Основной целью построения математических моделей и выполнения инженерных расчетов является сокращение расходов на проектирование и производство конечного изделия. Сокращение расходов достигается за счет множества аспектов: выявление отклонений от требований на этапе проектирования, сокращение числа натурных испытаний, оптимизация технологических процессов. Моделирование может выполняться на бумаге или в цифре, в дальнейшем будем говорить именно о цифровом проектировании и моделировании, когда расчеты выполняются на ЭВМ и суперкомпьютерах в специализированном ПО.

 

Математическая модель – это математическое описание объекта и/или процесса реального мира. Цифровой двойник – высшая степень развития концепции моделей, определяемая двусторонней связью между объектом реального мира и моделью, его отражающей. Также выделяют понятие цифровой тени – это модель, которая получает обратную связь от объекта реального мира (односторонняя связь). Моделирование физических процессов, конструкций и систем чаще всего является ресурсоемким, то есть требует значительных временных и/или вычислительных ресурсов. В случае традиционного применения цифровых моделей расчеты единичны. Однако, в случае многовариантных исследований, оптимизации, а также при интеграции с цифровым двойником необходимо выполнять множество расчетов, результаты которых, помимо модели, могут определяться также и данными, поступающими от объекта реального мира, в т.ч. в режиме реального времени, что на порядки увеличивает количество данных и скорость их генерации.

 

Цифровизация процессов проектирования и экспоненциальный рост количества расчетов в области цифрового инжиниринга породили необходимость в развитии автоматизированных информационных систем управления данными и процессами инженерных расчётов (Simulation Process Data Management, SPDM). Конечная цель внедрения SPDM-систем все та же – оптимизация расходов и увеличение прибыли от применения цифрового инжиниринга, достигаемые путем:

 

• оптимизации процессов и снижения затрат на их поддержание за счет автоматизации;

• сокращения количества ошибок за счет повторяемости и поддержки со стороны системы;

• улучшения показателя метрики Bus Factor (количество людей в команде проекта, внезапное исчезновение которых приведет к закрытию проекта) и снижения ущерба от ротации в команде за счет постоянного накопления знаний;

• снижения расходов на моделирование за счет более эффективного использования вычислительных ресурсов;

• снижения расходов на обучение сотрудников за счет стандартизированных подходов и единого рабочего пространства;

• снижения рисков потери данных за счет безопасного хранения и разграничения доступа;

• повышения производительности сотрудников за счет сокращения числа ручных операций;

• увеличения привлекательности для заказчиков за счет прозрачности процессов и результатов;

• возможности проводить больше расчетов на том же объеме ресурсов.

 

Ведущие инжиниринговые компании говорят о росте эффективности выполнения расчетов на 20-40% за счет внедрения SPDM-систем, под эффективностью понимается как сокращение расходов, так и времени на выполнение определенного объема расчётов. Также отмечается вклад в безопасность, управляемость и снижение рисков.

 

Сама концепция SPDM меняется и развивается вместе с современными трендами. Если 10-20 лет назад функциональность SPDM-систем ограничивалась хранением расчётных моделей и очередью расчетов, то уже 5-10 лет назад обязательными становятся управление целевыми значениями, инструменты командной работы и интеграция с системами управления. Сейчас же можно говорить о том, что SPDM-система должна поддерживать различные источники данных, в том числе потоковые (данные с датчиков, например), работу с наборами данных, активное использование моделей ИИ, в том числе их обучение в рамках системы. В рамках современной SPDM-системы также обязательно должно быть реализовано хранение и управление знаниями.

 

 

Управление данными должно включать в себя работу с иерархическими структурами (сборки CAD/CAE моделей), файлами, табличными и потоковыми данными. Должно было реализовано версионирование и дедупликация данных, эффективное и безопасное хранение. Система должна обеспечивать удобный просмотр и редактирование как можно большего числа форматов. 

 

Рисунок 2 Структура и версии моделей

 

Рисунок 3 Отображение 3D модели

 

Управление расчетами заключается в организации графов вычислений, состоящих из последовательных и параллельных задач, контроле за его исполнением на имеющихся ресурсах, обработке результатов. Система должна обеспечивать однозначную связь входных и выходных данных (отображаемый результат расчета всегда должен соответствовать исходным данным), также должна быть реализована эффективная система повторного использования результатов расчетов (ранее решенные задачи не пересчитываются). Граф вычислений должен поддерживать условия, паузы, автогенерацию задач (варьируемые или множественные расчеты) и циклы с изменяемыми параметрами. 

 

 

Управление ресурсами заключается в интеграции и распределении трёх базовых видов ресурсов: вычислительные ресурсы, расчетное ПО (включая лицензии) и время. Современная SPDM-система должна позволять легко настраивать и использовать любое расчетное ПО, в том числе разрабатывать собственные решения на скриптовых языках, не покидая систему (например, скрипт формирования презентации), а также интегрироваться с серверами лицензий и учитывать доступность лицензий при запуске. В качестве вычислительных ресурсов должны быть доступны для интеграции отдельные узлы на Windows и Unix, высокопроизводительные (High-performance computing, HPC) кластеры (суперкомпьютеры) и облачные сервисы. Система должна автоматически определять и контролировать доступные вычислительные ядра, память, объем диска, наличие графических ускорителей и специализированных аппаратных средств (например, ПЛИС – программируемые логические интегральные схемы). Время – самый важный ресурс, и оптимизация должна учитывать ядро-часы и человеко-часы. Очень важно загружать вычислительные ресурсы с учетом настраиваемых квот и затрат, а результаты при этом доставлять пользователям к нужному времени.

 

 

Число компаний, использующих компьютерный инжиниринг, моделирование физических процессов, виртуальные испытания, симуляции, цифровые двойники в своей деятельности растет с каждым годом. По имеющимся отчетам можно оценить этот рост как почти двухкратный с 2020 по 2024 годы, то есть всего за 4 года число таких компаний выросло с 30% до 60% (учитываются компании из высокотехнологичных отраслей). При этом стоит отметить, что также всё большее число небольших компаний и стартапов применяют моделирование в своей работе. 

 

За последнее десятилетие появились специализированные облачные сервисы, предоставляющие инженерные расчеты как услугу (например, Rescale, SimScale, Fidesys Online). Однако, в части использования SPDM-систем такой рост пока не отмечается. Это связано в первую очередь со сложившейся ценовой политикой в сфере цифрового инжиниринга: имеющиеся на рынке профессиональные решения имеют высокую стоимость (десятки или сотни миллионов рублей), при этом сложны в установке, настройке и эксплуатации, а значит требуют дополнительных затрат на кастомизацию и поддержку. Бесплатные и открытые решения при этом часто устаревшие, не обладают всеми необходимыми возможностями и часто требуют наличия в штате IT-специалистов для доработки. И это одно из направлений, в котором возможно кардинально изменить ситуацию за счёт упрощения и демократизации применения SPDM-систем. 

 

Отечественная SPDM-система управления расчётами и данными «Симвиа» обладает всеми необходимыми функциональными возможностями и полностью бесплатна для небольших команд, также возможна ее установка в университетах на бесплатной или льготной основе. При этом никаких ограничений в функциональности бесплатная версия не имеет. Для установки и использования системы не потребуется регистрация – все скрипты и инструкции для установки доступны в открытом виде. Ценовая политика также прозрачна и открыто опубликована на сайте разработчиков. 

 

В рамках обеспечения технологического суверенитета и проводимой политики импортозамещения в области инженерного программного обеспечения, целесообразным является применение именно отечественных программных решений, активно развивающихся и обеспечивающих локализацию хранения данных, непрерывную техническую поддержку от разработчика и сфокусированных на потребности российских пользователей. 

 

С развитием цифровизации в инжиниринге и ростом количества выполняемых расчётов и объема генерируемых данных высокотехнологичным компаниям для улучшения эффективности работы требуются применение специализированных автоматизированных информационных управления данными и процессами инженерных расчётов (SPDM-систем). Благодаря демократизации отрасли, применение таких систем становится возможным даже для небольших команд, стартапов и студенческих коллективов. А для инжиниринговых центров и крупных промышленных корпораций управление данными и процессами инженерных расчётов уже переходит из области конкурентных преимуществ в зону обязательного повсеместного применения для обеспечения конкурентоспособности и эффективности работы.