Цифровые двойники: каковы успехи технологии в нефтегазе?
Несколько лет назад цифровые двойники в промышленности были одной из самых обсуждаемых тем. Не оставалась в стороне и нефтегазовая отрасль. Каковы успехи технологии сейчас, после введённых санкций и ухода иностранных компаний? И как стоит воспринимать эти решения: как реально работающий инструмент или просто «хайп»? Поищем ответы на эти вопросы с экспертами отрасли.
Что за зверь — цифровой двойник?
Перед тем как обсуждать успехи цифровых двойников, стоит разобраться, что под ними следует понимать. На первый взгляд, всё просто.
«Согласно ГОСТ Р 57700.37–2021, „цифровой двойник изделия” (ЦД) — это система, состоящая из цифровой модели изделия и двусторонних информационных связей с ним и/или его составными частями», — отмечает менеджер по развитию ООО «Наука» (NAUKA) Дарья Смирнова.
Однако не все согласны с такой формулировкой. Другое дело, что предложить более ёмкую альтернативу пока не получается. Хотя словосочетание «цифровой двойник» уже давно у всех на слуху, даже специалисты не всегда могут дать ему точное определение.
«Сам термин был введён в 2002 году. За это время мы все уже должны были разобраться, что это такое, и научиться применять и термин, и сами цифровые двойники. Но у меня стойкое ощущение, что мы всё ещё по-разному понимаем, что это такое, и точно находимся в разных стадиях использования и применения этих решений», — отметил директор по цифровой трансформации ПАО «Газпром нефть» Олег Третьяк, выступая на форуме TNF.
Это высказывание подтолкнуло других участников сессии «Цифровые двойники в промышленности: опыт, ожидания, перспективы» поделиться мнением о том, как они представляют себе цифровые двойники в нефтегазовой отрасли.
Так, директор по цифровой трансформации блока логистики, переработки и сбыта «Газпром нефти» Нина Сухова понимает под цифровым двойником непосредственно модель управления процессами.
«Это автопилот, который сам осуществляет управление, но в случае каких‑то кризисных ситуаций пилот сам берётся за штурвал. Оптимальные режимы работы установки объединяются в общую модель, и система ищет наилучший режим для всего завода. И это самая сложная часть. Всегда происходят какие‑то усложнения, и цифровой двойник должен реагировать и выстраивать работу с учётом внешних факторов», — отмечает г-жа Сухова.
При таком раскладе цифровые двойники тесно переплетаются с другой популярной технологией — искусственным интеллектом (ИИ). Об этом же говорит и руководитель направления «Разработка цифровых решений и корпоративная ИТ-архитектура» ООО «Сибур Диджитал» Денис Юдаков.
«Все разговоры об ИИ в промышленности постепенно приходят к тому, что мы под ним понимаем как раз создание цифрового двойника. С помощью искусственного интеллекта, основываясь на исторических данных, мы пытаемся заменить те места, где раньше решения принимали люди. Здесь мы, как и все, сталкиваемся с вопросами наличия данных, перевода всех процессов, не только собственно производства, но и всех смежных, в „цифру”», — рассуждает г-н Юдаков.
Важно, что создание цифрового двойника — это не просто сбор данных, чтобы получилась копия завода. Ключевая задача — моделирование. При строительстве или модернизации они зачастую появляются ещё до физического объекта, добавляет представитель «Сибур Диджитал».
Своё мнение по этому вопросу есть и руководителя дирекции решений для промышленного интернета ООО «ТерраЛинк Технолоджис» Виктора Михалёва.
«Цифровые двойники позволяют повторять в „цифре” поведение некоторых характеристик производственного объекта в максимальной схожести с реальным его поведением в рамках математических формул, физических и химических законов.
Чем больше цифровой двойник владеет точной информацией о своём объекте, чем больше его характеристик может „повторить”/эмулировать, тем выше уровень его зрелости. При этом улучшение цифрового двойника происходит на постоянной основе, так как информация об объекте в ходе его эксплуатации/модернизации меняется, и нужно это учитывать.
