Россия: Центр инновационного развития «Синара — Транспортные Машины» (ЦИР СТМ) был создан еще в 2010 году как проектный офис по созданию новых маневровых тепловозов с акцентом на силовые установки. Однако за 10 лет на первый план вышли цифровые технологии, эффективность внедрения которых во многом будет залогом конкурентоспособности и компании, и ее подвижного состава на годы вперед. В связи с этим в 2021 году ЦИР СТМ был трансформирован из инжиниринговой в ИT-компанию, получил аккредитацию в Минцифры России и реализует сегодня амбициозную задачу — оцифровать все продукты до конца 2023 года.
Одним из приоритетным направлений на ближайший год в холдинге является сокращение времени постановки новинок на производство с нынешних 5-7 лет до 2,5-3 лет. Для этого осуществляется переход от классической схемы проектирования и производства подвижного состава к системе PLM (product lifecycle management). Это последовательный процесс: прежде чем выйти на уровень сквозной цифровизации процессов, нужно завершить их автоматизацию. Так что ЦИР СТМ сегодня ведет параллельную работу: помогает с автоматизацией и создает цифровые продукты, чтобы под них «подтянуть» цифровые процессы. Пилотный проект — микропроцессорная система управления и диагностики, разработанная в 2021 году, с этого года интегрируется во все локомотивы Людиновского тепловозостроительного завода (ЛТЗ).
Главным инструментом ускорения вывода подвижного состава является создание его «цифрового двойника» — цифровой копии физического объекта или процесса, состоящей из связанных моделей подсистем, а также всех необходимых данных и программного обеспечения. В идеальной ситуации он начинает создаваться на этапе концепции продукта: здесь еще нет облика изделия, но уже можно понять его состав, требования к нему и с высокой точностью, порядка 80%, себестоимость будущей техники.
В СТМ «цифровой двойник» на данный момент используется для ряда продуктов, в частности, для тепловоза ТЭМ10. Внедрение «цифрового двойника» для этой машины оказалось интересно тем, что для эффективного использования технологии оцифровка всего локомотива не нужна: разрабатываются и внедряются виртуальные аналоги конкретных систем, в зависимости от актуальности и необходимости. Для ТЭМ10 были сделаны «двойники» основных систем тепловоза — тормозной, тяговой, охлаждения, вентиляции. Сейчас «цифровой» ТЭМ10 находится на стадии внедрения. Запущен процесс верификации и валидации между цифровой и натурной машинами: данные, полученные в виртуальной среде испытаний, сличаются с реальными. Это позволит сделать модель работы систем более точной.
Работа в ЦИР СТМ. Источник: СТМ
Кроме того, ЦИР СТМ ведет плотную работу с Дирекцией скоростного сообщения РЖД в направлении оцифровки подвижного состава. С 2022 года компания занимается переводом в цифровой формат основных систем действующих электропоездов ЭС2Г «Ласточка», эксплуатируемых на МЦК и маршрутах пригородного сообщения. На данном этапе оцифрованы и разработаны математические модели тягового привода, системы кондиционирования, тормозной системы.
Важных эффектов от «цифрового двойника» несколько. Во-первых, это виртуальные испытания. Например, если появляется новая технологическая идея, то при одновременном создании ее имитационной модели становится возможным «обкатать» деталь в цифровых условиях, в том числе в тех режимах, которые нереально, тяжело и дорого провести в реальных условиях. Это могут быть отказы, экстремальные режимы работы, сложные динамические нагрузки и так далее. Результат — поле для принятия решений по техническим характеристикам узлов и систем без натурных испытаний, определение точек, например, для меньшего расхода металла в производстве при сохранение прочностных характеристик, что в итоге сокращает себестоимость.
Во-вторых, оптимизация процесса подбора компонентов в агрегатной части, ставшей крайне важной в свете импортонезависимости. Например, если в одной из систем мы работаем с определенным насосом, но есть необходимость протестировать другой агрегат — его не нужно ставить на некий опытный тепловоз. Просчет в виртуальном режиме, с заменой параметров и характеристик насоса позволит понять, будет ли работа системы с новым компонентом более эффективной. Данный подход позволил Холдингу обоснованно применять отечественные комплектующие взамен импортных, что позволило не останавливать производство выпускаемой техники.
