Свидетели Большого Пазла: BIM в новом технологическом укладе

Предисловие

В мировой железнодорожной отрасли идёт гонка. Ведущие индустриальные державы как будто в одночасье озаботились преобразованием старейшей логистической системы, сделавшей капитализм промышленным феноменом. Структура и объём иностранных публикаций показывают, что в транспортную науку сейчас вливают большие деньги. На повестку дня ставятся проблемы увеличения скорости поездов (причём в разы), полного преобразования систем связи и управления, о «цифровом двойнике» скоро будут говорить из каждого утюга… Что происходит? Нам, инженерам, важно не только фиксировать, но и понимать причины мировой «движухи», поскольку озабоченное начальство даёт только форму, но наполнение формы содержанием – исключительно в нашей компетенции. Если мы ошибёмся, то ошибка, растиражированная от Мурманска до Владивостока, приведёт к очень чувствительным последствиям. Следовательно, это не соревнование «кто прибежит первым», решения должны быть не быстрыми, но правильными.

Проблема заключается в том, что стратегические решения, определяющие ключевые направления инженерных разработок, не лежат в области инженерных дисциплин.

А это значит, что для понимания логики принятия решений необходимо вернуться к тезисам предыдущей статьи (Корпоративная вселенная: BIM в технологических укладах), где читатель познакомился с определениями: ключевые факторы влияния, технологический уклад, производственная и учётная функции информационной системы.

Монах подходит к Большому Пазлу

В упомянутой в предыдущей статье методике проведения исследований хозяйственного механизма, помимо двух компонентов – работы с организационно-распорядительными документами и проведения интервью с ключевыми специалистами – имеется ещё и третий компонент. Это статистика. Каждый из компонентов триады, в соответствии с рекомендациями Ю.В. Ярёменко¹, даёт свою специфическую информацию для анализа. Поэтому изучение статистической информации является необходимым.

¹ О методе исследований Юрия Васильевича Ярёменко, директора ИНП РАН, см. Наблюдение за наблюдающим: о методе isicad-а.

Однако запрашивать новые данные для исследования в большой компании всегда сложно – никто не стремится помогать другому, если это не касается его производственных проблем. Поэтому для исследования необходимо использовать уже существующие доступные данные, сведённые в некую систему.

Наибольшую ценность для исследователя представляет статистика, собираемая о работе техноструктуры контрольными органами компании², поэтому для статистического анализа были использованы материалы корпоративной Системы управления рисками. Система интересна тем, что в ней активно участвуют сами подразделения, ежеквартально занося информацию по рискам деятельности, риск-факторам/причинам, компенсирующим мероприятиям и, что важно, – величинам фактических и прогнозируемых убытков от воздействия рисков на производственную деятельность. Для проведения анализа в выборку были взяты ключевые подразделения бизнес-процесса компании, для сглаживания трендов была использована годовая статистика.

² О причинах такого вывода читайте в статье В поисках альтернативы: от функционально-ориентированного управления к концепции бизнес-безопасности.

Изучение статистики показало, что наши коллеги постарались от души: при подсчёте общего числа риск-факторов по ключевым подразделениям оказалось, что размерность задачи управления превышает 300 позиций, что является чрезмерным для эффективного принятия управленческих решений. Значит, надо сокращать размерность.

Тогда, с целью повышения эффективности дальнейшего анализа, было введено понятие «ключевого фактора влияния», взятое из «Матричного метода разработки продукции»³.

³ Подробно о матричном методе: Новые модели продуктового проектирования: матричный метод.

Ключевой фактор влияния – это объективно существующее долговременное явление, оказывающее систематическое существенное влияние на доходы и расходы компании в рамках действующей бизнес-модели компании; к особенностям фактора относится оценка его влияния через систему объективно измеряемых показателей (непрямое измерение).

Как видно из предшествующей статьи, всё многообразие причин реализации рисков удалось свести к четырём факторам, интересующим бизнес (см. табл. 1).

