CC BY-NC
49
СЕКЦИЯ 7
Информационные технологии в судостроении
Б01: 10.24937/2542-2324-2019-2-8-1-233-238 УДК 061.1:004.9+681.5
А.Е. Таранов, М.А. Скулябин, Ю.С. Алексеев
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ПОДХОДЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ЦИФРОВИЗАЦИИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КРЫЛОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА
Проанализированы приоритетные направления и определены первоочередные задачи цифровизации деятельности Крыловского государственного научного центра - развитие систем управления информацией предприятия и повышение доли и качества инженерного анализа. Сформулирован комплекс первоочередных работ по данным направлениям. Ключевые слова: цифровизация, численное моделирование, информационные технологии, цифровое производство.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
SECTION 7
Information technologies in shipbuilding
DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-233-238 УДК 061.1:004.9+681.5
A. Taranov, M. Skulyabin, Yu. Alexeev
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
DIGITIZATION OF KSRC ACTIVITIES: APPROACHES AND FIELDS
This paper analyses key fields and identifies primary tasks in digitization of KSRC activities: development of information management system and enhancing the share and quality of engineering analysis, with enumeration of most urgent measures to be taken.
Keywords: digitization, numerical simulation, information technologies, digital enterprise.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
В последние несколько лет сложился мировой тренд на перевод бизнес-процессов в цифровое информационное пространство. В России в 2017 г. утверждена «Стратегия развития информационного общества РФ на 2017-2030 годы». В числе ее целей - формирование и развитие цифровой экономики. Одним из ключевых компонентов цифровой экономики является цифровизация бизнес-процессов - формирование «цифровых предприятий». В настоящей статье дается
краткое описание подходов и направлений цифровизации деятельности Крыловского государственного научного центра.
Крыловский государственный научный центр -не имеющая аналогов научно-исследовательская головная организация отечественной судостроительной промышленности, которая осуществляет научное и техническое сопровождение проектирования, строительства и эксплуатации объектов мор-
Для цитирования: Таранов А.Е., Скулябин М.А., Алексеев Ю.С. Подходы и направления цифровизации деятельности Крыловского государственного научного центра. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 233-238.
For citations: Taranov А.Е., Skulyabin M.A., Alekseev Yu.S. Digitization of KSRC activities: approaches and fields. Transactions of the Krylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 233-238 {in Russian).
ской техники (МТ). Центр обладает единственной в судостроительной отрасли комплексной экспериментальной базой, обеспечивающей практически любые исследования в интересах судостроения и оборонно-промышленного комплекса. Находясь на передовых рубежах отечественного судостроения, Крыловский центр уделяет вопросам цифровизации повышенное внимание.
Процесс автоматизации, продолжавшийся много десятилетий, переходит в форму глубокой трансформации предприятий на основе массового внедрения информационно-коммуникационных и вычислительных технологий (цифровизация предприятий), создавая интеграционную среду внутри предприятий и между ними, формируя ключевые условия для повышения эффективности работы и синергетического эффекта.
К настоящему времени сложились три группы основных элементов цифрового предприятия, не зависящие ни от отрасли, ни от геополитических особенностей, и представляющие собой современный набор общепризнанных базовых компонентов для эффективного функционирования предприятия.
Первая группа - поддержка технологий проектирования продукции. Сюда относятся:
■ системы управления научно-технической информацией предприятий;
■ конвергенция цифрового и физического в разрабатываемом продукте;
■ инженерный анализ;
■ цифровой реверс-инжиниринг;
■ цифровые двойники (полная информационная модель) выпускаемого продукта.
Ко второй группе, группе цифровых элементов производства, относятся:
■ повышение энергоэффективности производственных предприятий;
■ цифровое управление ресурсами и логистикой;
■ аддитивное производство для модельных испытаний и прототипирования;
■ автоматизированные рабочие места (роботизированное производство);
■ формирование цифровых моделей производств -цифровых двойников предприятий;
■ производственная система с работающими технологиями бережливого производства.
