Admin

Роль цифровых двойников в управлении сервисным обслуживанием локомотивов

И.К. ЛАКИН, д-р техн, наук, профессор, исполнительный директор инжинирингового центра ООО «ЛокоТех»,
А.П. СЕМЁНОВ, канд. техн, наук, генеральный директор ОАО «НИИТКД», г. Омск, И.Ю. ХРОМОВ, аспирант РУТ (МИИТ)

ЧТО ТАКОЕ «ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК»

Одно из базовых направлений повышения эффективности работы промышленных предприятий — внедрение цифровых технологий, современный этап развития которых часто называют «Индустрия 4.0», хотя правильней «Киберфизические производственные системы» (Cyber Physical Production Systems, CPPS). Первоначально компания «Siemens» вкладывала в это понятие автоматическую централизованную перенастройку станков с ЧПУ единого конвейера под нужное изделие. Сейчас дополнительно включают комплекс достаточно разрозненных технических и технологических решений: мобильные устройства, «Интернет вещей» (интеллектуальные датчики), технологии определения местонахождения, интерфейсы работы с АСУ, аутентификация инцидентов, ЗО-печать, анализ больших данных (big data), дополненная реальность, облачные сервисы и многое другое. Все эти направления рассматриваются сервисной компанией ООО «ЛокоТех» как возможность повышения эффективности технического обслуживания и ремонта (ТОиР) локомотивов.

Одно из важных направлений CPPS — «Цифровые двойники»: мультифизическая динамическая симуляция изделий, процессов их изготовления и эксплуатации, виртуальная реплика реального физического актива в форме интегрированной мультимедийной системы симуляции, которая отражает жизненный цикл и реальные условия эксплуатации актива. При всей сложности определения это достаточно практические цифровые решения. Приведем несколько примеров.

При конструировании автомобиля необходимо провести ряд дорогих краш-тестов для определения прочности конструкции при аварийном столкновении. В настоящее время физические испытания выполняют после многочисленного моделирования аварии на компьютере. Аналогично на цифровых двойниках проводится испытание всех узлов самолетов. И при проектировании механического оборудования локомотивов обязательно производится моделирование нагрузки узлов на цифровых двойниках. Цифровой двойник позволяет существенно сократить сроки разработки новых изделий, повысить их надежность и долговечность, избежать отказов при эксплуатации.

Другой пример цифрового двойника — это моделирование поездной обстановки на полигоне для управления движением поездов. Этот цифровой двойник используется не только при разработке графиков движения поездов, но и в режиме online для оперативного диспетчерского управления движением поездов, особенно при возникновении нестандартных ситуаций. Например, ремонт пути. Применение цифровых двойников перевозочного процесса позволяет существенно повысить пропускную способность участков, избежать сбоев движения из-за человеческого фактора.

Цифровые двойники широко используются при организации производственных процессов. Разработаны специальные программы для моделирования. Цифровой двойник позволяет предварительно смоделировать производственные процессы, выбрать оптимальный вариант расположения оборудования, заранее определить пропускную способность производственных линий. Причем моделирование можно проводить как на этапе разработки производственных цехов, так и в процессе самого производства, например, при смене выпускаемой продукции.

Приведенные примеры показывают только малую часть применения цифровых двойников: эта технология уже стала неотъемлемой частью программного набора проектировщиков и входит в повседневную жизнь оперативного персонала. Таким образом, одно из направлений повышения эффективности локомотивного комплекса в целом и его ликомотивокемонтной составляющей — это создание цифровых двойников выпускаемых изделий (локомотивов и локомотивного оборудования), производственных процессов (локомотивостроительных и локомоливоремонтных заводов, сервисных локомотивных депо) и многое другое.

Из приведенных примеров очевидно, что понятие «Цифровой двойник» существенно зависит от решаемой задачи. Рассмотрим возможность применения этого понятия к сервисным локомотивным депо, а точнее — к организации сервисного обслуживания и ремонта локомотивов.

ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК ТОиР

В 85 сервисных локомотивных депо (СЛД) группы компаний ООО «ЛокоТех» внедрена автоматизированная система управления технологическими процессами технического обслуживания и ремонта (ТОиР) локомотивов АСУ «Сетевой график». АСУ обеспечивает декадное и трехсуточное планирование постановки локомотивов на ТОиР, выявление и регистрацию замечаний по техническому состоянию локомотивов, планирование объема и обеспечение ресурсами ремонта, собственно управление процессом ремонта. В журнале «Локомотив» неоднократно публиковалась информация о ней.

