизированная система для повышения прозрачности и управляемости расчетных и экспериментальных исследований разработана Институтом проблем безопасного развития атомной энергетики РАН (ИБРАЭ РАН) совместно с ПИШ СПбПУ.

Система «УРАНИЯ» предназначена для проектного направления «Прорыв» Госкорпорации «Росатом», целью которого является достижение нового качества ядерной энергетики путем разработки, создания и промышленной реализации замкнутого ядерного топливного цикла на базе реакторов на быстрых нейтронах [18].

Основная задача системы «УРАНИЯ» — максимальный перевод натурных испытаний, применяемых в атомной промышленности, в цифровую среду и повышение эффективности расчетных и экспериментальных обоснований. Стоит отметить, что перенос испытаний в цифровую среду не означает полную замену натурных испытаний — цифровое проектирование и моделирование является альтернативной и универсальной методологией научных исследований [4; 19].

Использование CML-Bench^® в качестве программной платформы для построения «УРАНИИ» позволило взаимоувязать разнородные информационные и расчетные системы и подходы к их использованию, применяемые в атомной отрасли, осуществить сквозную межпроектную трансляцию результатов выполняемых НИОКР, учесть вариативность путей достижения результатов (иными словами, траектории решений [3; 11; 12]) при реализации проектов. Программные модули для разработок в атомной энергетике успешно прошли апробацию в АО «НИКИЭТ», АО «Прорыв» и АО «ОКБМ Африкантов» (Госкорпорация «Росатом»).

Многолетнее взаимодействие с предприятиями, входящими в структуру Госкорпорации «Росатом», подтверждает высокую компетентность инженеров Экосистемы технологического развития СПбПУ и высокую эффективность применения цифровой платформы CML-Bench^® для решения мультидисциплинарных задач атомного машиностроения. В качестве примера можно привести успешно выполненный специалистами Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии» проект по разработке компрессора низкого давления разделительно-сублиматного комплекса, проект по разработке цифрового двойника тепловыделяющей сборки (подробнее о проектах см. [11]), проект по созданию цифрового двойника облучательного устройства для испытания материалов в исследовательском реакторе на быстрых нейтронах, а также ряд других проектов.

Обеспечение безопасности при применении цифровой платформы CML-Bench^®

Расширение возможностей платформы и ее внедрение на предприятия высокотехнологичной промышленности делает приоритетными вопросы обеспечения защиты информации (подробнее об информационной безопасности применения CML-Bench^® см. в [9]). В частности, достигнута совместимость цифровой платформы CML-Bench^® с сертифицированной операционной системой со встроенными верифицированными средствами защиты информации Astra Linux Special Edition [9; 20]. Это отказоустойчивая платформа для защищенных IT-инфраструктур и работы с данными любой степени конфиденциальности.

Кроме того, программный слой CML-Bench^®, отвечающий за доступ к данным цифровой платформы, адаптирован под сертифицированную версию промышленной системы управления базами данных для высоконагруженных систем Postrges PRO Enterprise Certified. Эта российская система управления базами данных (СУБД) содержит встроенные средства защиты от несанкционированного доступа к информации, встроенный контроль целостности исполняемых файлов и другие функции, значимые для обеспечения безопасности данных [9; 21].

Операционная система Astra Linux Special Edition и СУБД Postgres Pro Enterprise сертифицированы Федеральной службой по техническому и экспортному контролю России (ФСТЭК). Совместимость цифровой платформы с этими системами открывает новые возможности по внедрению платформы CML-Bench^® на российских предприятиях, имеющих повышенные требования к параметрам обеспечения информационной безопасности. Расширение возможностей
CML-Bench^® позволяет использовать данную платформу для импортозамещения зарубежного программного обеспечения передовыми российскими аналогами.

Кроме того, в настоящее время завершается сертификация цифровой платформы CML-Bench^® по 6-му уровню доверия ФСТЭК и соответствию требованиям к государственным информационным системам (ГИС) 3-го класса. Испытательная лаборатория — АО Центр «Атомзащитаинформ». Так, по состоянию на август 2024 года испытательная лаборатория завершила подготовку протоколов испытаний цифровой платформы CML-Bench^® на соответствие требованиям. После прохождения сертификации CML-Bench^® получит возможность обработки информации, относящейся к коммерческой тайне и сведениям для служебного пользования. Полностью завершить процесс планируется осенью 2024 года.

