Цифровая производственная инфраструктура судостроительного предприятия

О некоторых аспектах автоматизации судостроительной отрасли

Когда речь идет об автоматизации процессов судостроения, часто внимание акцентируется непосредственно на результате деятельности – корабле/судне. Сегодня подробно сформированы и описаны подходы и решения для проектирования кораблей/судов, их строительства, эксплуатации и модернизации.

Акцент этой статьи несколько иной. Он ориентирован на такие, на первый взгляд, далекие от судостроения прикладные разделы современных ИТ, как информационное моделирование зданий, сооружений, коммуникаций (не судовых), геоинформационные технологии. Приведем далеко не полный список факторов, привносящих специфику отрасли:

• Процессы строительства/модернизации корабля ведутся не только в соответствии с общими технологическими подходами, но и с учетом конкретных производственных мощностей, таких как сооружения, цеха, стапели, специализированные устройства и оборудование завода.
• Ввиду различных параметров оборудования на разных предприятиях, технологические процессы при строительстве кораблей даже одного проекта могут отличаться.
• Производство часто обусловлено поставками: например, одни и те же материалы могут поставляться разных габаритов, что также влечет за собой изменения в технологических процессах.
• Немаловажное значение имеет общая загрузка завода по заказам, а также необходимость оптимизации использования оборудования завода для различных задач.
• Необходимо наглядное моделирование перемещения материалов и изделий, например, секций и собранных корпусов, для составления стапельного расписания; перемещения листов, трубопроводов, материалов т.п. – для оптимизации производственно-технологических процессов.
• На производственную деятельность оказывают влияние процессы технического обслуживания и ремонта оборудования, зданий/сооружений (мест размещения оборудования), систем и коммуникаций – как цеховых, так и общезаводских. Добавим ко всему этому задачи модернизации собственных производственных мощностей - необходимо когда в кратчайшие сроки правильно разместить и подключить новое оборудование, произвести расчеты для модернизированных систем, устройств и коммуникаций, оценив влияние внесенных изменений на производственные процессы.

Существующие сегодня технологии и средства автоматизации судостроительной отрасли не учитывают на 100% перечисленные факторы.

В связи с этим, в свое время, при разработке концепции решения “Цифровая верфь” для одного из судостроительных заводов, Бюро ESG выдвинуло инициативу создания информационной модели судостроительного предприятия. Согласно этой концепции, модель должна хранить информацию, необходимую для  использования в работе завода всех перечисленных факторов.

Основное назначение цифровой производственной инфраструктуры

Для производственных подразделений информационная модель судостроительного предприятия – его цифровая производственная инфраструктура (далее ЦПИ) должна обеспечивать:

• Информацию о расположении оборудования, коммуникаций и систем, их координатах и геометрических размерах;
• Информацию о расположении материалов, продукции (секций, подсекций их частей и т.п.) с учетом геометрических размеров и привязкой к координатам;
• Визуализацию моделирования различных процессов, связанных с перемещением оборудования и изделий, например, для создания стапельного расписания;
• Визуализацию состояния оборудования в 3D-модели с использованием цветовой дифференциации;
• Эксплуатационные параметры оборудования, коммуникаций и систем;
• Технологические параметры оборудования, коммуникаций и систем для проведения технологической подготовки производства и непосредственно производства.

Кроме того, в ЦПИ было предложено организовать хранение информации для инженерных служб, ответственных за эксплуатацию производственных активов. К данному типу информации относятся сведения:

• О положении компонентов информационной модели (оборудования, устройств, коммуникаций, систем…), их расположении в цехах, зданиях, сооружениях, на территории предприятия с указанием привязки к координатам, глубины/высоты для сетей и коммуникаций;
• О геометрических размерах компонентов информационной модели;
• Об эксплуатационных параметрах компонентов модели (давлении, мощности, производительности, грузоподъемности…);
• Параметрами для технического обслуживания и ремонтов (ТОиР) компонентов модели;
• Параметры для управления закупками при обеспечении обслуживания оборудования, устройств, зданий, сооружений, систем и коммуникаций;
• Визуализация результатов моделирования процессов модернизации производства: оптимизации размещения нового оборудования, подключения его к сетям;
• Данные для расчетов.

Важным вопросом в разработке концепции “Цифровой верфи” стал выбор технологий, использование которых позволило бы создать такую информационную модель. Это связано с тем, что перечисленные задачи не решаются средствами, применяемыми для информационной поддержки ЖЦ корабля.

