Применение цифровых двойников в автоматизированном управлении высокотехнологичным промышленным производством

   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.

1. Anumbe N., Saidy C., Harik R. A primer on the factories of the future // Sensors. 2022. Vol. 22. P. 5834. DOI: 10.3390/s22155834.

2. 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.).

3. 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.

4. 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.

5. Ferko E., Bucaioni A., Behnam M. Architecting digital twins // IEEE Access. 2022. Vol. 10. P. 50335—50350.

6. Ковалёв С. П. Системный анализ жизненного цикла больших информационно-управляющих систем // Автоматика и телемеханика. 2013. № 9. С. 98—118.

7. Ковалёв С. П. Разработка платформы управления распределенными энергетическими ресурсами на базе цифрового двойника // Мехатроника, автоматизация, управление. 2023. Т. 24, № 3. С. 131—141.

8. Ковалёв С. П. Проектирование гетерогенных киберфизических систем с применением теории категорий // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23, № 2. С. 59—67.

9. 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.

10. 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^th International Conference on Industrial Informatics (INDIN). Porto, Portugal, 2018. P. 792—799.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.).

15. 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.).

16. Ковалёв С. П. Семантика аспектно-ориентированного моделирования данных и процессов // Информатика и ее применения. 2013. Т. 7, Вып. 3. С. 70—80.

17. Barr M., Wells C. Category theory for computing science. London: Prentice Hall, 1990. 538 p.

18. Ковалёв С. П. Методы теории категорий в цифровом проектировании гетерогенных киберфизических систем // Информатика и ее применения. 2021. Т. 15, Вып. 1. C. 23—29.

19. Маклейн С. Категории для работающего математика. М.: Физматлит, 2004. 352 с.