Концепция цифрового двойника парка грузовых вагонов

КОНЦЕПЦИЯ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА ПАРКА ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Шевченко Д.В. (ООО «ВНИЦТТ», г. Санкт-Петербург, Россия)

В конце XX века широко внедрялись различные CAD/CAE/CAM технологии, которые породили понятие «цифровая модель изделия», означающие численное представление существующего или проектируемого объекта, в котором не используется какая-либо форма автоматического обмена данными между реальным изделием и его виртуальным представлением. Одна цифровая модель может описывать физический объект с определенной степенью детализации и быть предназначенной для описания конкретных физических явлений. Как дополнение возникло понятие – иерархическая последовательность цифровых моделей [1], т.е. такой набор, с помощью которого можно описать поведение изделия с необходимой степенью точности, разной степенью детализации и в различных физических областях, в которых осуществляется эксплуатация физического объекта.

С точки зрения изделий иерархическая последовательность цифровых моделей может быть разделена на два класса. Рассмотрим их на примере грузовых вагонов.

Проектные последовательности цифровых моделей подвижного состава, в том числе и грузовых вагонов, применяются на начальных этапах жизненного цикла изделия с целью проверки соответствия конструкторских решений нормативным требованиям в различных областях физики. Обычно, если речь не идет об эксклюзивных штучных изделиях, проектные цифровые модели создаются для группы однотипных изделий, например, для одной модели грузового вагона.

Эксплуатационные последовательности цифровых моделей грузовых вагонов применяются на этапах жизненного цикла изделий, связанных с процессом эксплуатации. Обычно эксплуатационные цифровые модели относятся к конкретному изделию (вагону) и сопровождают его на всем жизненном цикле. Возникновение этого класса цифровых моделей связано с все более широким применением компьютерного моделирования. В результате этого стали развиваться подходы, пытающиеся на основе получаемых из эксплуатации данных и методов предиктивной аналитики прогнозировать поведение изучаемого физического объекта в будущем. Цифровые модели такого типа называются цифровой тенью физического объекта. Применение цифровых теней позволяет снизить число допущений и увеличить адекватность проводимых численных исследований за счет применения данных, полученных в процессе эксплуатации.

Однако технология цифровых теней, вообще говоря, является промежуточным шагом на пути эволюции цифровых объектов, так как отсутствует обратная связь в виде автоматических управляющих воздействий от цифровой тени к физическому объекту. Наличие такой связи реализуется только в рамках цифрового двойника. Инструмента четвертой промышленной революции, начавшейся с 2010 года и в первые сформулированной в 2011 году в рамках инициативы возглавляемой бизнесменами, политиками и учеными Германии.

Впервые понятие цифровой двойник было использовано экспертом NASA Джоном Викерсом в отчете [2], после чего было поддержано Майклом Гривсом, одним из основоположников концепции цифрового двойника, который сформулировал принципиальные требования, выполнение, которых необходимо для создания цифрового двойника физического объекта [3]. Существуют разные определения данного термина, одно из них в обобщенной форме представлено в [2] и согласно ему, цифровой двойник – это виртуальное адаптивно изменяющееся отображение физического объекта/процесса, учитывающее функциональные особенности и физические связи всех его составных частей, сопровождающее его на всем жизненном цикле (от этапа проектирования до этапа утилизации), позволяющее:

– изучать текущее состояние физического объекта/процесса и прогнозировать его изменения в будущем на микро- и макро-уровнях на основе собранных в режиме реального времени данных с установленных систем мониторинга и с помощью мультифизического, многомасштабного, вероятностного моделирования;

– за счет обратной связи с физическим объектом/процессом выдавать управляющие воздействия.

В рамках отрасли грузовых вагонов наибольший эффект будет достигаться от построения цифрового двойника всего парка грузовых вагонов, который будет представлять совокупность цифровых двойников отдельных грузовых вагонов, эксплуатируемых на сети железной дороги. Разработка цифрового двойника парка грузовых вагонов позволит создать цифровую систему управления ресурсом вагонов, что коррелирует с задачами долгосрочной программы развития ОАО «Российские железные дороги», утвержденной распоряжением правительства РФ № 466-р от 19 марта 2019 года [5].

Цифровые двойники должны решать задачу регистрации и прогнозирования накопления повреждений (разного рода) на каждом конкретном вагоне в зависимости от его конструкции, начального технического состояния и характеристик эксплуатационной нагруженности.

Общий подход к созданию цифрового двойника грузового вагона включает в себя этапы:

– создание системы обмена данными между физическим объектом и его виртуальным представлением (создание системы мониторинга на каждом грузовом вагоне либо интеграция информации с существующих систем «напольного» мониторинга применительно к каждому конкретному вагону);

– разработку комплекса моделей накопления повреждений в различных физических областях, выработку предиктивных подходов к прогнозу технического состояния;

– верификацию и валидацию комплекса моделей;

– разработку механизмов обратной связи от цифрового двойника к физическому объекту через управляющие воздействия (например, установление сроков выведения в ремонты).

Последний этап позволит постепенно осуществить переход от системы планово-предупредительных ремонтов к системе ремонта по техническому состоянию, широко внедряемому в мире. Такой подход подразумевает ремонт отдельных частей грузового вагона по достижению наибольшего критического износа в определенный момент времени. Это позволяет не осуществлять ремонты, которые нужно было бы проводить по плану в рамках подхода планово-предупредительных ремонтов, но которые исходя из выработки их ресурса проводить не следует. Также в этом случае увеличивается межремонтный ресурс и снижаются затраты на покупку запчастей и инструментов.

В настоящее время и в Европе, и в Америке уже осуществляются работы по созданию цифровых двойников грузовых вагонов. Например, проект, запущенный немецкой компанией RailWatch и перевозчиком Metrans Rail [6], посвящен созданию цифровых двойников грузовых вагонов. Он предполагает автоматический контроль состояния грузовых вагонов. Системы измерения, включающие камеры, освещение, лазерные, тепловые и акустические датчики будут фиксировать состояние профилей колес, тепловую карту, вид снизу и сбоку, а также габаритный зазор. Данные будут собираться с каждого проезжающего поезда, а система анализировать соответствие состояния вагона его эталонному «цифровому» аналогу, который также будет сформирован этой системой. Исследования продлятся 2 года, финансовая поддержка разработок федеральным министерством транспорта и цифровой инфраструктуры составит €3,5 млн.

Подобные разработки, основанные на внедрении разных инструментов четвертой промышленной революции, в том числе – и цифровых двойников, позволят Россия сохранить свои позиции в мировом пространстве.

_____________________________________________________________________________________________________________________________

Из материалов XV Международной научно-технической конференции «ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ XXI ВЕКА (ИДЕИ, ТРЕБОВАНИЯ, ПРОЕКТЫ)