novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.211-220novtexmech-1540Research ArticleАВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИAUTOMATION AND CONTROL TECHNOLOGICAL PROCESSESПрименение цифровых двойников в автоматизированном управлении высокотехнологичным промышленным производствомLeveraging Digital Twin in Automated High-Tech Production ManagementКовалёвС. П.KovalyovS. P.

д-р физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.

117997; Москва

117997; Moscow

kovalyov@sibnet.ruИнститут проблем управления им. В. А. Трапезникова РАНРоссияV. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences RASRussian Federation202410042024254211220Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1540

   Обсуждаются вопросы управления промышленным производством класса Индустрии 4.0 на основе цифровых двойников производственного процесса и изделий. Определены принципы применения цифровых двойников в производственном цикле. Описан вариант состава комплексной автоматизированной системы управления производством, включающий наряду с цифровыми двойниками системы проектирования технологических процессов, технологической подготовки производства, производственного планирования и оперативного управления, мониторинга промышленного оборудования, управления ресурсами, управления инженерными данными об изделиях, управления закупками и логистикой, управления качеством и приемкой изделий, управления эксплуатацией, техническим обслуживанием и ремонтом изделий, ведения нормативно-справочной информации. Указаны функции цифровых двойников в такой системе, среди которых выделена в качестве наиболее важной виртуальная отработка и корректировка технологических процессов и производственных планов в реальном времени. Очерчены варианты использования цифровых двойников на последующем этапе эксплуатации изделий. Рассмотрен порядок формирования и развития цифровых двойников по мере проектирования и строительства производственных предприятий. На начальной стадии сбора требований и составления технического задания на проектирование предприятия предложено создавать приближенную имитационную модель производственного цикла, позволяющую оценивать адекватность ключевых требований. На последующих стадиях жизненного цикла предприятия имитационная модель обогащается до полноценного цифрового двойника и дополняется другими компонентами системы управления. Показано, что такой процесс развития цифровых двойников может выполняться на высоком уровне формальной строгости и автоматизации с привлечением математического аппарата теории категорий. Для этого введена новая конструкция категории гибкой мультизапятой, представляющая всевозможные варианты архитектуры предприятия с некоторой заданной точки зрения в смысле стандарта ISO/IEC/IEEE 42010. Гибкая мультизапятая определяется сигнатурой, составленной из функторов представления составных частей архитектуры с выбранной точки зрения. Доказано, что в гибкую мультизапятую вкладывается мультизапятая любой фиксированной формы, производной от сигнатуры.

   The paper discusses industrial production management in an Industry 4.0 enterprise based on digital twins of manufacturing process and products. The principles of applying digital twins in the production cycle are defined. We present an example structure of an integrated automated production management system that includes the digital twins and a number of other systems. The functions of digital twins in such a system are indicated. The order of formation and development of digital twins in the course of the enterprise design and construction is considered. At the initial stage of collecting requirements and drawing up technical specifications for the enterprise design, we propose to create an approximate simulation model of the production cycle, which allows the feasibility assessment of key requirements. At the subsequent stages of the enterprise life cycle, the simulation model is enriched up to a full-fledged digital twin and augmented with other components of the management system. We show that the digital twin development can be performed at a high level of formal rigor and automation utilizing the mathematical device of category theory. For this purpose, the novel construction called flexible multicomma category is introduced, representing all possible enterprise architecture variants from a given viewpoint in the sense of the ISO/IEC/IEEE 42010 standard. A flexible multicomma is defined by a signature composed of functors that represent the architecture components from the selected viewpoint. We prove that a multicomma of any fixed shape derived from the signature is embedded into the flexible multicomma.