Расширение спектра применяемых CAx- и PLM-решений отечественных разработчиков путем интеграции на цифровой платформе, безусловно, ускорит процесс внедрения цифровой платформы CML-Bench^® на отечественные предприятия, а возможность обработки защищенной информации снимет некоторые ограничения при работе с оборонно-промышленным комплексом.

Практика применения цифровой платформы CML-Bench^®

По мере развития цифровая платформа CML-Bench^® из рабочего инструмента инженеров Экосистемы технологического развития СПбПУ превратилась в уникальный рыночный продукт, открывающий возможности широкого внедрения передовых цифровых технологий в разные экономические сферы, в особенности — отрасли высокотехнологичной промышленности. Это способствовало масштабированию и «тиражированию» платформы как в рамках расширяющейся Экосистемы технологического развития СПбПУ, так и за ее пределами.

Естественным шагом стало построение сети дистрибьюторов, первым представителем которой стал стратегический партнер ПИШ СПбПУ — ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab®), лауреат национальной промышленной премии Российской Федерации «Индустрия» в 2017 году, которое стояло у истоков создания и развития CML-Bench^®. ООО Лаборатория «Вычислительная механика» в мае 2024 года получила статус Генерального дистрибьютора цифровой платформы CML-Bench^® [22; 23].

Компания предоставляет комплексные услуги по обучению работе с платформой, технической поддержке пользователей и кастомизации продукта. Специалисты компании также обладают необходимыми компетенциями для формирования программно-аппаратных комплексов, оснащенных рядом программных систем инженерного анализа под управлением цифровой платформы CML-Bench^® в соответствии со всеми требованиями и отраслевой спецификой заказчика.

Кроме того, с июля 2024 года дистрибьютором цифровой платформы CML-Bench^® является ООО «ПЛМ Урал», один из крупнейших поставщиков САПР и расчетных программных систем в России и СНГ [24].

Целый ряд высокотехнологичных предприятий и образовательных организаций страны уже применяют цифровую платформу CML-Bench^® в проектной и научно-образовательной деятельности. Лицензии платформы поставлены промышленным и научно-исследовательским организациям, таким как АО «ОДК», ПАО «ОДК-Сатурн» (Госкорпорация «Ростех»), ООО «Центротех-Инжиниринг», АО «Прорыв» (Госкорпорация «Росатом»), Институт проблем безопасности развития атомной энергетики (ИБРАЭ) РАН, а также образовательным учреждениям, в числе которых — Тюменский государственный университет (ТюмГУ), Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева (Самарский университет), Белгородский государственный национальный исследовательский университет (НИУ «БелГУ») и др.

Цифровая платформа CML-Bench^® также выступает высокоэффективным инструментом для выполнения прорывных НИОКР. Например, в 2023 году успешно завершен проект государственного значения — разработка цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата [25], — реализованный с применением цифровой платформы CML-Bench^®.

Уникальный проект выполнен специалистами Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) ПИШ СПбПУ совместно со специалистами ПАО «ОДК-Сатурн» (АО «ОДК», Госкорпорация «Ростех») и Центрального института авиационного моторостроения имени П.И. Баранова по заказу Министерства промышленности и торговли Российской Федерации. В ходе выполнения проекта проведена масштабная кастомизация цифровой платформы CML-Bench^® под бизнес-процессы ПАО «ОДК-Сатурн», а также интегрированы в платформу в виде новых решателей инженерные методики и прикладное программное обеспечение собственной разработки и разработки ПАО «ОДК-Сатурн» [25], рис. 3. Суммарно в рамках проекта разработано более 380 высокоадекватных математических и компьютерных моделей и проведено более 1800 цифровых (виртуальных) испытаний деталей и узлов двигателя. Фактически сформировано новое научное направление, которое может выступать драйвером цифровой трансформации процессов разработки во всей отрасли двигателестроения.

Рис. 3. Функциональная схема реализации проекта по разработке цифрового двойника морского газотурбинного двигателя (МорГТД) на цифровой платформе CML-Bench^® (Источник: ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»)

Развитие цифровой платформы CML-Bench^® в области разработки беспилотных авиационных систем

Широкий спектр задач в области развития цифровой платформы CML-Bench^® также включает задачи по формированию в России конкурентоспособной отрасли беспилотных авиационных систем (БАС).

В 2023 году ПИШ СПбПУ активно включилась в реализацию Стратегии развития беспилотной авиации РФ на период до 2030 года и на перспективу до 2035 года (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 21 июня 2023 г. № 1630-р) [26], в план которой включено мероприятие 2.4 «Создание и развитие отечественной цифровой платформы в целях оптимизации методик проектирования беспилотных авиационных систем и их компонентов». В целях реализации данного мероприятия, а также в рамках Национального проекта по развитию БАС, ПИШ СПбПУ выполняет работы по созданию единой среды проектирования БАС на базе цифровой платформы CML-Bench^®. Содержательное наполнение цифровой платформы позволяет осуществлять разработку различных типов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА): самолетного и вертолетного типов, мультироторных систем, конвертопланов, гибридных БПЛА, объединяющих преимущества БПЛА разных типов, беспилотных гидросамолетов и самолетов-амфибий и т.д.

В 2023 году в инициативном порядке сотрудниками Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» в кратчайшие сроки (за 5 месяцев) разработан и изготовлен опытный образец БПЛА «Снегирь-1» [27]. В результате проведенных работ подготовлена производственная площадка для изготовления опытных образцов беспилотных летательных аппаратов.

В настоящее время завершена разработка усовершенствованной модели БПЛА «Снегирь-1.5» с гибридной компоновкой на основе сочетания мультироторной и самолетной схем (вертикальный взлет/посадка и горизонтальный полет) и изготовлен опытный образец, который будет представлен на Международном военно-техническом форуме «Армия-2024» в августе 2024 года. Технические характеристики БПЛА «Снегирь-1.5»:

• размах крыла — 4,32 м;
• максимальная взлетная масса — 15 кг;
• масса полезной нагрузки — 3 кг;
• площадка для взлета/посадки — 10´10 м;
• расчетная скорость полета — 200 км/ч;
• дальность полета на расчетной скорости — 200 км;
• время на выполнение расчетного полета — 70 мин.

В рамках проекта, направленного на создание и развитие системы построения цифровых (виртуальных) испытательных стендов и полигонов, проведение цифровых испытаний элементов беспилотных летательных аппаратов на базе единой цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench.БАС^тм, запланировано к разработке пять цифровых (виртуальных) полигонов, в их числе — ВИП «Аэродинамика», ВИП «Аэроупругость и нагрузки», ВИП «Прочность», ВИП «Металлические материалы» и ВИП «Композиционные материалы» (рис. 4). Суммарно за весь период реализации проекта по состоянию на август 2024 года разработано четыре ВИП, 12 ВИС и более 125 моделей, обеспечивающих разработку и проведение испытаний различных типов беспилотных летательных аппаратов.

Рис. 4. Цифровые (виртуальные) испытательные полигоны и стенды для проведения цифровых испытаний беспилотных летательных аппаратов на цифровой платформе CML-Bench^®, разрабатываемые в рамках реализации Стратегии развития беспилотной авиации РФ (Источник: ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»)

В 2024 году для адаптации цифровой платформы CML-Bench^® в отрасли БАС и развития CML-Bench.БАС^тм будут разработаны следующие программные модули: «База знаний» (компоненты: «Декомпозиция БПЛА», «Библиотека требований», «Свойства и модели материалов»), «Интеграция с ИТ-инфраструктурой» (компоненты интеграции с PLM- и CAx-решениями, с вычислительной инфраструктурой), «Цифровая сертификация» (компоненты: «Библиотека нормативно-справочной информации», «Сертификационный базис», «Методы определения соответствия»), «Проектирование».

Работы по формированию единой среды проектирования беспилотных летательных аппаратов на базе цифровой платформы CML-Bench^® ведутся в соответствии с национальным стандартом ГОСТ Р 57700.37—2021, что принципиально важно — включенным в перечень взаимно признаваемых стандартов в сфере авиастроения между Китайской Народной Республикой и Российской Федерацией.

Стоит отметить, что наряду с затратами на разработку и производство БПЛА организации вынуждены тратить значительные средства на сертификацию. Так, в 2023 году затраты только на сертификацию БАС-200 (тяжелый БПЛА вертолетного типа, предназначенный для транспортировки грузов до 50 кг), разработанного Национальным центром вертолетостроения имени М.Л. Миля и Н.И. Камова (АО «НЦВ Миль и Камов», входит в Госкорпорацию «Ростех») [28], составили 142 млн руб., из них 109,5 млн руб. ушло на услуги экспертов сертификационного центра, а 32,5 млн руб. — на создание опытных образцов и летные испытания [29; 30]. Процесс сертификации занял более полутора лет. Суммарно на создание опытных образцов и стендовой базы, проведение натурных испытаний и сертификации БАС-200 потрачено более 1 млрд руб. [31].

Таким образом, высокая стоимость разработки, производства, испытаний и сертификации беспилотных летательных аппаратов — наиболее существенный барьер развития отрасли беспилотной авиации.

За счет проведения большого числа цифровых (виртуальных) испытаний, в том числе на специализированных цифровых (виртуальных) стендах и полигонах на цифровой платформе CML-Bench^®, становится возможным на практике реализовать «цифровую сертификацию» — специализированный бизнес-процесс, основанный на тысячах (десятках тысяч) цифровых (виртуальных) испытаний как отдельных компонентов, так и системы в целом. Целью цифровой сертификации является прохождение с первого раза всего комплекса натурных, сертификационных и прочих испытаний (в соответствии с Распоряжением Правительства Российской Федерации от 7 ноября 2023 года № 3113-р об утверждении стратегического направления в области цифровой трансформации обрабатывающих отраслей промышленности, относящейся к сфере деятельности Министерства промышленности и торговли Российской Федерации) [3; 12; 32; 33]. Это значительно сокращает сроки и стоимость вывода на рынок новых типов БПЛА, обеспечивает соответствие Федеральным авиационным правилам, в том числе требованиям летной годности, и является необходимым условием для формирования конкурентоспособной отрасли БАС в России.

Образовательная подсистема CML-Bench^®.EDU

Отдельное направление развития цифровой платформы CML-Bench^®, получившее заметный рост в 2023-2024 годах, — разработка уникальных образовательных инструментов для подготовки системных инженеров нового поколения [34]. Так, широко применяется образовательная подсистема CML-Bench^®.EDU, позволяющая интегрировать компьютерные тренажеры для обучения и оценки компетенций молодых инженеров, отрабатывать и совершенствовать определенные навыки, такие как планирование и принятие решений, решение проблем внутри различных бизнес-процессов, управление временем и т.д. (рис. 5).

Рис. 5. Преимущества цифровых тренажеров, интегрированных в образовательную подсистему
CML-Bench^®.EDU (Источник: ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»)

Цифровые тренажеры относятся к передовым инструментам, отвечающим потребностям современных пользователей, которые адаптированы к виртуальной среде и требуют иных методик для поддержания уровня вовлеченности и мотивации к обучению. Тренажеры позволяют усовершенствовать методики обучения с помощью гибкой архитектуры симуляторов, геймификации интерфейса и широкого набора параметров для реализации индивидуального подхода к каждому обучающемуся. В настоящее время в рамках подсистемы CML-Bench^®.EDU интегрировано пять цифровых тренажеров:

•  «Бережливое производство» (Lean Manufacturing). Это флагманский продукт, положивший начало созданию и масштабированию линейки тренажеров для обучения студентов, реализации корпоративных программ дополнительного профессионального образования для сотрудников индустриальных партнеров вуза, а также проведения профессиональных соревнований. Цифровой тренажер представляет собой онлайн-платформу для усвоения навыков, инструментов и основ бережливого производства при помощи практических решений на симуляторе;
•  «Новый индустриальный вызов». Это тренажер командного типа, который имитирует модель цепочки создания ценности кастомизированного продукта на предприятии — от инжиниринга на основе выявленных требований рынка до утилизации продукта на основе принципов циркулярной экономики в формате пошаговой стратегии;
•  «Бережливый университет». Тренажер предназначен для освоения комплексного подхода к внедрению бережливых технологий в бизнес-процессы университета, обучения навыкам выявления потерь в деятельности, а также инструментам и подходам к их минимизации. Программа обеспечивает моделирование деятельности виртуального университета — разработки и реализации нескольких программ магистратуры. Прохождение тренажера позволяет продемонстрировать эффекты внедрения инструментов Lean как на уровне отдельных офисных процессов, так и на уровне образовательной программы;
•  «Цифровые технологии в ТЭК». Инструменты данного тренажера дают возможность сформировать общее представление о процессе внедрения цифровых технологий в компании топливно-энергетического комплекса. Прохождение программы повышает уровень организации бизнес-процессов, готовности сотрудников к изменениям и развитию их цифровых компетенций. В рамках тренажера предполагается применение сценарного подхода для приоритезации изменений;
•  «Цифровые компетенции в энергетике». Цифровой тренажер позволяет моделировать обучающие кейсы внедрения цифровых проектов в компании, занимающиеся генерацией и сбытом электроэнергии. В тренажере предусмотрено прохождение четырех блоков: цифровая стратегия и культура, проектное управление, цифровые двойники, цифровая трансформация.

Цифровые тренажеры широко используются Центром дополнительного профессионального образования ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг» в программах ДПО для индустриальных партнеров университета — лидеров промышленности России: ПАО «Т Плюс», АО «ОДК», ПАО «ОАК» и других компаний. Кроме того, разработанные тренажеры были включены в качестве отдельного трека «Организация эффективного производства БАС» в программе проектно-образовательного интенсива «Архипелаг 2024», прошедшего в июле 2024 года [35; 36], а также вошли в состав образовательной программы «Крылья Ростеха», реализуемой совместно Госкорпорацией «Ростех» и Московским авиационным институтом [37].

В ближайшее время цифровая платформа CML-Bench^®.EDU появится на образовательных рынках Азербайджана, Армении, Беларуси, Казахстана, Киргизии, Монголии, Таджикистана, Туркменистана, Узбекистана и других стран.

Формирование интеллектуального и научно-технологического задела

Цифровая платформа CML-Bench^® представляет собой не только систему управления требованиями, изменениями, конфигурациями, проектами, но также знаниями, компетенциями и лучшими практиками. Так, в настоящее время на цифровой платформе накоплено более 330 тыс. цифровых и проектных решений. Это обеспечивает преемственность результатов работы инженеров по целому комплексу проектов. Специалисту, который впервые подключается к платформе, не требуется начинать все «с нуля»: в его распоряжении — многолетний научно-технологический задел, интеллектуальный потенциал организации, накопленный в цифровом виде (Digital Brainware).

Такие же возможности получают выпускники Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» по направлению подготовки «Прикладная механика», которые на базе платформы CML-Bench^® на протяжении двухлетнего обучения в магистратуре выполняют НИОКР, реализуемый по заказу и в интересах индустриального партнера, под руководством двух наставников — инженера ПИШ СПбПУ и наставника со стороны индустриального партнера.

В 2023 году платформу дополнил новый инструмент формирования «цифрового следа» студента. Фактически «цифровой след» содержит данные о том, какие инженерные и научно-технологические задачи студент решал в ходе обучения в магистратуре ПИШ, какие математические и компьютерные модели разрабатывал, в каком инженерном программном обеспечении выполнял расчеты и многовариантные цифровые (виртуальные) испытания. Вся работа студентов над проектом, так же как и проекты ПИШ СПбПУ, реализуется на цифровой платформе
CML-Bench^® в соответствии с основными положениями национального стандарта ГОСТ Р 57700.37—2021.

Данный функционал платформы позволяет оценить реальные компетенции и практические навыки студента. В 2024 году выпускники ПИШ СПбПУ впервые получили сертификаты приобретенных профессиональных компетенций и достижений выпускника, подтверждающие «цифровой след» студента, в качестве приложения к диплому государственного образца (рис. 6).

Рис. 6. Пример сертификата приобретенных профессиональных компетенций и достижений, выданного выпускнику магистратуры Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» (Источник: ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг»)

Заключение

Таким образом, Экосистема технологического развития СПбПУ предлагает цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников
CML-Bench^® как высокоэффективный инструмент для управления процессами и данными компьютерного моделирования и обладает многолетним опытом в следующих областях:

• разработка и применение цифровой платформы CML-Bench^®;
• реализация мультидисциплинарных проектов в области цифрового проектирования и моделирования изделий высокотехнологичной промышленности высокого уровня сложности;
• развертывание цифровой платформы CML-Bench^® в деятельности промышленных предприятий и кастомизации модулей платформы в соответствии с отраслевой спецификой компаний;
• внедрение цифровой платформы CML-Bench^® в научно-исследовательский и образовательный процесс;
• дистрибьюции инженерного программного обеспечения и его интеграции в процессы проектирования на основе цифровой платформы CML-Bench^® и др.

Список источников:

1.   ГОСТ Р 57700.37—2021 Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения. URL: https://protect.gost.ru/document.aspx?control=7&id=241313 (дата обращения: 01.08.2024).
2.  Китай официально признал российский ГОСТ Р 57700.37—2021 «Компьютерные модели и моделирование. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ ИЗДЕЛИЙ. Общие положения» — FEA.RU | CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/news/8683 (дата обращения: 05.08.2024).
3.  Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins)
   CML-Bench^® (часть 1) / А.И. Боровков [и др.] // САПР и графика. 2023. № 8. С. 42-51.
4.  Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности: монография / А.И. Боровков [и др.]; ред. А.И. Боровков. СПб: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022. 492 с.
5.  ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab® LLC) — FEA.RU | CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/article/compmechlab-ltd (дата обращения: 01.08.2024).
6.   Приказ Минцифры России от 16.02.2021 № 84 «О формировании и ведении единого реестра российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных и единого реестра программ для электронных вычислительных машин и баз данных из государств — членов Евразийского экономического союза, за исключением Российской Федерации». URL: https://legalacts.ru/doc/prikaz-mintsifry-rossii-ot-16022021-n-84-o-formirovanii/ (дата обращения: 28.07.2024).
7.   Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® — Реестр программного обеспечения. URL: https://reestr.digital.gov.ru/reestr/310460/?sphrase_id=1514023 (дата обращения: 28.07.2024).
8.  Премия Digital Leaders Award — 2024: Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» стала обладателем в номинации «Импортозамещение: продукт года» за разработку Цифровой платформы CML-Bench^® | ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг». URL: https://pish.spbstu.ru/news/8860 (дата обращения: 01.08.2024).
9.  Боровков  А.И. Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins) CML-Bench^® (часть 2) / А.И. Боровков, В.В. Бураков  // САПР и графика. 2023. № 9. С. 54-64.
10. Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins)
    CML-Bench^® (часть 3) / А.И. Боровков [и др.] // САПР и графика. 2023. № 10. С. 50-62.
11. Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins)
    CML-Bench^® (часть 4) / А.И. Боровков [и др.] // САПР и графика. 2024. № 5. С. 4-12.
12. Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников (Digital Twins)
    CML-Bench^® (часть 5) / А.И. Боровков [и др.] // САПР и графика. 2024. № 7. С. 4-16.
13. Программная система ELCUT интегрирована в Цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® —
    FEA.RU | CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/news/8666 (дата обращения: 29.07.2024).
14. Программная система ELCUT интегрирована в Цифровую платформу по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®. URL: https://sapr.ru/news/20231113-elcut (дата обращения: 29.07.2024).
15. Разработчики Петербургского Политеха решили проблему переноса данных с иностранного ПО для крупнейших корпораций России. URL: https://sapr.ru/news/20230914-cml-bench (дата обращения: 26.07.2024).