Лучше всего здесь подходит тезис „учиться, учиться, и ещё раз учиться”. Производственные объекты и технологические процессы, в которых они участвуют, изменяются, и за ними должны поспевать их цифровые двойники», — считает Виктор Михалёв.
О том, что цифровой двойник — это не просто копия существующего производства, говорит и заместитель генерального директора по нефтехимическим проектам ООО «РТСИМ» Виктор Кузнецов.
«Основой цифрового двойника является математическое обеспечение, которое включает адекватные детерминированные динамические модели, представляющие собой системы нелинейных дифференциальных уравнений материального и теплового балансов, уравнений, описывающих термодинамические, фазовые, тепломассообменные, кинетические, гидродинамические, гидравлические и другие аспекты процессов химической технологии.
Особенностью цифровых двойников является возможность точного моделирования термодинамики процессов фазового перехода и тепломассообменных процессов многокомпонентных рабочих смесей любой размерности.
Цифровые двойники настроены в максимальном приближении к реальным технологическим процессам, тем самым обеспечивается возможность имитации различных технологических ситуаций во всем диапазоне изменения параметров технологического режима, что позволяет использовать тренажёры для моделирования разных режимов работы оборудования для обеспечения требований, предъявляемых к качеству выпускаемых продуктов, и повышения производительности установки.
Здесь нужно понимать, что нефтегазовая и нефтехимическая промышленность — это опасные процессы. И те задачи, которые ставятся перед цифровым двойником, реализовать на существующих, работающих объектах невозможно. Это чревато инцидентами вплоть до аварий», — подчёркивает г-н Кузнецов.
На что способны цифровые двойники?
И всё же подобная «неопределённость в определении» не может не настораживать. Что кроется за «красивой обёрткой»? Какую реальную пользу приносят цифровые двойники?
По мнению архитектора решений департамента нефти и газа ООО «Группа «Рексофт» Сергея Михайлина, технология открывает широкие возможности для предприятий. Во-первых, цифровые двойники позволяют компаниям моделировать и анализировать свои производственные процессы в виртуальной среде.
«Это помогает выявить „узкие места” и оптимизировать операции, что приводит к повышению эффективности бизнеса», — отмечает г-н Михайлин.
Следующий блок задач связан с прогнозированием. Здесь цифровые двойники позволяют предсказывать результаты и изменения в производственных процессах, что помогает компаниям принимать более взвешенные решения. Качество планирования и прогнозирования возрастает за счёт более точного воспроизведения деятельности предприятия.
«Всё это позволяет снизить риски, что особенно актуально для потенциально опасных для человека и окружающей среды нефтеперерабатывающих, нефтехимических и химических производств», — резюмирует Сергей Михайлин.
Кроме этого, цифровые двойники позволяют сократить время и затраты на тестирование и моделирование в реальной среде. А это помогает не только повысить качество продукции, но и, что важно, сэкономить ресурсы, добавляет представитель «Рексофта».
В свою очередь, Виктор Михалёв отмечает, что в ходе эксплуатации технологического объекта его цифровой двойник может работать в одном из двух качеств:
а) в роли «цифрового советчика» — «я знаю эту ситуацию и могу строить прогнозы, давать советы»;
б) в роль «цифрового студента» — «я вижу данную ситуацию впервые и готов обучиться, чтобы применять полученные знания в будущем».
«При этом производственный персонал, который взаимодействует с цифровым двойником, должен всегда видеть, в какой роли из перечисленных выше тот находится. Понятно, что, если цифровой двойник лишается возможности учиться, то будет „вечным студентом”», — поясняет Виктор Михалёв.
О каких конкретно задачах идёт речь?
«На практике они могут примениться для различных сценариев, например для проверки драфта производственного плана. Цифровому двойнику ставят задачу „что, если”, задавая на вход плановые данные и различные условия, а на выходе он даёт прогноз результата. Тем самым можно отработать несколько вариантов производственного плана и определить оптимальное соотношение параметров „время — цена”, „ресурс — качество”», — объясняет г-н Михалёв.
Если говорить о специфике отрасли, то здесь цифровые двойники наиболее востребованы в области добычи нефти и газа. И здесь один из ключевых вызовов — работа с трудноизвлекаемыми запасами углеводородов.
«При решении таких сложных задач важную роль играют научно-исследовательские институты, которые занимаются прикладными проблемами отрасли. Они присутствуют в составе крупных холдингов, обмениваются опытом, и, конечно
же, у нас с ними строятся взаимовыгодные отношения, в которых мы совместно подбираем, настраиваем инструменты для соответствующих цифровых двойников», — рассказывает представитель «ТерраЛинк Технолоджис».
Как же именно эта технология помогает добывать «трудную» нефть? По словам Виктора Михалёва, цифровые двойники служат инструментом моделирования для определения эффективного метода увеличения нефтеотдачи для конкретной скважины.
«Кроме этого, они могут помочь в решении основной проблемы добычи ТРИЗ — парафинизации стенок скважины. Инженеры стремятся использовать такие методы борьбы с отложениями, которые позволят максимально расширить межочистной интервал. И использование данных цифровых двойников как раз обеспечивает скорость и непротиворечивость расчётов технического и финансового обоснования выбранного метода», — считает г-н Михалёв.
О том, что цифровые двойники в нефтегазовой отрасли используются при геологоразведке и добыче, говорит и Дарья Смирнова.
«Такие решения, как интеллектуальное месторождение и цифровая скважина, позволяют повышать эффективность и безопасность процессов извлечения углеводородного сырья», — отмечает представитель «Науки».
Ещё одно направление, где используются цифровые двойники, — переработка нефти и газа.
«Здесь на сегодняшний день наиболее актуальны для отрасли математические модели технологических процессов, построенные на основе знаний о закономерностях физико-химических превращений веществ и сред.
Такие модели способны с высокой точностью имитировать работу технологического оборудования и происходящие внутри него преобразования, а их применение помогает оптимизировать работу технологических установок, а значит, снижать затраты в производстве», — рассказывает Дарья Смирнова.
Создаём цифрового двойника: основные этапы
Итак, компания решила, что отдача от цифрового двойника стоит затраченных на него усилий и ресурсов. С чего следует начинать? Сергей Михайлин подчёркивает, что создание цифрового двойника — процесс, который может требовать постоянного совершенствования и обновления в соответствии с изменениями в физическом объекте и его окружении.
Представитель Группы «Рексофт» выделяет здесь следующие этапы:
- создание плана, который определяет цели и задачи цифрового двойника, а также необходимые ресурсы и сроки выполнения;
- определение целей цифрового двойника и того, какие аспекты физического объекта надо воспроизвести и какие функциональности потребуются;
- сбор данных о физическом объекте и его окружении;
- выбор подходящих инструментов и продуктов для создания и управления цифровым двойником;
- создание непосредственно виртуальной модели с учётом допущений и ограничений;
- консолидация данных из разных источников в цифровой двойник для обеспечения информационной наполненности модели;
- расчёт эффекта от внедрения;
- корректировка модели с учётом полученных результатов для повышения её эффективности.
Дарья Смирнова подчёркивает, что последовательность работы зависит от типа цифрового двойника. Но в целом однозначно можно выделить единые подходы и этапы, такие как: - детальное обследование моделируемого объекта, сбор и валидация данных;
- разработка математического описания реального объекта;
- проверка адекватности созданной математической модели.
«Что касается особенностей, присущих нефтегазовой отрасли, то можно отметить трудности, связанные с самой природой углеводородного сырья. Ведь и нефть, и даже природный газ представляют собой весьма сложную смесь большого количества веществ, изменения свойств которых во многом влияют на эффективность переработки и качество получаемой продукции.
Корректный учёт закономерностей химических и физических преобразований в широком диапазоне изменения условий является залогом получения высокоточной модели, пригодной для применения в процессах управления производством», — полагает Дарья Смирнова.
Свой алгоритм предлагает и Виктор Михалёв. Специалисты «ТерраЛинк Технолоджис» выделяют в нём следующие этапы:
- обследование технологического объекта, анализ всей доступной информации;
- моделирование и разработка пользовательского интерфейса цифрового двойника;
- подготовка данных для обучения цифрового двойника;
- обучение цифрового двойника;
- тестовая эксплуатация и передача в эксплуатацию;
- поддержка цифрового двойника при эксплуатации.
«При этом проект по созданию цифрового двойника может закончиться уже после первого этапа обследования. Примеров тому может быть много, в частности, в случае недостаточности данных от средств измерения характеристик объекта. В такой ситуации выдаётся отчёт дооснащения технологического объекта измерительными средствами.
Ещё одним препятствием для создания цифрового двойника может стать невозможность перенести его поведение в машинный алгоритм. Например, когда документация об объекте недостаточно детализирована и не применима для переноса в программный код. И, конечно же, для создания цифрового двойника требуется необходимый и достаточный объём исторических данных о технологическом объекте в хорошем, приемлемом для обучения качестве», — добавляет Виктор Михалёв.
При этом представитель «ТерраЛинк Технололджис» не видит здесь каких‑то особенностей, присущих именно нефтегазовой отрасли. Вся специфика находится в самой технологии производства, в его описании в виде математических формул, физических и химических законов.
Цифровые двойники в России: что им мешает?
Учитывая глубину проникновения зарубежных IT-решений в контур российских компаний, можно было предположить, что санкции поставят жирный знак вопроса напротив перспектив цифровых двойников в российском нефтегазе. Насколько сбылись негативные прогнозы? Можно сказать, что худшего не случилось, но некоторые опасения подтвердились.
«Ключевой барьер — доступность софта. Действительно, компании ушли, и теперь проблема — эти решения нужно воссоздать. Раньше нам алгоритмы, построенные на формулах, моделирующие физико-химические процессы, „приносили” иностранные вендоры. В чём было преимущество иностранных компаний?
Они получали данные большого количества участников с разных объектов. И процесс этот шёл десятки лет. Сейчас мы уже столкнулись с проблемой, где брать данные.
У нас столько времени нет, приходится делать гораздо быстрее, поэтому вынуждены использовать антирыночные схемы: объединять промышленные компании для того, чтобы получать продукты в более короткий срок», — комментирует ситуацию Денис Юдаков.
Встаёт вопрос и обслуживания уже действующих продуктов.
«Цифровой двойник настроен на оборудование, и если ничего не меняется, то он так и будет работать. Но в бизнесе так не бывает, поэтому двойник нужно поддерживать. Для этого необходимо вовлечение технологов, которые меняют инженерную модель», — отметил в своём выступлении на форуме TNF управляющий партнёр сегмента «Нефть и химия» ООО «ИБС» (IBS) Александр Соколов.
Есть и хорошие новости: начиная с 2022 года, на рынке появилось достаточно предложений от отечественных разработчиков. Впрочем, есть одно но.
«Другое дело — уровень зрелости этих решений. Как правило, по функциональности они, действительно, „не дотягивают”», — признаёт г-н Соколов.
Причины подобного проседания на поверхности. Большинство таких решений создаются за счёт собственных инвестиций. Понятно, что в таких условиях сложно конкурировать с западными продуктами, которые развиваются десятилетиями и используются у крупных заказчиков во всём мире.
«Заказчики, понимая, что разработчики за счёт собственных средств развивать софт будут достаточно долго, создают консорциумы для создания сложных, трудоёмких решений за несколько лет в режиме большого количества инвестиций. Но при дальнейшем развитии продукта без вендоров всё равно не обойтись. Сейчас же возникают споры между заказчиками и вендорами, что первые идут не в свою зону ответственности, начинают заниматься сопровождением, нежели развитием решений», — комментирует положение дел Александр Соколов.
Представители нефтегазовых компаний, в свою очередь, отмечают, что и рады бы пользоваться готовыми решениями от отечественных разработчиков, но пока это не всегда получается.
«В нашем случае речь идёт о создании решения фактически с нуля. И здесь мы столкнулись с отсутствием серьёзных научных заделов по инженерной части. Оказалось, что у нас достаточно маленькое количество школ в университетах. Сейчас работаем с вузами, но это только начало пути.
Хотелось бы, чтобы лет через пять эти научные заделы уже были. И тогда появятся стартапы, которые позволят более зрелые решения апробировать, а не так, как сейчас, когда решений практически нет, и заказчики вынуждены конкурировать с разработчиками», — поделилась опытом Нина Сухова.
Ищем поводы для оптимизма
Впрочем, в этой ситуации тоже можно найти свои плюсы. Находясь в начале пути, можно избежать повторения ошибок предшественников. Главное — правильно расставить цели и мыслить на перспективу, считает руководитель блока консалтинга и трансформации ООО «Нефтьсервисхолдинг» Ашот Мосесян.
«Перед нами всегда ставится задача получить результат если не сегодня, то хотя бы завтра. А развивать рынок, инфраструктуру — это всё задачи на десятилетия. Никто не готов ждать, и это понятно: бизнесу нужно работать, нельзя остановить все процессы, ждать, пока все иностранные продукты заменим. Поэтому идём маленькими шагами, используем все современные наработки. И это временные решения, так называемые костыли.
Когда к завтрашнему дню нужно решить задачу, мы берём лучшее из того, что есть, где‑то используем какие‑то остатки иностранного ПО, „прикручиваем” какие‑то свои решения. Но если смотреть стратегически, вдаль, то мы, конечно, придём к тому, что у нас тоже появятся хорошие развитые продукты. Потому что решения западных компаний создавались, по сути, в 1960–80‑е гг.
И надо понимать, что средства разработки и ПО были совсем не похожи на сегодняшние. Сейчас этот путь можно пройти в 10 раз быстрее при наличии соответствующей квалификации, идей. Чтобы дойти до этого, нам нужен стабильный спрос, чтобы не было такого, что через какое‑то время нам скажут: „Всё, не надо, мы нашли в другом месте”. В таких условиях любой долгосрочный проект развалится. А если будет стабильный спрос, то сформируется предложение, появятся инвестиции, компании», — считает г-н Мосесян.
Пока же опрошенные нами эксперты констатируют, что технология, несмотря на санкции, остаётся востребованной.
«Невзирая на внешние факторы, отрасль развивается, на повестке дня у многих компаний — реализация амбициозных проектов по повышению эффективности функционирования активов. В условиях санкций нефтегазовые компании обращают фокус внимания на отечественные решения во всех сферах.
На сегодняшний день можно отметить развитие конструктивного диалога между отраслью в роли заказчика решений и разработчиками отечественных продуктов. Есть успешные кейсы замещения импортного программного обеспечения отечественными разработками; примеры совместной работы по совершенствованию имеющихся наработок», — отмечает Дарья Смирнова.
В качестве примера эксперт приводит замещение функционала ПО для нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств, востребованного в отрасли, но подверженного санкционным рискам.
Сегодня в NAUKA занимаются разработкой системы моделирования технологических процессов, в перспективе способной полностью покрыть функциональность этого и других зарубежных продуктов. Отметим, что в начале года в «Сколково» презентовали продукт «Аэросим». Заявлено, что он может заместить часть функционала Aspen HYSYS.
В свою очередь, Виктор Михалёв отмечает, что в условиях развития нефтегазовой отрасли и освоения новых месторождений спрос на цифровые двойники будет расти вне зависимости от санкций.
С тем, что спрос на технологию есть, согласны и в «ТерраЛинк Технолоджис».
«Уже сейчас некоторые заказчики активно интересуются и инициируют проекты цифровых двойников на базе линейных моделей и нейронных сетей. Ожидается продолжение роста интереса к этой тематике, но уже на базе отечественных продуктов, которые сейчас активно разрабатываются», — добавляет Сергей Михайлин.
Вложиться сегодня, чтобы получить результат завтра
Как мы видим, сложностей хватает. Стоит ли в этих условиях вкладываться в дорогостоящий проект по созданию цифрового двойника? Или целесообразнее будет решит эти задачи за счёт других механизмов? Эксперты соглашаются, что рациональное зерно в этих сомнениях есть.
Так, Сергей Михайлин полагает, что создание цифрового двойника интересно предприятиям с высокой цифровой зрелостью и на данный момент не является первостепенной задачей для российских компаний.
«Сейчас, перед тем как приступать к созданию цифрового двойника, нужно сесть и хорошо подумать, для чего мы его создаём. Модель должна быть максимально простой. Зачем тратить избыточные ресурсы, делать сложное анимирование с вводами-выводами, чтобы просто показать картинку?
Естественно, потом это никак не окупается, и делается вывод о том, что технология не выполняет свою функцию. Поэтому для нас цифровой двойник — это в первую очередь бизнес-процесс», — рассуждает Ашот Мосесян.
Дарья Смирнова считает, что для того, чтобы избежать ситуации разработки «модели ради модели», нужно чётко представлять задачи, которые предполагается решать при помощи цифрового двойника. К тому же нужно понимать, что технология будет эффективной для активов, хорошо оснащённых в части систем автоматизации и сбора информации о процессе, подлежащем описанию.
Потому что одно из важнейших условий создания точной математической модели объекта — это наличие достаточного объёма качественных непротиворечивых данных. Тем не менее, признавая, что конечный выбор остаётся за бизнесом, Дарья Смирнова приводит доводы в пользу внедрения цифровых двойников.
«Конечно, любое предприятие будет функционировать и в отсутствии цифровой поддержки. Однако мировой опыт показывает реальные примеры значительного повышения эффективности работы конкретных объектов в результате использования технологии цифровых двойников», — отмечает представитель «Науки».
Даже если сейчас эффективность цифровых двойников вызывает сомнения, то через несколько лет обойтись без них будет уже затруднительно, считает Виктор Михалёв.
«Конечно решение принимается клиентами после всестороннего анализа и оценки всех потенциальных преимуществ от создания и применения этой технологии. Но здесь важно отметить: качественный цифровой двойник является важным цифровым активом высокотехнологичного предприятия, а в ближайшем будущем его значение станет критичным. Создать качественный цифровой двойник быстро не получится, поэтому нужно планировать свои инвестиции и время в современные технологии уже сегодня, чтобы завтра оставаться конкурентоспособным на меняющемся рынке», — заключил представитель «ТерраЛинк Технолоджис».
Слово экспертам
Виктор Кузнецов, заместитель генерального директора по нефтехимическим проектам ООО «РТСИМ»
«Количество заявок после событий 2022 года не уменьшилось, а, наоборот, увеличилось. Препятствий на пути внедрения цифровых двойников в России сейчас мы не видим. Есть здоровая конкуренция, много перспективной молодёжи, и в целом IT-технологии в России сейчас на подъёме».
Сергей Михайлин, архитектор решений департамента нефти и газа ООО «Группа «Рексофт»
«Санкции оказали негативное воздействие на сферу в целом. Цифровые двойники разрабатывались на основе программных инструментов западных производителей, которые на данный момент недоступны. Сейчас наши заказчики пытаются решить более насущные проблемы, связанные с АСУ ТП и поддержанием оптимизационных и производственных систем в рабочем состоянии после ухода вендоров с российского рынка».
Дарья Смирнова, менеджер по развитию программного продукта ООО «Наука» (NAUKA)
«Идея цифровых двойников не является абсолютно новой. На протяжении последних 2–3 десятилетий концепция всё более успешно используется в автоматизированном проектировании на базе 3D-моделей, расширяя возможности по управлению жизненным циклом материальных ценностей и объектов, в том числе в нефтегазовом производстве».
Виктор Михалёв, руководитель дирекции решений для промышленного интернета ООО «ТерраЛинк Технолоджис»
«Наибольшее число запросов о необходимости создания цифровых двойников наблюдается на стадии добычи нефти и газа. Цифровой двойник промысла может повысить эффективность управления добычей и дополнить действующие АСУ ТП современными возможностями цифровых решений, снижая негативное влияние человеческого фактора и ошибки».
Текст: Михаил Романов.
Все фото: ru.freepik.com.