цифровой двойникпроизводственная системауправление производствомимитационная модельтеория категорийкатегория мультизапятойdigital twinproduction systemproduction managementsimulation modelcategory theorymulticomma categoryReferencesAnumbe N., Saidy C., Harik R. A primer on the factories of the future // Sensors. 2022. Vol. 22. P. 5834. DOI: 10.3390/s22155834.Anumbe N., Saidy C., Harik R. A primer on the factories of the future, Sensors, 2022, vol. 22, p. 5834, doi: 10.3390/s22155834.Future of manufacturing: New workflows, roles & skills to achieve Industry 4.0 business outcomes. URL: https://damassets.autodesk.net/content/dam/autodesk/www/pdfs/autodesk-asme-future-of-manufacturing.pdf, 2022 (дата обращения: 27 октября 2023 г.).Future of manufacturing: New workflows, roles & skills to achieve Industry 4.0 business outcomes, Autodesk & ASME, 2022, available at: https://damassets.autodesk.net/content/dam/autodesk/www/pdfs/autodesk-asme-future-of-manufacturing.pdf.Madni A. M., Madni C. C., Lucero S. D. Leveraging digital twin technology in model-based systems engineering // Systems. 2019. Vol. 7, Iss. 1. Art. No. 7. P. 1—13.Madni A. M., Madni C. C., Lucero S. D. Leveraging digital twin technology in model-based systems engineering, Systems, 2019, vol. 7, no. 1, art. no. 7, pp. 1—13.Нестеров П. А., Косьяненко А. В., Фролов Е. Б. "Цифровой двойник" производственной системы — базис для эффективного управления предприятием // Автоматизация и ИТ в энергетике. 2020. № 8. С. 20—26.Nesterov P. A., Kos’janenko A. V., Frolov E. B. Digital twin of a production system as a basis for efficient enterprise management, Automation and IT in Energy, 2020, no. 8, pp. 20—26 (in Russian).Ferko E., Bucaioni A., Behnam M. Architecting digital twins // IEEE Access. 2022. Vol. 10. P. 50335—50350.Ferko E., Bucaioni A., Behnam M. Architecting digital twins, IEEE Access, 2022, vol. 10, pp. 50335—50350.Ковалёв С. П. Системный анализ жизненного цикла больших информационно-управляющих систем // Автоматика и телемеханика. 2013. № 9. С. 98—118.Kovalev S. P. Systems analysis of life cycle of large-scale information-control systems, Automation and Remote Control, 2013, vol. 74, no. 9, pp. 1510—1524 (in Russian).Ковалёв С. П. Разработка платформы управления распределенными энергетическими ресурсами на базе цифрового двойника // Мехатроника, автоматизация, управление. 2023. Т. 24, № 3. С. 131—141.Kovalyov S. P. Development of a platform for distributed energy resources management on the basis of a digital twin, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2023, vol. 24, no. 3, pp. 131—141 (in Russian).Ковалёв С. П. Проектирование гетерогенных киберфизических систем с применением теории категорий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 2. С. 59—67.Kovalyov S. P. Design of heterogeneous cyber-physical systems employing category theory, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2022, vol. 23, no. 2, pp. 59—67 (in Russian).Novák P., Vyskocil J. Digitalized automation engineering of Industry 4.0 production systems and their tight cooperation with digital twins // Processes. 2022. Vol. 10. P. 404. DOI: 10.3390/pr10020404.Novák P., Vyskocil J. Digitalized automation engineering of Industry 4.0 production systems and their tight cooperation with digital twins, Processes, 2022, vol. 10, p. 404, doi: 10.3390/pr10020404.Ferrer B. R., Mohammed W. M., Lastra J. L. M., Villalonga A., Beruvides G., Castaño F., Haber R. E. Towards the adoption of cyber-physical systems of systems paradigm in smart manufacturing environments // Proc. 2018 IEEE 16<sup>th</sup> International Conference on Industrial Informatics (INDIN). Porto, Portugal, 2018. P. 792—799.Ferrer B. R., Mohammed W. M., Lastra J. L. M., Villalonga A., Beruvides G., Castaño F., Haber R. E. Towards the adoption of cyber-physical systems of systems paradigm in smart manufacturing environments, Proc. 2018 IEEE 16<sup>th</sup> International Conference on Industrial Informatics (INDIN), Porto, Portugal, 2018, pp. 792—799.Pronost G., Mayer F., Camargo M., Dupont L. Digital Twins along the product lifecycle : A systematic literature review of applications in manufacturing // Digital Twin. 2023. Vol. 3:3. DOI: 10.12688/digitaltwin.17807.1.Pronost G., Mayer F., Camargo M., Dupont L. Digital Twins along the product lifecycle : A systematic literature review of applications in manufacturing, Digital Twin, 2023, vol. 3:3, doi: 10.12688/digitaltwin.17807.1.Григорьев С. Н., Долгов В. А., Никишечкин П. А., Ивашин С. С., Долгов Н. В. Имитационное моделирование производственных процессов различных типов машиностроительных производств // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2022. № 3 (142). С. 84—99.Grigoriev S. N., Dolgov V. A., Nikishechkin P. A., Ivashin S. S., Dolgov N. V. Simulation modeling production processes of various types of machine-building enterprises, Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Mechanical Engineering, 2022, no. 3 (142), pp. 84—99 (in Russian).Малыханов А. А., Черненко В. Е. От имитационной модели к цифровому двойнику: анализ опыта выполнения коммерческих проектов // Материалы 9 Всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности. Екатеринбург, УрГПУ, 2019. С. 37—46.Malyhanov A. A., Chernenko V. E. From simulation model to digital twin: Analysis of experience of commercial projects, Proc. 9<sup>th</sup> all-Russia Conference on Simulation and Applications, Ekaterinburg, 2019, pp. 37—46 (in Russian).Not always identical: Digital twins of machine tools, 2022. URL: https://www.siemens.com/kr/en/industries/machinebuilding/machine-tools/cnc4you/fokus-digitalisierung/digit-twin-rarely-comes-alone.html (дата обращения: 27 октября 2023 г.).Not always identical: Digital twins of machine tools, Siemens, 2022, available at: https://www.siemens.com/kr/en/industries/machinebuilding/machine-tools/cnc4you/fokus-digitalisierung/digit-twin-rarely-comes-alone.html.Digital twin applications in manufacturing, 2020. URL: hhttps://eprints.glos.ac.uk/13058/1/Pubs%20-%20Wynn%20Irizar%20Future%20Internet%20article%202023.pdf (дата обращения: 27 октября 2023 г.).Digital twin applications in manufacturing, Irish Manufacturing Research, 2020, available at: https://eprints.glos.ac.uk/13058/1/Pubs%20-%20Wynn%20Irizar%20Future%20Internet%20article%202023.pdf.Ковалёв С. П. Семантика аспектно-ориентированного моделирования данных и процессов // Информатика и ее применения. 2013. Т. 7, Вып. 3. С. 70—80.Kovalyov S. P. Semantics of aspect-oriented modeling of data and processes, Informatics and Applications, 2013, vol. 7, no. 3, pp. 70—80 (in Russian).Barr M., Wells C. Category theory for computing science. London: Prentice Hall, 1990. 538 p.Barr M., Wells C. Category theory for computing science, London, Prentice Hall, 1990, 538 p.Ковалёв С. П. Методы теории категорий в цифровом проектировании гетерогенных киберфизических систем // Информатика и ее применения. 2021. Т. 15, Вып. 1. C. 23—29.Kovalyov S. P. Methods of the category theory in digital design of heterogeneous cyber-physical systems, Informatics and Applications, 2021, vol. 15, no. 1, pp. 23—29 (in Russian).Маклейн С. Категории для работающего математика. М.: Физматлит, 2004. 352 с.Mac Lane S. Categories for the working mathematician, New York, NY, Springer, 1978, 317 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.