Использование технологии «цифрового двойника» имеет накопительный эффект. На начальном этапе процесс создания математических моделей и инфраструктуры разработки может быть трудозатратным и долгим, но по мере накопления цифровых «копий» узлов, деталей, процессов, а также подтверждения их виртуальной «работы» натурными испытаниями эффективность их применения растет.
После проектных работ цифровая модель попадает к конструкторам, расчетчикам и технологам, которые в свою очередь четко понимают, с чем они работают и что в итоге должно получиться, — это второй этап работы, на котором подготавливается производство. А дальше у рабочего на предприятии в так называемом информационном киоске представляется вся последовательность данных для изготовления той или иной детали: конструкторская документация, технология и так далее. Такой киоск уже стоит в одном из цехов Людиновского тепловозостроительного завода, количество деталей, изготовляемых по цифровой технологии, постоянно расширяется.
Опыт использования цифрового двойника при конструировании позволил ЦИР СТМ разработать и внедрить на ЛТЗ и «Калугапутьмаше» собственный программный продукт по технологической подготовке производства.
Эскизный рендер одного из вариантов дизайна перспективных маневровых локомотивов СТМ. Источник: СТМ
Работа с «цифровым двойником» продолжается и после производства изделия — она насыщается реальными данными эксплуатации. Это позволяет понять и просчитать срок службы конкретного узла, его ресурс, степень надежности. Так, уже прописаны сервисные циклы для большинства деталей локомотивов ТЭМ9, ТЭМ10 и другой техники. Конструкторы и расчетчики, видя данные о «жизни» модели в реальной эксплуатации, используют их при проектировании следующих образцов техники, что позволяет уйти от возможных ошибок.
Цифровые системы меняют подход не только к проектированию и производству, но и к сервису техники, так как позволяют отслеживать качество регламентированного ремонта: анализируя массив данных «до» и «после», можно понять, что было заменено. Дальше система сравнивает информацию с регламентом и выдает заключение соответствия проведенных работ.
Помимо проверки качества обслуживания, это позволит свести к минимуму случаи нерегламентированного ремонта. Сейчас производителям неизвестно как на самом деле эксплуатируются машины, а при проектировании техника рассчитывается на основе технического задания, которое дает заказчик. Известны рельеф полигона, характер груза, температурные режимы, нагрузки, токи, тяговые усилия и так далее. Конструктор, безусловно, закладывает дополнительный ресурс прочности и мощности, но предполагается, что работа техники не будет выходить за рамки параметров, зафиксированных заказчиком.
Тепловоз ТГМ8А перед отправкой в Гвинею, 2021 год. Источник: Сергей Калинов/Заводы и тепловозы
Так, например, на сегодняшний день сопровождается эксплуатация инновационных тепловозов ТМГ8А в Гвинее, что позволяет удаленно контролировать параметры работы и техническое состояние локомотива. Ключевой эффект — оптимизация затрат на протяжении жизненного цикла изделия.
Оцифровка техники выводит на новый уровень взаимодействие производителя и заказчика. Они могут видеть все, что происходит с подвижным составом: запуск, количество топлива и заряда батареи, куда машина поехала. Появляется и возможность полноценного удаленного управления техникой. А в случае, когда нагрузка машины будет значительно превышать значения, заложенные в техзадании, и это может стать причиной поломки, можно будет просто заблокировать локомотив до выяснения всех причин. «Цифра» на всех этапах жизненного цикла техники — проектирование, конструирование, производство, эксплуатацию, сервис и ремонт — позволит оптимизировать временные, производственные и финансовые ресурсы компании.
Автор: Кирилл Колесников, генеральный директор центра инновационного развития СТМ
Подготовлено на основе статей в газетах «Синара» №10 (29), декабрь 2022, и № 2 (31), март 2023