16. Цифровая платформа CML-Bench^® легла в основу системы «УРАНИЯ», внедряемой на предприятиях госкорпорации «Росатом» | ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг». URL: https://pish.spbstu.ru/news/8878 (дата обращения: 25.07.2024).
17. Цифровая платформа CML-Bench^® легла в основу системы «УРАНИЯ», внедряемой на предприятиях Росатома. URL: https://sapr.ru/news/20240704-uraniya (дата обращения: 26.07.2024).
18. Проект «Прорыв». URL: https://www.tvel.ru/activity/project-proryv/ (дата обращения: 06.08.2024).
19. Самарский А.А. Математическое моделирование и вычислительный эксперимент // Избранные труды А.А. Самарского / ред. А.В. Гулин, В.И. Дмитриев. М.: МАКС Пресс, 2003. С. 469-486.
20. Операционные системы | Astra Linux. URL: https://astralinux.ru/os/ (дата обращения: 02.08.2024).
21. СУБД Postgres Pro Enterprise Certified: Компания Postgres Professional. URL: https://postgrespro.ru/products/postgrespro/enterprisecertified (дата обращения: 06.08.2024).
22. ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab®) — генеральный дистрибьютор Цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^® — FEA.RU |
    CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/news/8869 (дата обращения: 30.07.2024).
23. ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (CompMechLab®) — генеральный дистрибьютор Цифровой платформы по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench^®. URL: https://cml-software.ru/news/generalnyj-distribyutor (дата обращения: 30.07.2024).
24. О Группе компаний «ПЛМ Урал» | Группа компаний «ПЛМ Урал». URL: https://www.plm-ural.ru/o-gruppe-kompaniy-plm-ural (дата обращения: 30.07.2024).
25. Исследовательские работы по разработке экспериментальной технологии создания цифрового двойника морского газотурбинного двигателя и редуктора в составе агрегата (2021-2023 гг.)
    FEA.RU | CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/project/253 (дата обращения: 31.07.2024).
26. Правительство утвердило Стратегию развития беспилотной авиации до 2030 года. URL: http://government.ru/docs/48875/ (дата обращения: 05.08.2024).
27. Итоги деятельности в 2023 году структурных подразделений Экосистемы технологического развития СПбПУ — FEA.RU | CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/news/8717 (дата обращения: 31.07.2024).
28. БАС-200: беспилотный вертолет. URL: https://rostec.ru/news/bas-200-bespilotnyy-vertolet/ (дата обращения: 06.08.2024).
29. Минтранс РФ установил ценовой предел для сертификации беспилотников до 30-70 млн руб. URL: https://www.interfax.ru/russia/898017 (дата обращения: 06.08.2024).
30. Сертификация БАС обходится в 150 млн рублей. URL: https://dronus.ru/news/sertifikatsiya-bespilotnika (дата обращения: 06.08.2024).
31. Совещание по развитию беспилотной авиации • Президент России. URL: http://kremlin.ru/events/president/news/71016 (дата обращения: 06.08.2024).
32. Боровков А.И. Цифровые двойники: определение, подходы и методы разработки / А.И. Боровков, Ю.А. Рябов // Цифровая трансформация экономики и промышленности: сборник трудов научно-практической конференции с зарубежным участием. 2019. С. 234-245.
33. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 07.11.2023 г. № 3113-р. URL: http://government.ru/docs/all/150406/ (дата обращения: 25.07.2024).
34. Компьютерные тренажеры СПбПУ на Цифровой платформе CML-Bench^®.EDU для обучения и оценки компетенций | ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг». URL: https://pish.spbstu.ru/news/8776 (дата обращения: 01.08.2024).
35. Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» проведет трек «Организация эффективного производства БАС» на проектно-образовательном интенсиве «Архипелаг 2024» | ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг». URL: https://pish.spbstu.ru/news/8806 (дата обращения: 01.08.2024).
36. #НастоящееБудущее: представители Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг» приняли участие в работе проектно-образовательного интенсива «Архипелаг 2024» на Сахалине — FEA.RU | CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/news/8903 (дата обращения: 06.08.2024).
37. Цифровой тренажер «Бережливое производство», разработанный в ПИШ СПбПУ, стал частью образовательной программы «Крылья Ростеха» — FEA.RU | CompMechLab — разработка и применение цифровых двойников (digital twin), цифровое проектирование, CAD/CAE/CAM/CAO/HPC. URL: https://fea.ru/news/8898 (дата обращения: 01.08.2024).