Таблица 1. Ключевые факторы влияния

Теперь необходимо осуществить оценку текущей конфигурации ключевых факторов влияния на инфраструктуру. Это позволит понять приоритетные направления разработки проекта цифровой трансформации, целенаправленно воздействующей на те факторы, которые сейчас наносят наибольший ущерб компании. Значит, речь далее пойдёт про «святое» – про деньги. Убытки по рискам, соотнесённые с ключевыми факторами влияния, были аккуратно подсчитаны…

Монах находит ключ

Результаты подсчёта показали, что в сегодняшней конфигурации доминируют факторы КВФ1 и КВФ2, связанные с коммерческими, а не технологическими (КВФ3) рисками.

В доминирующих «коммерческих» факторах влияния подразделениями отмечены ряд причин, которые можно назвать технологическими. Но если бы технологические риски в КВФ1 и КВФ2 играли существенную роль (плохая работа техники и нарушения технологической дисциплины), то это должно было отразиться на значении КВФ3 («Невыполнение технических и прочих нормативов эксплуатации инфраструктуры и работы подвижного состава»). Однако общая сумма убытков по причине технологических эксцессов («невыполнение нормативов») оказалась относительно невелика. Это означает, что техника в целом работает исправно, технологические циклы не нарушены, техническая и деловая культура технического персонала в целом соответствует требованиям, хозяйственный механизм исправен… Но тогда это может означать только одно: проблемы имеются в типовых технологических процессах – они вышли на потолок своих возможностей.

Поскольку «слабым звеном» являются не отдельные элементы технологического уклада (тяга, груз, сеть, связь), а слабым звеном является типовой технологический процесс, определяющий общую эффективность комплекса используемых технологий, то можно сказать, что доминирующий технологический уклад компании не успевает за современным спросом и становится всё более устаревшим.

Поскольку технологические уклады железнодорожных перевозок ведущих индустриальных держав мира находятся на одном техническом уровне, то, по всей видимости, к тем же выводам, раньше или позже, пришли наши коллеги за рубежом. В этом причина активного поиска и внедрения инноваций в железнодорожный транспорт по всему миру, о котором говорилось в начале этой статьи – отрасли необходимо кардинально менять уклад.

Надо сказать, что устаревший технологический уклад не является безобидной фигурой речи. Как опухоль плодит метастазы, так и устаревший уклад начинает создавать существенные проблемы в слаженной работе хозяйственного механизма компании: так доминирование устаревшего технологического уклада влечёт за собой проблему инвестиций, поскольку стройка строит тот уклад, который прикажут. Поскольку эффективность устаревшего уклада понижена относительно требований рынка, то инвестиционный сектор компании начинает работать с большой перегрузкой. Перегрузка инвестиционного сектора компании вызывает одновременно дефицит инвестиций, что можно пояснить на примере.

Пример. Необходимо построить завод, дающий 30% прибыли. Однако имеется устаревшая технология, которая может дать только 3%. Значит, необходимо построить 10 заводов вместо одного. Найти инвестиции на 10 заводов намного сложнее, чем на один, – возникает дефицит инвестиций⁴.

⁴ Эта проблема известна ещё по временам позднего СССР: «передовые» отрасли машиностроения, представленные в Госкомитете по науке и технике, несмотря на масштабные инвестиции в строительство новых заводов, перестали приносить прибыль, и прибыль обеспечивалась нефтегазовым сектором. Тогда грешили на перекос директивных цен по отраслям, что и послужило одной из причин отказа от плановой экономики. Однако сейчас, в разгар капитализма, понятно, что устаревание технологического уклада имеет общий механизм, несущий угрозу индустриальной системе, вне зависимости от выбора социалистического или капиталистического пути развития (по материалам книги О.В. Григорьева «Эпоха роста»).

Устаревший уклад создаёт проблему «цикла и такта». Поскольку пропускная способность логистической сети ограничена, то стремление удержать интервалы между проводкой грузов по железнодорожному пути (такт), приводят к неуправляемому росту общего времени оказания услуги по перевозке груза (цикл). Тогда часть клиентов, которым нужно побыстрее, выбирают другие виды транспорта, пусть и более дорогие. Это разгружает железную дорогу до приемлемого уровня, но ведёт к снижению общей доли перевозок среди альтернативных видов транспорта, что отмечается во всём мире (КВФ1).

Следует сказать, что проблемой устаревших технологических укладов также является подавление инноваций: новая технология, встраиваясь в устаревший уклад, частично теряет свою эффективность (как было показано в предыдущей статье), а значит точечное внедрение какой-либо «супертехнологии» в устаревший уклад не даст того эффекта, на который рассчитывают.

Инвестиционный выбор (замещать существующие технологии или их дополнять?) в случае устаревшего технологического уклада всегда склоняется в сторону замещения. Таким образом, перед компанией встаёт вопрос о формировании нового инновационного уклада вместо модернизации существующего.

Следовательно, система управления жизненным циклом объектов инфраструктуры с использованием технологий информационного моделирования (ТИМ) должна разрабатываться как составная часть нового, инновационного уклада.

Последние два абзаца сформировали «ключ», отбросив ложные направления. В отличие от других отраслей, BIM-технология не интересна компании-перевозчику сама по себе, её не стоит рассматривать как отдельный проект, её малополезно встраивать в существующий устаревший уклад, также нет смысла тратить много усилий на учётную функцию информационной системы. Только интегрированная в программу проекта нового техуклада, включённая в производственную функцию BIM-технология создаст новую эффективность и новую прибыль. И изменит тем самым текущую конфигурацию факторов на более экономически приемлемую.

Большой Пазл изменился. Теперь он превратился в Пазл Нового Техуклада. Какие элементы он содержит?

Перед нами множество дверей. Одни из них ведут в никуда, за другими лежат огромные богатства, многократный рост прибыли. Наступает время «фронтира»⁵, время подбора технологий.

⁵ Frontier (англ.) – граница. В данном контексте применяется как обращение к передовым научно-техническим разработкам, НИР и НИОКР.

Одна из концепций конфигурации будущего техуклада предполагает, что он будет основываться на безлюдных технологиях, что подразумевает высокую степень автономности инженерных систем⁶.

⁶ Для нового технологического уклада важно не содержание инфраструктуры, а рост её производительности. Рост производительности (отдачи) подразумевает, что все элементы должны работать максимально напряжённо, увеличивая пропускную способность. Это могут обеспечить только автоматически вычисляемые алгоритмы/модели, а не человек-диспетчер – вот ключ к обоснованию автономности.

Рис. 1. Производственная функция – целевое состояние

Монах открывает дверь

Технология BIM, как и любая инновация, представляет из себя недоработанную идею. BIM-модель прекрасно «работает» на стадии проектирования, но недоработанность идеи заметна уже на стадии строительства и в полной мере проявляется на стадии эксплуатации.

Например, BIM-модель моста не колеблется от ветра, не входит в резонанс, не деформируется при движении поезда, не проседает на грунте при оттаивании вечной мерзлоты, и т.п. Классическая BIM-модель не повреждается и не разрушается со временем, в своей первоначальной концепции – она вечна. А это значит, что модель противоречит реальности, где тот же мост на этапе эксплуатации нагружается, деформируется, повреждается, разрушается и ремонтируется. В концепции BIM есть фактор пространства, но отсутствует важнейший фактор физического мира – время⁷.

⁷ В данном случае авторы делают акцент не на возможности визуализации BIM-сборки по частям, что воспринимается как учёт фактора времени при планировании строительства, а на изменении первоначальных проектных характеристик элементов модели при воздействии на неё реальных эксплуатационных нагрузок (деформаций, повреждений, износа) с целью определения остаточного ресурса.

Значит, если цифровой двойник, построенный по технологии BIM, не может напрямую сопрягаться с реальным физическим объектом, остаётся только одно решение – построить интерфейс перехода, который мы называем «физическим двойником» реального объекта – грамотно выделив из бесконечного многообразия свойств эксплуатируемого объекта физические процессы, влияющие на его безопасность и долговечность, а значит – и на функциональность.

Физический двойник железнодорожного моста

Концепция физического двойника (ФД) объекта инфраструктуры основывается на «принципе эталона»: сверке эталонного поведения⁸ объекта при текущем сочетании нагрузок с показаниями датчиков. Если расхождение превышает допустимую погрешность – значит, на физическом объекте возник какой-то дефект, неучтённый ФД, требуется срочное обследование.