В третью группу включаются элементы управления предприятием:
■ отраслевая и межотраслевая кооперация;
■ систематизация, накопление, защита и многократное использование нематериальных активов и интеллектуальной собственности;
■ учебные производственные центры;
■ трансфер технологий;
■ профессиональное управление проектами;
■ управление качеством продукции и процессов. Если мы, как представители судостроительной отрасли, сосредоточимся на нашем технологическом поле и примем во внимание особенности жизненного цикла объектов МТ, то сможем сложить из этих базовых элементов цифровой промышленности более привычную и понятную в судостроении картину (рис. 1).
В задачах цифровизации этапов жизненного цикла объектов МТ можно выделить следующие:
■ Цифровизация на стадиях создания научно-технического задела, разработки проекта, мо-
Рис. 1. Элементы цифрового предприятия, обеспечивающие жизненный цикл объекта морской техники
Fig. 1. Elements of digital enterprise ensuring lifecycle of marine engineering object
Создание HT3 [технологий)
Проектирование облика объектов
Комплексные испытания объекта
Производство
Эксплуатация
объектов
Запрос на создание инновационных объектов морской техники и ВВСТ
Имитационное моделирование
Моделирование физических процессов
Управление производством
Технологическая подготовка
Роботизированное производство
Испытания
Цифровой НИИ (CAD, CAE, НРС, RE, PDM, PPM}
Цифровое КБ K^pi Цифровая верфь jElJ Цифровая эксплуатация
РЩШШЙЯИиИНЯР (ЕЙРЖГЗ^С^^ (1ЕГМ) |
Инновационная модель объекта МТ (ВВСТ} ОСНОВА ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА
Поиск оптимальных параметров и характеристик объектов.
Проработка ^^ вариантов схе/^^ * конструкций. £ .
ЦИФРОВОЙ
Инновационный объект МТ {ВВСТ}
Традиционный объект МТ (ВВСТ)
A.E, Taranov, M.A, Skulyabin, Yu.S.AIekseev. Digitization of KSRC activities: approaches and fields
дельных испытаний, выпуска конструкторской документации, планово-технологической и эксплуатационной документации. Практически для всех стадий применима виртуализация объектов (электронных моделей) и процессов на основе математического моделирования.
■ Цифровизация строительства (производства) объектов, для решения задач которой в настоящее время разработано и применяется достаточное количество систем автоматизации - система управления ресурсами предприятия (ERP), система управления и оптимизации производственной деятельности (MES), система планирования потребностей в материалах (MRP), средства технологической подготовки производства изделий (САМ/САРР), роботизация и т.д.
■ Цифровизация на стадии приемо-сдаточных испытаний: автоматизация сбора и обработки данных и виртуализация отдельных видов испытаний (с заданными натурными условиями).
■ Материально-техническое обеспечение, эксплуатация и ремонт объектов - самый длительный этап жизненного цикла. Цифровизация ведется в части повышения класса автоматизации систем управления объектами и степени их интегрированности с обеспечивающими системами, применения электронной эксплуатационной документации, интерактивных электронных руководств, использования эксплуатационной и ремонтной цифровых моделей объектов. В развитии концепции цифровых двойников объектов сбор цифровой статистической информации от интегрированных систем, систем диагностики и мони-торинга состояний элементов объекта становится просто необходимым.
Учитывая место и роль Крыловского научного центра в жизненном цикле объектов МТ, а также его миссию, мы выделяем два ключевых направления цифровизации нашего предприятия.
Первое - это система управления информацией предприятия, присущая любому современному предприятию. Как правило, она многогранна и состоит из таких ключевых подсистем, как управление ресурсами предприятия, управление инженерными данными, система производственного планирования, система электронного документооборота и т.д.
Второе ключевое направление для Крыловского центра - это инженерный анализ, тесно сопряженный с экспериментальными исследованиями. Во всем мире цифровое моделирование
работы создаваемого оборудования значительно сокращает сроки разработки и выпуска продукта. Различные способы моделирования - от физических процессов и отдельных сборочных единиц до технологических процессов и производства в целом - сегодня широко используются во всех ведущих производственных пред-приятиях, обеспечивая их отраслевое лидерство.
