Цифровые двойники социо-технических систем

Актуальность анализа особенностей цифровых двойников (ЦД), как современного инструмента создания и управления производственными объектами, подтверждается накопленным опытом разработки и внедрения ЦД в отечественных отраслях промышленности и показателями динамики использования ЦД в различных регионах мира, которые существенно опережают показатели развития промышленности и тесно с ними связаны. Данному направлению посвящено отдельное направление БК АПИ «Международная конкурентоспособность, развиваемого в тесном взаимодействии с Госкорпорацией «Росатом» и компанией IRP Technology, которую благодарим за предоставление визуальных материалов.

Отличительной особенностью цифровых двойников, определяющей их как качественно новый инструмент, позволяющий значительно повысить показатели эффективности при разработке и управлении производственными объектами, является функционал цифровых двойников, предоставляющий всем участникам процессов жизненного цикла объектов ЦД (пользователям ЦД) возможность совместно формировать и использовать общую базу данных/знаний, актуализируемую в реальном времени и наследуемую при переходе между этапами жизненного цикла (ЖЦ) объекта управления. В состав «всех участников процессов ЖЦ» применительно к объектам ядерной энергетики (ОЯЭ) входят конструкторы, специалисты по ядерной физике, теплофизике, химии, материаловедению, экономике, строительству, закупкам, кадрам, стратегическому управлению, иным направлениям, государственные органы регулирования и надзора. Частным случаем междисциплинарного взаимодействия является область мультифизических процессов, охватывающая в атомной энергетике (АЭ) связанные между собой данные о геометрии, зависимости в теплофизике, ядерной физике, химических и иных процессах. Цифровой двойник является инструментом, опирающимся на новые и постоянно развивающиеся возможности в областях суперкомпьютерного моделирования, обработки и представления данных, включая алгоритмы искусственного интеллекта, при этом качественная новизна ЦД, в первую очередь, определяется возможностями его пользователей эффективно работать в среде междисциплинарного взаимодействия.

Дополнительная характерная особенность ЦД связана с вопросом об отнесении разработки и внедрения ЦД к области полномочий и ответственности специалистов по информационным технологиям (ИТ). Примеры из мировой практики и отечественной промышленности подтверждают, что новый этап развития ИТ действительно создал предпосылки для развития ЦД, совместно с развитием математических методов ИТ предоставили новые возможности, но потенциал прикладного использования ЦД определяется, в первую очередь, квалификацией работы и составом полномочий специалистов в предметных областях: физике, химии, инженерных науках, безопасности, экономике, социологии, а также в управлении междисциплинарными, в том числе мультифизическими процессами. Актуальность последнего направления объясняет приоритетное внимание, уделяемое за рубежом развитию положений системного инжиниринга, российским аналогом которого является область теории межсистемного взаимодействия.

Сложившиеся формулировки определений и опыт внедрения ЦД подтверждают основные характерные особенности ЦД и позволяют выделить в качестве первоочередной задачи, требующей решения перед началом разработки и внедрения ЦД, необходимость принятия согласованной позиции о базовых целевых показателях (БЦП) объекта ЦД, которые планируется достичь в результате его внедрения. Отдельным направлением работы БК АПИ «Международная конкурентоспособность» является разработка и внедрение ЦД для перспективных объектов ядерной энергетики.

Актуальные направления повышения эффективности управления ОЯЭ для атомных станций малой мощности (АСММ), больших промышленных АЭС, перспективных энергоустановок четвертого поколения, исследовательских реакторов, достижения стратегических целей отраслевого развития, а также анализ первопричин возникающих вызовов в АЭ в разрезе смены промышленно-технологичных этапов отраслевого развития, получивших название «Атомный проект 1.0» и «Атомный проект 2.0», позволяют обосновать состав задач, требующих решения в результате комплексного внедрения ЦД ОЯЭ. При реализации программ по разработке и внедрению ЦД целесообразно использовать сложившиеся в АЭ практики по определению состава пользователей ЦД ОЯЭ, структуры ЦД ОЯЭ, апробированные модели управления БЦП (конкурентоспособностью), обеспечивающие прогнозирование показателей объекта ЦД в сравнении с конкурентами и альтернативными решениями.

Накопленный опыт успешного применения принципов ЦД для достижения отдельных целевых показателей ОЯЭ демонстрируют примеры проекта АО «ВНИИАЭС» в 2010-2012 годах по реализации функции инженера-архитектора ВВЭР-ТОИ, создания виртуально-цифровой АЭС (ВЦАЭС) под научным руководством С.Л. Соловьева, реализованные этапы взаимодействия между Ростехнадзором и предприятиями Госкорпорации «Росатом» при экспертизе комплексных научно-технических решений в развитие рекомендаций НТС Ростехнадзора по предыдущему докладу авторов, выполнение АО «ВНИИАЭС» этапов проекта по созданию ЦД АСММ, разработок НИУ ВШЭ и ООО «АйЭрПи Текнолоджи» структуры интерфейсов, модуля управления БЦП ЦД (МУБЦП) и его алгоритмов.

Отдельного внимания заслуживает опыт реализации АО «ВНИИАЭС» совместно с предприятиями Госкорпорации «Росатом» проектов в области мультифизического моделирования, примерами которых являются работы по ЦД вентиляции герметичной оболочки атомной электростанции (АЭС) с ВВЭР для Нововоронежской АЭС, решения на базе ЦД в рамках реализации комплексной программы водородной безопасности, применение технологий виртуальной реальности, разработка на основе ЦД структурно подобного стенда для реакторной установки (РУ) БРЕСТ ОД 300, участие в координированных исследовательских проектах МАГАТЭ.

Прогнозируемый экономический эффект в результате комплексного внедрения ЦД для энергетического направления Госкорпорации «Росатом» оценивается более чем 500 (Пятьсот) миллиардов рублей на десятилетнем периоде в ценах 2022 года при условии достижения требуемого уровня и состава ключевых компетенций в области научно-технической поддержки эксплуатации и развития ОЯЭ, обоснованных представителями ведущих отраслевых предприятий совместно с НИУ ВШЭ по поручению руководства Госкорпорации «Росатом». При этом, для целей разработки и управления ОЯЭ:

цифровые двойники, в первую очередь, должны служить средством аккумулирования знаний об объекте управления на всех стадиях его жизненного цикла;
цифровые двойники могут стать инструментом системной оценки конкурентоспособности и принятия решений о целесообразности разработки и сооружения ОЯЭ, обоснования мер импульса (значимости), направлений перспективного развития, поддержки верификации и оптимизации проектных решений, а также поддержки разработки и валидации новых норм безопасности для перспективных ОЯЭ;
цифровые двойники, при условии аттестации кодов могут стать беспристрастным независимым арбитром оценки новых норм проектирования и новых норм и правил для инновационных ОЯЭ.

В рамках реализации проектных работ кафедра многие годы организовывает взаимодействие студентов и молодых специалистов с представителями наших индустриальных партнеров. Разработка и внедрение цифровых двойников социотехнических систем является перспективным направлением развития карьеры и широко востребовано на рынках труда.