Данное исследование было просмотрен 365 раз

Интеллектуальные платформы интеграции технологий BIM и цифровых двойников, обеспечивающие функционирование инженерной инфраструктуры фабрик будущего

Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).

Срок реализации: 2020-2025 гг.

Исполнитель: Лаборатория «Моделирование технологических процессов и проектирование энергетического оборудования» (МТПиПЭО)

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Разработка концептуальных подходов, научных основ и методов интеграции технологий BIM и DT в рамках фабрик будущего. Определение роли BIM-технологий (Building Information Modelling – Информационное Моделирование Зданий) в развитии цифровых, умных и виртуальных фабрик будущего. Разработка концептуальных подходов к интеграции технологий BIM и DT (Digital Twin – Цифровой Двойник).

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

Проанализировано текущее состояние исследование по теме исслеодвния, предложены основные принципы, на базе которых должна происходить интеграция технологий BIM и DT в рамках фабрики будущего.

Первый принцип: интеграция технологий BIM и DT должна обеспечивать проектирование, строительство и эксплуатацию фабрик будущего с учетом потребности производства в гибкой перестройке производственных технологий исходя из изменений потребностей потребителя.

Второй принцип: интеграция технологий BIM и DT должна обеспечивать валидацию «умных» моделей для высокоадекватной цифровой модели фабрики будущего на основе как виртуальных, так и натурных испытаний.

Третий принцип: в совокупности технологии BIM, DT, SIM и прочие технологии призваны сформировать цифровой актив – цифровой ресурс владельца физического актива, приносящий (или способный приносить при грамотном использовании) экономическую выгоду на протяжении жизненного цикла объекта в виде сокращения операционных издержек, временных и материальных.

На основании изложенных принципов сформирован способ интеграции технологий DT и BIM в контексте фабрик будущего: способ интеграции предполагает формирование матрицы целевых показателей и ресурсных ограничений всей фабрики будущего в целом, включающей производственную инфраструктуру, технологическое оборудование, изделие и информационную систему управления.

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем

Необходимость установления тесной связи между ключевыми информационными технологиями фабрик будущего – DT и BIM определяется в первую очередь тем, что именно BIM-модели содержат детальную информацию о трехмерной геометрии и многообразной семантике конструкций и систем инженерных сетей зданий, где располагаются умные фабрики, а также подробную информацию о функционировании инфраструктуры, обеспечивающей производственный процесс, который основан на DT [1]. Поэтому является важным вопрос, о роли и месте концепции фабрик будущего, включая технологии Цифрового двойника и BIM, в формировании производственных активов, включая цифровые активы, активно обсуждаемый научным сообществом и бизнесом, но который, по нашему мнению, еще не получил достаточного развития [2]. Технологии цифровизации в таких отраслях промышленности, как например строительство [3-5] и машиностроение [6-8], несмотря на их тесную связь, развивались параллельно и зачастую не взаимосвязано [9]. В настоящее время, по нашему мнению, отсутствие должной интеграции технологии Цифрового двойника с BIM-технологиями является значительным тормозом для развития концепции цифровых, умных и виртуальных фабрик, производств и т.д. в рамках Индустрии 4.0. Тем не менее научное сообщество предсказывает, что интеграция технологий BIM и DT, описывающих разные компоненты, входящие в единый физический и как следствие цифровой актив, составляющих фабрики будущего, неизбежна [7, 8, 10, 11, 12, 13]. В связи с этим актуально рассмотрение основных принципов интеграции технологий BIM и Цифровых двойников, отсутствие которых тормозит развитие цифровых технологий фабрик будущего и не обеспечивает эффективную координацию и унификацию соответствующих технических и экономических аспектов.

Важно отметить, что, нацеленная на цифровое представление реального физического объекта, аналогично технологии DT, технология BIM больше фокусируется на работе пользователей, нежели на самом объекте [14]. Это замечание наглядно демонстрируется на примере анализа потоков информации от виртуального мира к физическому (virtual-to-physical) и от физического к реальному (physical-to-virtual), которые подробно рассматриваются основоположником понятия DT Гривсом [15-17]

Анализ литературы показал, что основные барьеры на пути развития технологии DT связанны с правами владения данными и информацией в технологиях DT и интеграцией между виртуальными объектами, описываемых DT. Это лишь некоторые проблемы, выявленные в ходе исследования, но предполагается наличие прочих пробелов в развитии цифровых двойников; данная статья фокусируется в первую очередь на исследовании и разработке способов интеграции технологий. Поэтому актуальным направлением дальнейших исследований, исходя из обозначенной проблемы владения данными, является разработка информационных систем управления (SIM) для фабрик будущего. Примечательно, что в области BIM-технологий именно этот вопрос (владения информацией) является ключевым предметом обсуждения создающихся в данный момент нормативных документов, таких как ISO-19650, Part 3, связанный с эксплуатационной стадией реализации BIM-проекта и уже существующих, таких как ISO-19650, Part 1,2, связанных со стадиями проектирования и строительства.

Важно отметить, что в текущей степени развития индустрии AEC (Architecture, Engineering & Construction) в случае использования технологии BIM на стадии проектирования, как правило, технология BIM не внедряется в последующих стадиях жизненного цикла [18].