⁸ В данной статье «эталон» – это релевантная физическому объекту деформируемая модель, построенная по информации, взятой с BIM-модели объекта (о требованиях к качеству BIM-модели можно прочесть в статье Парадигма СИМПлекс: формирование инженерной модели основных фондов);
под «эталонным поведением» понимается «карта» откликов характерных точек объекта на все типы возможных значимых нагрузок, построенная в разумной уверенности бездефектности несущих конструкций. Далее, на практике, при расчёте текущего напряжённо-деформированного состояния объекта, используется принцип суперпозиции.

К основным динамическим нагрузкам на железнодорожный мост относят ветровую нагрузку и нагрузку от прохождения поезда. В физический двойник записывается информация о ветровых воздействиях (аэродинамические коэффициенты, спектры и числа Струхаля) при различных направлениях и параметрах ветра, в том числе с учётом движущегося по мосту поезда. Если мы имеем статистически точные метеоданные для этого участка местности, то дело только за подходящим аэродинамическим расчётным пакетом и квалификацией расчётчиков. С набором подвижных нагрузок от поезда дело обстоит несколько сложнее...

Рис. 2. Физический двойник моста. Пазл складывается...

⁹ Для упрощения обмена данными общая информация о типах поездов и локомотивов может находиться в обновляемой базе ФД объекта.

Расчёт эталонных значений отклика в технически сложной конструкции в режиме реального времени требует серьёзных вычислительных мощностей. Где же их взять за Полярным кругом? ФД должен быть не только технически эффективным, но и относительно дешёвым. Решение было найдено с помощью специального математического приёма: расчётная модель моста «свёрнута» в суперэлемент, снизив размерность задачи до уровня «расчёт на месте». Результаты суперэлементного расчёта применяются к картам полей напряжений и деформаций полноразмерных элементов конструкции, вычисленных для «единичных» нагрузок. Это позволяет заранее выявить локальные концентраторы напряжений¹⁰.

¹⁰ Детальное описание метода более уместно в «ВАКовском» журнале (статья готовится).

Такой двухуровневый подход к построению расчётной модели конструкции даёт значительные преимущества:

• низкое энергопотребление (мощных вычислений нет, большинство требуемой информации зашито в блоках памяти);
• отсутствие сложных, дорогих и чувствительных к условиям работы электронных компонентов (суперэлементная расчётная модель занимает несколько десятков мегабайт и может быть рассчитана на процессоре уровня современного смартфона);
• полная импортонезависимость (импортные расчётные пакеты, если и использовались расчётчиками, остались за пределами ФД, а значит, для функционирования системы на объекте не требуется покупки и обновления лицензий);
• 100% защита интеллектуальной собственности (в блоках памяти – матрицы с цифрами, характерными для условий работы конкретного объекта инфраструктуры; даже если их скопировать – их невозможно применить к другому объекту).

Подведём итоги. Физический двойник железнодорожного моста – это программно-аппаратный комплекс, включающий в себя:

• редуцированную массово-жёсткостную расчетную модель конструкции на базе метода суперэлементов (на основе BIM-модели);
• набор ветровых нагрузок для различных направлений и характеристик ветра (в том числе при наличии движущегося поезда);
• набор подвижных нагрузок от поезда;
• набор иных нагрузок (ледовых, гидродинамических на опоры, просадок грунта и т. д.);
• расчетный модуль для оперативной оценки перемещений точек мониторинга при актуальных внешних воздействиях;
• модуль сверки и идентификации замеренных и расчетных (прогнозируемых) перемещений, скоростей, либо ускорений точек мониторинга;
• базу данных напряженно-деформированных состояний элементов конструкции при различных вариантах нагружения;
• алгоритмы оценки и прогноза повреждаемости элементов конструкции;
• модуль оценки ресурса проблемных участков конструкции.

Специалисты, кому практически интересна тема физических двойников объектов промышленной инфраструктуры, их интеграция и взаимодействие в технологической операционной системе, могут написать на адрес 352217@rambler.ru. Представьтесь, укажите место работы, вам ответят.

Послесловие

А эффективность использования инноваций всегда, через эффективность национальной экономики, влияет на мировой рейтинг держав… Поэтому наше служение компании есть форма служения Родине.