Сосредоточившись на данных первоочередных направлениях, мы можем выделить основные цели цифровой трансформации судостроительной науки, а именно:
■ сохранение, систематизация и доступность накопленной за последние десятилетия базы знаний судостроительной отрасли путем перевода ее в цифровое информационное пространство;
■ снижение относительной доли физического моделирования в исследовательских и проектных работах, оптимизация экспериментальной базы и снижение расходов на ее содержание;
■ повышение качества проектируемых объектов МТ за счет автоматизации и оптимизации исследовательских и проектных процессов;
■ снижение рисков утраты компетенции по направлениям из-за кадровых или инфраструктурных потерь;
■ существенное повышение интегральной экономической эффективности работы Крыловского центра.
Достижение поставленных целей может быть обеспечено проведением работ по оцифровке и интеграции существующей научной базы знаний Крыловского научного центра. В ходе работы по структурированию существующего научно-технического задела, по оцифровыванию информации, существующих методик и технологий проведения экспериментов будет создано значительное количество цифровых данных, математических моделей, вычислительных технологий. Безусловно, это потребует единого информационного пространства для работы, хранения и обеспечения защищенного доступа к массиву данных, учитывающего специфику структуры информации с выделением в ней научно-исследовательской и опытно-конструкторской составляющих, связывающего методологию оценки уровня готовности технологий и их привязку к создаваемым объектам. [1]
Кроме этого требуется усиление роли и повышение качества инженерного анализа в бизнес-процессах Крыловского научного центра, в том
«Цифровой научный центр судостроения»
Пилотный проект на 2019-2022 годы
ОЦИФРОВКА И ИНТЕГРАЦИЯ БАШ ШАНИН
Втпоч or I It.l ь н ы г справочники и классификаторы
Автоматизированная Система Управления^ ! Инженерными Данными (АСУИД)
числе за счет применения следующих типов численного моделирования:
1. Ситуационное моделирование:
■ прогнозирование развития МТ и технологий судостроения;
■ программно-целевое планирование развития МТ и технологий, обеспечивающих создание МТ;
■ моделирование функционирования и оценка эффективности целевого применения существующей и перспективной МТ в современных и прогнозируемых условиях ее использования.
2. Имитационное моделирование:
■ формирование рационального облика перспективных образцов МТ и их компонент, а также требований к технологической базе, обеспечивающей создание МТ;
■ проверка возможности создания изделия с заданными характеристиками на основе существующих образцов и технологий;
■ создание тренажерных комплексов.
3. Моделирование физических процессов и явлений:
■ получение новых знаний о физических процессах, лежащих в основе функционирования объектов МТ;
■ исследования свойств новых конструкций при проведении необходимых научно-исследовательских работ;
■ оптимизация свойств конструкций при сохранении необходимых ограничений;
■ расчетная проверка свойств и характеристик деталей, узлов и систем на стадии рабочего проектирования.
Рис. 2. Схема пилотного проекта «Цифровой научный центр судостроения»
Fig. 2. Flow chart of pilot project Digital centre of shipbuilding science
4. Виртуальные испытания - численное моделирование, выполняющееся для строго заданных натурных условий. Виртуальные испытания могут использоваться на тех же этапах, что и натурные, при этом обеспечивая экономический эффект за счет:
■ минимизации числа прототипов и количества натурных испытаний;
■ оптимизации программ испытаний (стендовых, ходовых и т.д.);
■ построения и поддержки функционирования концепции цифровых двойников.
Переходя от стратегического планирования к тактическим задачам, можно определить карту перспективных работ по первоочередным направлениям цифровизации нашей деятельности. Работы в ней сгруппированы в четыре блока:
■ создание единого цифрового пространства предприятия для эффективного управления информацией;
■ развитие цифрового проектирования и прото-типирования (CAD/CAM);
■ компьютерный инжиниринг (CAE);
■ отдельно выделяемая из компьютерного инжиниринга группа работ на основе суперкомпьютерных вычислений.
Но даже при проведенном редуцировании целей и задач в области цифровизации фронт работ оказывается значительным по временным и финансовым затратам. Чтобы последовательно и взвешенно приступить к этому процессу, нами было отобрано несколько научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), которые сложились в пилотный проект «Цифровой научный центр судостроения» (рис. 2).
A.E. Taranov, М.А. Skulyabin, Yu.S.AIekseev. Digitization of KSRC activities: approaches and fields
ЦИФРОВОЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР СУДОСТРОЕНИЯ (ЦНЦС)
Заказник Цифровое КБ 4 Цифровой двойник ОМТ Цифровое производство
Задачи для
ЙЗЗЗ научного
J центра
Рис. 3. Место цифрового научного центра в жизненном цикле объекта морской техники
Fig. 3. Place of digital scientific centre in the lifecycle of marine engineering object.
В рамках данного проекта предлагается создание ряда программных комплексов (виртуальных лабораторий) для автоматизированного численного моделирования физических процессов (для ряда задач - частично автоматизированного) и проектных расчетов в области судостроения на основе актуальных методик, информационной базы данных стендовых, лабораторных и натурных испытаний и результатов ранее выполненных фундаментальных исследований иНИОКР. Второй блок работ связан с оцифровкой и интеграцией существующей базы знаний предприятия в рамках защищенной системы управления инженерными данными. Оцифрованные данные многолетних экспериментов и данные натурных испытаний позволят сформировать и развивать технологии проведения экспериментов, постепенно смещая акцент от физических исследований к виртуальным. К созданию виртуальных лабораторий, оцифровке базы знаний и научно-исследовательских процессов готовы направления гидродинамики, физических полей, судовой электроэнергетики и др.
Данные мероприятия относятся к обеспечению начальных этапов жизненного цикла объектов МТ (рис. 3). В первую очередь, речь идет о новом качестве проектных работ, переходе к сквозной цифро-визации жизненного цикла высокотехнологичных объектов МТ, в том числе за счет взаимодействия с Заказчиком через поэтапно формируемого цифрового двойника объекта на основе математических моделей с высоким уровнем адекватности.
Примером успешных комплексных решений в этом направлении является интегрированная среда гидродинамического проектирования, разработанная в США в интересах ВМФ [2]. Интегрированная среда позволяет решать мультидисциплинарные задачи,
Наулпо-кадровмй поте пц нал
реализует согласованный и квалифицированный инструментарий, объединяет доверенные источники исходных данных и библиотеки типовых решений. Другим современным решением является «Цифровой бассейн», разрабатываемый в КНР с 2017 г. консорциумом из шести НИИ и Китайского классификационного общества [3].
Заключение
Conclusion
Обострение конкуренции заставляет производителей повышать эффективность всех бизнес-процессов. Ключевым бизнес-процессом Крыловского центра является создание востребованного судостроительной отраслью научно-технического задела. Мировой опыт показывает, что один из инструментов создания такого научно-технического задела - численное моделирование, роль которого с развитием вычислительных технологий стремительно возрастает во всем мире [4-7].
Дальнейшее повышение эффективности деятельности предприятия невозможно без учета мирового опыта по цифровизации промышленности. Приоритетными направлениями цифровизации Крыловского государственного научного центра являются развитие систем управления информацией предприятия и инженерного анализа.
Необходимо проведение работ по оцифровке и интеграции существующей базы знаний Крыловского центра, а также усиление роли и повышение качества инженерного анализа в бизнес-процессах Крыловского центра, что предусматривает создание цифровых моделей объектов МТ, численное моделирование различных типов (ситуационное моделирование, имитационное моделирование, моделирование
физических процессов, проведение виртуальных испытаний), оптимизацию характеристик цифровых моделей, многократное использование инжиниринговых данных.
Библиографический список
1. Методологические основы и регламенты управления исследованиям и разработками в высокотехнологичных отраслях промышленности / Под общей ред.
B.C. Алешина и A.B. Дутова. М.: НИЦ «Институт имени ЕЕ. Жуковского», 2017. С. 14-19.
2. Wilson FF., Quezon Т., TtinhV., SaHesC., Li J., Gorski J. HPCMP CREATE-SH integrated hydrodynamic design environment // Computing in Science & Engineering. Nov-Dec. 2016. Vol. 18. No. 6. P. 47-56,
3. China numerical tank // URL: http://en.numericaltank.com/ (последнее обращение: 30.07.2019).
4. Таранов A.E., Сайфулпин Т.Н., Рудниченко АЛ., Егоров С.В. Особенности использования численного моделирования при проектировании объектов морской техники // Труда Крыловского государственного научного центра. 2018. Вып. 4(386). С. 28^10.
5. Лобачев М.П. Некоторые проблемы создания и использования суперкомпьютерных технологий при проектировании высокотехнологичной продукции // Труды 2-й научно-практической конференции «Управление созданием научно-технического задела в жизненном цикле высокотехнологической продукции -2017». М.: 2017.
6. Лобачев М.П. Проблемы внедрения и использования суперкомпьютерных технологий на предприятиях ОПК // Сборник докладов VI форума «Информационные технологии на службе оборонно-промышленного комплекса». ИТОПК-2017. Ижевск, 2017. С. 112-113.
7. Лобачев М.П., Овчинников НА., Пустотный A.B. Опыт использования современных методов численной гидродинамики / Академик А.Н. Крылов. К 150-летию со дня рождения. Сборник статей. СПб.: ФГУП «Крыловский государственный научный центр», 2013.
C. 15-32.
References
1. Methodological fundamentals and regulations for R&D management in high-tech industries / Under editorship of B. Aleshin and A. Dutov. Moscow, NRC Zhukovsky Institute, 2017, pp. 14-19 (in Russian).
2. Wilson W., Quezon Т., Trinli V., Sarles C., Li J., Gorski J. HPCMP CREATE-SH integrated hydrodynamic design environment // Computing in Science & Engineering. Nov-Dec. 2016. Vol. 18. No. 6. P. 47-56.
3. China numerical tank // URL: http://en.nimiericaltank.com/ (последнее обращение: 30.07.2019).
4. A., Taranov, T. Saifallin, A. Rudnichenko, S. Yegorov. Application specifics of numerical simulation in design of marine structures // Transactions of KSRC, 2018, Issue 4(386), pp. 28^10 (in Russian).
5. M. Lobaciiev. Certain aspects of developing and operating supercomputers in design of high-tech products // Transactions of the 2nd Scientific & Practical Conference. Ichiewifi scientific advance in life cycle of high-tech production -2017. Moscow, 2017 (inRussian).
6. M. Lobachev. Introduction and operation of supercomputers in military industry // Compendium of papers, VIth Forum IT in Militaty Industry (ITOPK-2017), Izhevsk, 2017, pp. 112-113 (in Russian).
7. M. Lobachev, N. Ovchnmikov, A. Pustoshny. Application experience of cutting-edge CFD techniques / To the 150th Anniversary of Academician A. Krylov. St. Petersburg, KSRC, 2013, pp. 15-32 (in Russian).
Сведения об авторах
Таранов Андрей Евгеньевич, к.т.Н., начальник Суперкомпьютерного центра математического моделирования ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 812 748-63-19. E-mail: AE_Taranov(Sksrc.ru.
Скулябин Михаил Алексеевич, начальник управления информационных технологий ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 812 415-65-18. E-mail: [email protected] Апексеев Юрий Сергеевич, начальник отдела ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7 812 748-63-53. E-mail: [email protected].
About the authors
Taranov, Audrey Ye., Cand. Sci. (Eng), Head of HPC-CFD Centre, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158, tel.: Телефон: +7 812 748-63-19. E-mail: AE_Taranov(Sksrc.ru.
Skulyabin, Mikhail A., Head of IT Administration, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158, tel.: Телефон: +7 812 415-65-18, E-mail: Skuliabin@ksrc. ra.
Alexeev, Ymy S., Head of Department, KSRC, address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158, tel.: Телефон: +7 812 748-63-53. E-mail: Yu_Aleksee v@ksrc. ru.
Поступила / Received: 11.07.19 Принята в печать / Accepted: 30.08.19 © Коллектив авторов, 2019