Трансформация цифрового актива – отдельный вопрос, который требует тщательного рассмотрения. В ходе исследований предварительно дано определение и наполнение цифрового актива, но нужно понимать, что цифровой актив – это сложный трансформирующийся во времени ресурс, который при этом не принадлежит всецело одному лицу, а распределяется между всеми участниками процессов проектирования, производства, строительства, эксплуатации и уничтожения или сноса физических объектов.

Важным направлением дальнейших исследований является вопрос владения и распределения прав в отношении цифрового актива, его целостности и делимости.

Интеграция технологий BIM и DT в рамках (framework) единой информационной модели Фабрики будущего позволяет объединить все знания и компетенции, формирующиеся на ключевых этапах всего жизненного цикла: проектировании, строительстве и эксплуатации. Таким образом информационная модель Фабрики будущего становится «цифровым активом», объединяющим в себе базу знаний об объекте.

Список использованных источников:

  1. Баденко В.Л., Ядыкин В.К. Цифровая трансформация промышленности и предприятий: роль и место BIM технологий // В сборнике: Цифровая трансформация экономики и промышленности Сборник трудов научно-практической конференции с зарубежным участием. Под редакцией А.В. Бабкина. 2019. С. 506-516.
  2. Lu, Q., Xie, X., Heaton, J., Parlikad, A. K., & Schooling, J. (2019). From BIM Towards Digital Twin: Strategy and Future Development for Smart Asset Management. Studies in Computational Intelligence, 853, 392-404. DOI: 10.1007/978-3-030-27477-1_30
  3. Petri, I., Kubicki, S., Rezgui, Y., Guerriero, A., & Li, H. (2017). Optimizing energy efficiency in operating built environment assets through building information modeling: a case study. Energies, 10(8), 1167. DOI: 10.3390/en10081167
  4. Li, J., Greenwood, D., & Kassem, M. (2019). Blockchain in the built environment and construction industry: A systematic review, conceptual models and practical use cases. Automation in Construction, 102, 288-307. DOI: 10.1016/j.autcon.2019.02.005
  5. Morgan, B. (2019). Organizing for digitalization through mutual constitution: the case of a design firm. Construction Management and Economics, 37(7), 400-417. DOI: 10.1080/01446193.2018.1538560
  6. Fernández-Miranda, S. S., Marcos, M., Peralta, M. E., & Aguayo, F. (2017). The challenge of integrating Industry 4.0 in the degree of Mechanical Engineering. Procedia manufacturing, 13, 1229-1236. DOI: 10.1016/j.promfg.2017.09.039
  7. Liao, Y., Deschamps, F., Loures, E. D. F. R., & Ramos, L. F. P. (2017). Past, present and future of Industry 4.0-a systematic literature review and research agenda proposal. International journal of production research, 55(12), 3609-3629. Doi: 10.1080/00207543.2017.1308576
  8. Love, P. E., & Matthews, J. (2019). The ‘how’of benefits management for digital technology: From engineering to asset management. Automation in Construction, 107, 102930. Doi: 10.1016/j.autcon.2019.102930
  9. Hicks, B., Culley, S., Gopsill, J., & Snider, C. (2020). Managing complex engineering projects: What can we learn from the evolving digital footprint? International Journal of Information Management, 51, 102016. DOI: 10.1016/j.ijinfomgt.2019.10.001
  10. Castelo-Branco, I., Cruz-Jesus, F., & Oliveira, T. (2019). Assessing Industry 4.0 readiness in manufacturing: Evidence for the European Union. Computers in Industry, 107, 22-32. DOI: 10.1016/j.compind.2019.01.007
  11. Frank, A. G., Dalenogare, L. S., & Ayala, N. F. (2019). Industry 4.0 technologies: Implementation patterns in manufacturing companies. International Journal of Production Economics, 210, 15-26. DOI: 10.1016/j.ijpe.2019.01.004
  12. Боровков А.И. и др. Мировая технологическая повестка и глобальные тенденции развития промышленности в условиях цифровой экономики / А.И. Боровков, Л.А. Щербина, В.М. Марусева, Ю.А. Рябов // ИННОВАЦИИ – №12 (242). – 2018. – С. 34-42
  13. Tao, F., Qi, Q., Wang, L., & Nee, A. Y. C. (2019). Digital twins and cyber–physical systems toward smart manufacturing and Industry 4.0: correlation and comparison. Engineering, 5(4), 653-661. DOI: 10.1016/j.eng.2019.01.014
  14. Jones, D., Snider, C., Nassehi, A., Yon, J., Hicks, B. (2020) Characterising the Digital Twin: A systematic literature review. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology In Press, Available online 9 March 2020. DOI: 10.1016/j.cirpj.2020.02.002
  15. Grieves, M., & Vickers, J. (2017). Digital twin: Mitigating unpredictable, undesirable emergent behavior in complex systems. In Transdisciplinary perspectives on complex systems (pp. 85-113). Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-319-38756-7_4
  16. Grieves M. Digital twin: Manufacturing excellence through virtual factory replication. White paper, 2014; Available: http://www. apriso.com.
  17. Grieves, M. W. (2012). Virtually Indistinguishable. In IFIP International Conference on Product Lifecycle Management (pp. 226-242). Springer, Berlin, Heidelberg. doi: 10.1007/978-3-642-35758-9_20
  18. Volk, R., Stengel, J., & Schultmann, F. (2014). Building Information Modeling (BIM) for existing buildings-Literature review and future needs. Automation in construction, 38, 109-127. DOI: 10.1016/j.autcon.2013.10.023

3. Ссылки на статьи, публикации, мероприятия и РИД, представленные в соответствующих приложениях к отчёту о реализации программы создания и развития центра.

  • Круглый стол Научно-практической конференции «Новые производственные технологии» - «Цифровые технологии в промышленности»: Проекты в области BIM технологий» в рамках Второго Международного форума «Новые производственные технологии» (02.12.2020, СПбПУ, г. Санкт-Петербург), https://npt-forum.ru/
В 2021 году
  • Проведена оценка повышения эффективности взаимопроникновения этих технологий в направлении формирования фабрик будущего. Разработаны научные основы и первый вариант метода интеграции BIM и DT.
  • Проведена автоматизация процесса получения семантически насыщенных облаков точек лазерного сканирования для объектов инженерной инфраструктуры, с учетом интеграции данных от разных типов устройств дистанционного зондирования и фотосъёмки.
  • Разработан алгоритм определения материалов сканируемых поверхностей на основе результатов лазерного сканирования.
  • Разработана методика проведения полевых работ по лазерному сканированию и фотограмметрии. Осуществлено обоснование критериев подобия объектов инфраструктуры для испытаний на стенде «гидроаэродинамической аналогии».  Разработан прототип модели, удовлетворяющей критериям подобия.
  • Разработаны алгоритмы и методы автоматизированного получения БД as-is BIM-модели инженерной инфраструктуры фабрики будущего на основе семантически насыщенных облаков точек лазерного сканирования Определены научные и практические пробелы на пути внедрения BIM в фабрики будущего.
  • Осуществлена предварительная оценка результатов внедрения BIM в фабрики будущего.
  • Реализовано тестирование первого варианта метода интеграции BIM и DT.
  • Разработана методика повышения качества результатов сканирования для БД BIM библиотеки цифровых моделей стандартных элементов инфраструктуры фабрик будущего на основе данных сканирования.
  • Проведена автоматизация процесса обработки больших трехмерных облаков точек для создания семантически насыщенных представлений о среде внутри и вне помещений.
  • Разработаны алгоритмы классификации облака точек для выделения конструктивных элементов на основе геометрических параметров облака и информации о материалах.
  • Разработан универсальный большой гидродинамический стенд.
В 2022 году
  • Разработаны алгоритмы и методы технологии автоматизированного формирования исходных данных для численного анализа строительных конструкций на основе результатов лазерного сканирования и БД BIM.
  • Определены потребности промышленных предприятий и пути удовлетворения этих потребностей с использованием информационного моделирования.
  • Осуществлена апробация на предприятиях варианта метода интеграции BIM и DT.
  • На основе генетических алгоритмов и компьютерного зрения, разработаны методы, для проверки и оптимизации восстановления семантических данных в облаке точек с использованием 2D-изображений
  • Разработан алгоритм векторизации облака точек по отдельным классифицированным элементам.
  • Проведена автоматизация процесса построения BIM-модели объекта инфраструктуры на базе машинного обучения и созданной библиотеки элементов.
В 2023 году
  • Разработана математическая модель виртуальной фабрики, описывающая взаимодействие технологических процессов и инженерной инфраструктуры
  • Разработан окончательный метод внедрения BIM в технологию фабрик будущего, в том числе интеграция с DT.
  • Разработана методика использования семантически насыщенных трехмерных облаков точек для создания «as-is BIM» модели. Разработан алгоритм соединения элементов модели конструкционными связями для as-is BIM-модели.
В 2024 году
  • Осуществлена апробация метода внедрения BIM в технологию фабрик будущего, включающую интеграция с DT.
  • Разработан алгоритм определения и применения нагрузок и граничных условий на основе as-is BIM-модели.
  • На основе автоматизации создания на базе as-is BIM-модели разработана методика проведения численного анализа конструкций инфраструктуры от различных воздействий, конечно-элементной модели объекта основания (фундамент), грунта. Выявлены физико-механические свойства грунтов, слагающих инженерно-геологический разрез.
  • Разработана методика для получения результатов классификации и использования результатов визуализации и аналитики для дальнейшего внедрения передовых производственных технологий на базе умных фабрик учитывая требования Facility Management.
  • Осуществлена апробация вычисленных критериев подобия, проведено испытание созданных моделей.
В 2025 году
  • Разработано руководство по интеграции BIM и DT в контексте фабрик будущего.
  • Разработан алгоритм генерации расчетной модели инфраструктурного объекта на основе as-is BIM-модели.
  • Проведено тестирование разработанных методик.
  • Осуществлена интеграция результатов проведена апробация методик на примере тестовых объектов.