Обоснование основных средств и технологий

Обоснование необходимых средств и технологий базировалось на предыдущем опыте работы Бюро ESG в области автоматизации процессов ЖЦ производственной инфраструктуры судостроительных предприятий, полученном совместно с нашими партнерами.

Первый успешный опыт возник для стадии проектирования предприятий судостроения при работе с нашим ключевым партнером - ПФ «Союпроектверфь». ПФ «Союпроектверфь» еще с советских времен является генеральной проектной организацией судостроительной отрасли, осуществляет комплексное проектирование судостроительных и судоремонтных предприятий, гидротехнических сооружений, предприятий судового машиностроения и морского приборостроения, включая создание проектов нового строительства, реконструкции и технического перевооружения действующих предприятий и производств. 

ПФ «Союзпроектверфь» постоянно совершенствует и развивает используемые технологии. С некоторого времени в целях повышения качества результатов работ применяется трехмерное моделирование. В объединенной 3D-модели, включающей результаты работы экспертов различных специальностей, наглядно отображаются коллизии (например, пересечения систем и строительных конструкций). По ним составляется отчет. Далее на его основе идет процесс согласований, выдачи заданий и устранения коллизий специалистами.

В результате работ достигается экономический эффект за счет повышения качества рабочей документации, поставляемой проектантом своему заказчику. Отсутствуют необходимость в дальнейших корректировках документов. Исключаются ошибки, выявляемые уже при строительстве объектов.

Компания Бюро ESG принимала участие в качестве подрядчика ПФ «Союзпроектверфь» в проектах, где использовалось моделирование по следующим объектам:

• Средне-Невский судостроительный завод;
• Выборгский судостроительный завод;
• Балтийский судостроительный завод;
• Онежский судостроительно-судоремонтный завод;
• Опытное конструкторское бюро машиностроения имени И. И. Африкантова.

Отметим, что за рамками судостроительной отрасли мы принимали участие в моделировании:

• Крупного магистрального газопровода (компрессорные станции и газоизмерительные станции);
• Станций метрополитена;
• Сети поликлиник;
• Большого количества технологических установок ряда НПЗ.

Добавим, что кроме перечисленных объектов наша Компания успешно занимается информационным моделированием сложных технологических установок для производств с непрерывным технологическим циклом (нефтедобыча, газодобыча и переработка, энергетика, металлургия, химическая отрасль и фармацевтика).

В проекте «Цифровая верфь» на одном из судостроительных заводов, опыт и ранее созданная 3D-модель на стадии проектирования (Бюро ESG и ПФ «Союзпроектверфь») явились «Исходными данными» для концепции ЦПИ на стадии эксплуатации.

Несомненно, речь шла лишь об «исходных данных». Для ЦПИ эксплуатируемого судостроительного предприятия в них необходимо было добавить параметры, необходимые на стадии эксплуатации Предприятия. Кроме того, 3D – модели и параметров, внесенных на стадии проектирования, явно было недостаточно.

Дело в том, что кроме оборудования и систем, расположенных в цехах, на предприятии существуют общезаводские системы и коммуникации. Их эксплуатация и обслуживание тесно связаны с производственными процессами, и для подобных систем и коммуникаций применение лишь технологий моделирования цехов/зданий/сооружений нецелесообразно. Наиболее приемлемым решением является использование цифрового генплана в среде геоинформационной системы (ГИС).

Цифровая геоинформационная система обеспечивает:

• надежное хранение данных в единой базе данных (БД);
• привязку к системе координат предприятия;
• единую геометрию и атрибутику каждого отдельного элемента на генплане, а также физического объекта (здания, трубопровода, ЛЭП и т.п.);
• классификацию всех объектов по отдельным картографическим слоям, включая стилистику;
• автоматическое изменение текста на генплане при изменении значения атрибута – все надписи являются текстом, который берется из атрибутов объектов;
• паспортизацию объектов на основе справочников, благодаря чему снижается количество ошибок;
• запросы к данным по геометрическим и атрибутивным свойствам объектов, печать тематических карт/отчетов (по проектам, сетям, имуществу, экологии и др.);
• экспорт/импорт из ГИС в САПР и другие системы предприятия;
• связь объектов генплана с документацией, фотографиями, видео;
• web-доступ к генплану через Геопортал предприятия;
• формирование трехмерной ГИС-модели предприятия, представляющей текущую ситуацию и планировочные решения, обеспечивающей визуализацию подземных сетей, имитационное моделирование и т.д.

Таким образом, все общезаводские сети с указанием координат глубины, высоты, эксплуатационных и прочих параметров, влияющих на основную производственную деятельность, могут быть отображены в цифровом генплане. На этой «цифровой подложке» могут располагаться модели цехов, зданий, сооружений, созданных с использованием технологии информационного моделирования.

Пример размещения трехмерных моделей цехов на электронном генплане проиллюстрирован рисунком 1.

Рис. 1. Размещение трехмерных моделей цехов на цифровом генплане

Кроме трехмерных моделей цехов/зданий/сооружений, электронного генплана, встал вопрос о едином хранилище параметров и документов. Хранить их непосредственно в «графике» не удобно и ресурсоемко. Параметры, хранящиеся в БД, используются как инженерными службами при обслуживании производственных активов, так и производственными подразделениями для технологической подготовки производства, непосредственно для производства, а также для имитационного моделирования различных процессов и ситуаций. Параметры компонентов модели влияют на производственно-технологическую модель изделия (судна/корабля). Общая модель цеха приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Общая модель цеха

Кроме функций консолидации данных ЦПИ, единое хранилище выполняет важный функционал построения связей между различными представлениями данных. Например, важно, чтобы оборудование, находящееся в пространстве 3D модели, было связано с параметрами, хранящимися в БД, документами на это оборудование, а модель здания/сооружения имела связи с оборудованием и системами, находящимся в нем, имела связь с отображением на цифровом генплане и с общезаводскими коммуникациями. Кроме того, возникла необходимость в реализации программных интерфейсах взаимодействия со смежными системами. Общая структура ЦПИ приняла вид, приведенный на рисунке 3.

Идеология построения ЦПИ близка идеологии построения систем управления инженерными данными для предприятий с непрерывным производственным циклом (СУИД). При этом СУИД и ЦПИ имеют ряд существенных отличий, описанных в наших публикациях.

Рис. 3. Укрупненная структура ЦПИ

Практическое использование ЦПИ

ЦПИ в целях обеспечения эксплуатации предприятия и для обеспечения процессов производства поставляет информацию различным категориям пользователей. При этом термин «пользователи» в данном случае подразумевает и специалистов, имеющих доступ к информации непосредственно через интерфейс рабочих мест ЦПИ, и пользователей смежных систем, решающих как задачи эксплуатации и обслуживания производственного оборудования, систем, коммуникаций, сооружений, так и задачи производства.

Перечень предоставляемых данных приведен выше в разделе «Основное назначение цифровой производственной инфраструктуры» настоящей статьи.

Приведем пример использования ЦПИ на судостроительном заводе.

Остановимся на возможностях по имитационному моделированию и виртуальному перемещению изделий внутри цеха и на стапельной площадке. Для этого ЦПИ была импортирована трехмерная модель корпуса корабля, полученная в необходимом масштабе после конвертации из формата “родной” CAD-системы (CADMATIC).

Модель корпуса была “размещена” в реальном масштабе на моделях тележек (также импортированных ЦПИ). Инструментарий пользовательского интерфейса цифровой модели позволяет перемещать корпус в 3D пространстве «вручную».

Кроме того, может применяться механизм автоматизированного перемещения изделий оборудования, материалов. Он использует координаты корпуса, поступающие от внешней системы имитационного моделирования через специальный интерфейс.

В 3D-модели появилась возможность виртуального перемещения корабля на тележках в реальном масштабе и реальных координатах. Кроме того, была добавлена четвертая координата – время, в результате чего была получена 4D-модель. 3D-модель цеха с моделью корабля изображена на рисунке 4.

Рис. 4. Модель корабля, импортированная ЦПИ

Приведем еще один пример – практическую иллюстрацию возможностей системы по обеспечению ТОиР. Для обеспечения этого функционала компоненты оборудования и систем имеют наборы необходимых параметров. Часть этих параметров – это инженерные данные, связанные с обслуживанием (период замен, количество часов наработки и т.д.). Кроме инженерных данных часть параметров оборудования в информационной модели представляют собой ссылки на данные и документы смежных информационных систем, например:

• ссылки на документы системы электронного технического архива и документооборота – технические паспорта, эксплуатационные документы;
• ссылки на данные ERP-системы, связанные с материальным обеспечением ТОиР систем и оборудования.

Рисунок 5 иллюстрирует получение параметров оборудования. Функционал инициируется из 3D-пространства ЦПИ.

Рис. 5. Доступ к параметрам оборудования из 3D-пространства ЦПИ

Кроме того, нашей компанией предлагается использование модели еще двумя потенциальными нишами пользователей:

• Службой капитального строительства предприятия и ее проектными подразделениями при модернизации производства собственными ресурсами;
• Внешними проектировщиками.

Для этих пользователей ЦПИ может применяться при выдаче исходных данных для модернизации в том числе с применением инструментов для работы с 3D-моделями ЦПИ, не редактирующих графику, — средствами измерения, сечения, аннотирования….

При наличии же исходных форматов 3D моделей они могут загружаться и корректироваться средствами проектирования. Заметим, что состав и формат моделей для проектирования отличен от того, который достаточен для решения задач эксплуатации объекта и производства.

В первом случае мы имеем дело, как правило, с исходными форматами 3D, получаемыми в результате моделирования в 3D-САПР. Во втором случае мы имеем дело с «облегченной» 3D-графикой и частью параметров, «выходящих за рамки» ЖЦ проектирования. Наша компания готова предложить программные и технологические решения для использования ЦПИ в том числе и для модернизации объектов службами капитального строительства или с привлечением внешних проектировщиков.

Рисунок 6 иллюстрирует пример использования ЦПИ для подключения нового оборудования цеха. Процесс включал следующую последовательность работ:

• Создание 3D-модели нового оборудования (вентиляционной установки). Использованы чертежи, размещенные производителем в открытом доступе;
• Импорт 3D-модели оборудования в ЦПИ;
• Оптимизация размещения нового оборудования, его «привязка» к координатам;
• Проектирование и импорт в ЦПИ необходимых воздуховодов и электрических сетей;
• Возможность выгрузки всех необходимых параметров модернизированной системы для расчета ее производительности, проведения ТОиР, закупок комплектующих, необходимых для модернизации;
• Имитация процессов модернизации с учетом перемещений оборудования и производственных процессов в цеху без их остановки.

Рис. 6. Использование ЦПИ при модернизации системы вентиляции цеха

Средства создания ЦПИ

Исходными данными для создания ЦПИ в большинстве случаев является та или иная документация — РД, исполнительная, эксплуатационная, находящаяся в том или ином виде (бумага, сканированные образы, оригинальные форматы).

В ряде случаев для некоторых частей ЦПИ существуют и две крайности: исходными данными могут являться даже 3D модели, или исходными данными могут являться лишь облака точек — результаты лазерного сканирования. Описание опыта работы нашей компании в последней ситуации — предмет большого отдельного материала. В любом случае, те или иные исходные данные в конце концов так или иначе используются средствами 3D-моделирования.

Поговорим о средствах создания 3D-моделей производственных цехов. В качестве этих средств еще сравнительно недавно нами использовались пакеты компании Autodesk. Сегодня же они практически все успешно замещены на линейку ПО компании «Нанософт» — nanoCAD BIM в области гражданского строительства. Приведенное ПО предназначено для моделирования зданий (технология информационного моделирования – ТИМ/BIM).

По этой причине указанные средства недостаточно эффективны для создания ЦПИ. Это обусловлено тем, что рассматриваемая группа объектов насыщена оборудованием. Модель, соответственно, должна содержать весьма объемные «технологические» разделы. Применение BIM-средств для моделирования таких разделов не эффективно.

В связи с этим разделы оборудования, некоторые разделы коммуникаций и сетей целесообразно моделировать с использованием специализированного ПО. Таким ПО является программный пакет PlantLinker — разработка российской компании «ПлантЛинкер», входящей вместе с компаниями Бюро ESG и «ИнтерКАД» в группу компаний «САПР-Петербург». Именно это ПО успешно используется на практике нашей компанией для моделирования. Описанию PlantLinker посвящен ряд публикаций специалистов Бюро ESG.

Для моделирования цифрового генплана сегодня специалисты нашей компании используют пакет NanoCAD GeoniCS.

Более подробно остановимся на пользовательском интерфейсе ЦПИ — средствах навигации, управления, использования функционала. Напомним, что цифровая модель для предприятий дискретного производства 3D-центрична. Навигация, поиск, получение данных, прикладной функционал ЦПИ, управление функционалом и обменом данными со смежными системами доступны через 3D-пользовательский интерфейс.

В основе пользовательского интерфейса ЦПИ лежит разработка компании «ПлантЛинкер» — программный пакет PlantViewer 3D. В ЦПИ используются две группы его функционала:

• Функционал «по умолчанию», неоднократно подробно описанный в отдельных публикациях специалистов Бюро ESG. Основные используемые функции:
  • Загрузка в 3D-пространство моделей цехов и зданий (все разделы или выбранные разделы ЦПИ);
  • Загрузка в 3D-пространство цифрового генплана;
  • Навигация в 3D-пространстве;
  • Масштабирование, измерение расстояний и углов, сечение плоскостями, «подсветка», «затенение», «отключение», «раскрашивание» элементов в 3D-пространстве;
• Специально доработанный для использования в ЦПИ функционал. Приведем наиболее наглядные примеры:
  • Получение параметров элементов 3D-модели (например, оборудования) из интегрированной внешней специализированной производственной БД;
  • Загрузка в 3D-модель моделей изделий (например, судостроительных секций);
  • Получение через постпроцессор от системы имитационного моделирования данных для визуализации перемещения оборудования и изделий, например, судовых корпусных секций в 3D-модели;
  • Получение данных от смежной системы для визуализации (различного цветового выделения) оборудования по тем или иным параметрам, например, в зависимости от работоспособности или загрузки.

К организации БД для хранения и обработки параметров ЦПИ, наша компания имеет опыт работ по двум направлениям:

• В качестве такой БД мы успешно используем пакет IPS Search компании Intermech. Преимуществом такого подхода является возможность гибкой настройки объектной, пользовательской и ролевой модели данного средства, а также наличия в IPS Search развитого функционала по обработке параметров элементов модели, хранению моделей, «сопутствующей» информации и документации. Преимуществом IPS Search также является наличие встроенного механизма отчетов, подсистем документооборота и календарного планирования — всего того, что позволяет эффективно управлять данными ЦПИ;
• Мы имеем практический опыт использования уже внедренных Заказчиком специализированных программных продуктов на основе БД, которые могут быть использованы для хранения и обработки параметров элементов информационной модели. ЦПИ «подключается» к уже реализованной единой информационной среде предприятия.

Функционал PlantViewer обеспечивает обмен данными ЦПИ со смежными системами, например, со средствами математического моделирования, с использованием интеграционных модулей. Добавим лишь следующее: Бюро ESG имеет практический опыт решения интеграционных задач. Наши специалисты готовы решать их посредством использования как уже созданных, так и вновь создаваемых подсистем ЦПИ.

Заключение

ЦПИ судостроительного предприятия является средством повышения эффективности производственной и инженерной деятельности. Эффект достигается за счет предоставления необходимой информации для:

• Производственных подразделений;
• Инженерных подразделений и внешних организаций, проводящих обслуживание активов,
• Подразделений и внешних организаций, проводящих модернизацию производственных активов.

Получать данные из ЦПИ указанные категории могут:

• Через интерфейс ЦПИ,
• Через интеграционные модули. Например, для использования данных ЦПИ смежными системами;
• Через механизмы загрузки-выгрузки.

В статье приведены лишь некоторые примеры использования ЦПИ для повышения эффективности работы судостроительного предприятия. Круг решаемых с использованием ЦПИ задач может быть существенно расширен.

Создание ЦПИ является специфической задачей, требующей наличия необходимых ресурсов и опыта. В связи с этим сегодня целесообразнее доверить выполнение этой задачи организации, отвечающей таким требованиям. Бюро ESG имеет необходимые ресурсы и опыт проведения подобных работ, кратко описанный в статье. Компания предлагает предприятиям судостроения сотрудничество в области создания цифровых активов – ЦПИ.

Список литературы

1. Рындин А.А., И. Чиковская И.Н., Кириллова М.Г., Голованов Д.В. Информационное моделирование предприятий с дискретным типом производства //https://isicad.ru/ru/articles.php?article_num=22662
2. Макеев С.М. Рындин А.А., Тучков А.А. Информационное моделирование производственной инфраструктуры судостроительного предприятия // REM. 2019. № 3.
3. Середохо В.А., Макеев С.М. Проект «Цифровая верфь». Создание экосистемы для цифрового производства // Инновации № 9 (251). 2019.
4. Рындин А.А., Тучков А.А. Системы управления проектными данными в области промышленного и гражданского строительства: наш опыт и понимание // САПР и графика. 2013. № 2.
5. Чиковская И.Н. Внедрение BIM — опыт, сценарии, ошибки, выводы // САПР и графика. 2013. № 8.
6. Тучков А.А., Рындин А.А. О путях создания систем управления инженерными данными // САПР и Графика" Февраль, 2014 г.
7. А. Белевцев. «Газпром нефть» защитила патентом собственную систему управления инженерными данными // Сайт Национально ассоциации нефтегазового сервиса https://nangs.org/news/it/gazprom-nefty-zashtitila-patentom-sobstvennuyu-sistemu-upravleniya-inzhenernymi-dannymi
8. «Газпром нефть» оснастила НПЗ собственной системой управления инженерными данными» // Сайт CNews. https://www.cnews.ru/news/top/2020-10-28_gazprom_neft_osnastila