Слабым местом сервисного ТОиР остается прогнозирование выдачи локомотива в эксплуатацию, так как при постановке локомотива на ТОиР и в процессе обслуживания выявляются дополнительные замечания по техническому состоянию. Появляется необходимость в выполнении сверхцикловых работ, продолжительность которых заранее предсказать нельзя. В результате возникают риски срыва графика подвязки локомотивов под поезда. Решение этой, проблемы возможно с использованием технологии «Цифровой двойник депо», а точнее — «Цифровой двойник ТОиР».


В Инжиниринговом центре группы компаний «ЛокоТех» совместно с НИИТКД (г. Омск) и при участии ученых РУТ (МИИТ) проведен анализ возможности применения технологии «Цифровой двойник» к решению задач сервисного ТОиР. В результате предложен алгоритм, приведенный на рис. 1.

При поступлении локомотива на ТОиР в сервисное локомотивное депо (СЛД) проводится анализ его технического состояния по данным бортового журнала формы ТУ-152 (замечания машиниста), визуальной приемки в горячем и холодном состояниях, по данным бортовых микропроцессорных систем (МСУ) локомотивов, по данным деповского диагностирования и других доступных источников информации. Определяется объем ремонта, формируется индивидуальный для каждого конкретного локомотива (и даже секции) линейный график выполнения ТОиР, определяющий объем и последовательность выполнения ТОиР.

Таким образом, изначально трудно спрогнозировать точное время выхода локомотива из депо. Тут на помощь должен прийти «Цифровой двойник ТОиР», который должен смоделировать процесс ТОиР и спрогнозировать время выдачи локомотива на линию.

Процессы ТОиР, в отличие от производственных процессов локомотивостроительных и локомотиворемонтных предприятий, имеют очень высокую вариативность: до захода локомотива в депо неизвестен объем ТОиР. Поэтому цифровой двойник ТОиР должен использовать вероятностные методы моделирования.

Технологический процесс ТОиР состоит из последовательности операций, каждая из которых обладает своими вероятностными характеристиками времени ее выполнения. Эксплуатация АСУ «Сетевой график» позволяет накопить статистику, обработка которой определяет закон распределения этой случайной величины и ее параметры. Наиболее распространенные законы приведены на рис. 2. Принадлежность времени выполнения операции к одному из рассмотренных законов распределения случайной величины по мере накопления статистики автоматически определяется в АСУ график».

Таким образом, после постановки локомотива на ремонт и определения объема и последовательности работ в АСУ «Сетевой график» вводится индивидуальный график ремонта («линейный график»), после чего по заранее накопленной статистике в АСУ автоматически рассчитывается ожидаемое время ремонта. При этом используются методы имитационного моделирования, для чего запускается «генератор случайных чисел» (Randomize), который позволяет по заранее определенным параметрам законов распределения случайных времен выполнения операций ТОиР смоделировать процесс ремонта. Многократное моделирование (более 1000 раз) процесса ремонта с использованием цифрового двойника позволяет получить распределение ожидаемого времени ремонта, пример которого приведен на рис. 3. При этом общее время моделирования занимает несколько секунд.

На рис. 3,а показано среднее ожидаемое распределение времени по запланированным операциям линейного графика, а на рис. 3,6 — вероятное время выполнения ТОиР рассматриваемого локомотива. По оси абсцисс (горизонтально) указано время выполнения ТОиР в часах: от 11 до 29. А по оси ординат (вертикально) указана вероятность выполнения ТОиР за указанное время. Из гистограммы видно, что с вероятностью 54 % ремонт будет выполнен за 13 ч. При этом есть риск в б %, что ремонт продлится более 17 ч. А вероятность того, что ремонт будет выполнен не более чем за 17 ч составляет 94 %. Таким образом, составив график ремонта, диспетчер сервисного локомотивного депо автоматически может получить из АСУ ожидаемое время ремонта, на основании которого можно планировать подвязку локомотивов под поезда.

Приведенный пример показывает, что современные технологии «Цифровой двойник» могут существенно повысить эффективность управления ТОиР, в частности, и всем локомотивным комплексом в целом. Кроме приведенного примера, технология «Цифровой двойник» может применяться для обучения (30-модели технологических процессов сборки, разборки и ремонта оборудования), планирования последовательности перемещения локомотивов по депо (задачи логистического управления) и решения многих других задач.

Компания «Трансмашхолдинг» совместно с сервисной компанией «ЛокоТех» уделяют очень большое внимание цифровой трансформации технологических процессов локомотивостроительного, локомотиворемонтного и сервисного комплексов. Наряду с внедрением АСУ ведется разработка цифровых двойников, пример одного из которых и был описан в данной статье.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК