КОНЦЕПЦИЯ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА АВТОТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Конференция: XCI Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
Секция: Информатика, вычислительная техника и управление
XCI Международная научно-практическая конференция «Научный форум: технические и физико-математические науки»
КОНЦЕПЦИЯ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА АВТОТРАНСПОРТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
CONCEPT OF A DIGITAL TWIN OF A MOTOR TRANSPORT ENTERPRISE
Chernyakov Alexander Alexandrovich
Postgraduate, Orenburg State University, Russia, Orenburg
Zubkova Tatiana Mikhailovna
Doctor of Technical Sciences, Professor, Orenburg State University, Russia, Orenburg
Аннотация. В статье представлен обзор отечественных исследований в области цифровых двойников и их применения в промышленности. На основе анализа научных публикаций обобщены ключевые определения, характеристики и структурные компоненты цифрового двойника. Особое внимание уделено возможностям использования цифровых двойников в автотранспортной отрасли. Предложена абстрактная концепция цифрового двойника автотранспортного предприятия, включающая основные уровни данных и функциональные модули. Сформулированы выводы о перспективах внедрения технологии и направлениях дальнейших исследований.
Abstract. This article presents an overview of Russian research on digital twins and their application in industry. Based on an analysis of scientific publications, the key definitions, characteristics, and structural components of a digital twin are summarized. Particular attention is paid to the potential use of digital twins in the automotive industry. An abstract concept of a digital twin for an automotive company is proposed, including key data levels and functional modules. Conclusions are drawn regarding the prospects for implementing this technology and areas for further research.
Ключевые слова: цифровой двойник; цифровая модель; цифровизация; автотранспортное предприятие; интеллектуальные системы; мониторинг технического состояния; анализ данных; предиктивная аналитика; жизненный цикл; цифровая среда.
Keywords: digital twin; digital model; digitalization; motor transport enterprise; intelligent systems; technical condition monitoring; data analysis; predictive analytics; life cycle; digital environment.
Введение
Цифровой двойник (Digital Twin, DT) представляет собой одно из наиболее перспективных направлений в области IT-технологий, активно развиваемое в контексте цифровой трансформации предприятий и совершенствования процессов управления и принятия решений в различных отраслях экономики. Несмотря на то, что концепция цифрового двойника была предложена почти два десятилетия назад, она продолжает динамично развиваться, охватывая всё более широкий спектр областей применения и приобретая новые формы реализации. Подобная эволюция приводит к расширению трактовок и определений данного понятия, что, в свою очередь, вызывает риск размывания исходной концепции и снижает эффективность практического внедрения технологии в прикладных решениях.
Современные процессы цифровизации предполагают необходимость формирования и использования цифровых моделей, которые в научной литературе и инженерной практике обозначаются как цифровые двойники (ЦД). Такие модели представляют собой формализованный набор знаний о реальных объектах, системах и процессах [2].
Однако существующее многообразие интерпретаций и подходов к проектированию цифровых двойников актуализирует задачу уточнения их сущностных характеристик и функциональных свойств. Без четкого определения подобного рода параметров затруднено формирование архитектурных принципов и реализация эффективных механизмов внедрения данной технологической платформы в производственную и управленческую практику [1].
На современном этапе одним из ключевых проблемных аспектов исследований в области цифровых двойников является отсутствие единообразия в определении базовых понятий, компонентного состава и характеристик ЦД. Данная неопределенность порождает противоречия в теоретических исследованиях и осложняет практическую реализацию цифровых двойников на уровне предприятий и бизнес-приложений. В представленной статье, на основе анализа актуальных научных источников, предпринята попытка уточнить сущность и содержание концепции цифрового двойника, определить его архитектурную структуру, а также рассмотреть роль имитационной модели в общей архитектуре ЦД.
Основные направления использования цифрового двойника
Настоящий обзор посвящён анализу научных исследований, рассматривающих концепцию цифрового двойника и её взаимосвязь с технологиями имитационного моделирования. В рамках работы было отобрано и проанализировано 11 актуальных научных источников, опубликованных за последние четыре года. На основании собранного материала проведено исследование теоретических аспектов развития концепции цифрового двойника по следующим направлениям: определение сущности ЦД, выделение его ключевых характеристик, идентификация базовых компонентов, а также установление взаимосвязей между цифровым двойником и имитационным моделированием.
Анализ современного состояния исследований в области цифровых двойников показывает значительное разнообразие в трактовке самого понятия, а также в подходах к построению архитектуры и определению роли имитационного моделирования в структуре цифрового двойника. В нижеприведенной автором статьи таблице представлены основные направления интерпретации концепции цифрового двойника по результатам анализа наиболее цитируемых научных публикаций за 2022–2024 гг.
Таблица 1.
Основные интерпретации концепции цифрового двойника
|
Автор, год |
Объект исследования |
Определение ЦД |
Основные компоненты / слои |
Роль имитационного/моделирующего модуля |
|
Гостева О.В., Пацук О.В., 2023 («Особенности применения цифровых двойников на российских промышленных предприятиях») [3] |
Российские промышленные предприятия |
Цифровой двойник — технология, включающая кибер‑физическую оболочку предприятия с мониторингом, анализом и управлением. |
Датчики → цифровая модель → аналитика → управление |
Модель используется для прогнозирования и проектирования производственных процессов. |
|
Цыганов В.Н., 2024 («Влияние цифровых двойников на улучшение производственных процессов…») [4] |
Улучшение производственных процессов |
ЦД — виртуальный аналог физического объекта или процесса, применяемый для повышения эффективности. |
Цифровая модель, виртуализация, интеграция данных |
Моделирующий компонент рассматривается как средство оценки и обоснования экономической эффективности. |
|
Минзов А.С. и др., 2024 («Цифровые двойники в системах управления») [5] |
Критические информационные инфраструктуры |
ЦД — интегрированная система управления, включающая цифровую реплику физического объекта и механизм взаимодействия. |
Классификация, модель взаимодействия, слои связи |
Модели служат для симуляции взаимодействия физической и цифровой структур, сценарного анализа. |
|
Боровков А.И. и др., монография 2022 («Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности») [1] |
Высокотехнологичное производство |
Цифровой двойник как часть производственной системы — виртуальная реплика с жизненным циклом объекта. |
Жизненный цикл, данные, модели, сервисы, интеграции |
Симуляции и модели охватывают весь жизненный цикл, используются для прогнозирования и оптимизации. |
|
Окен К.А., 2023 («Эффективность цифрового проектирования (технология «цифровой двойник»)») [6] |
Предприятия высокотехнологичных отраслей |
ЦД рассматривается как технологическая платформа цифрового проектирования и моделирования предприятия |
Цифровое проектирование, модель, внедрение, эффект |
Моделирующий компонент рассматривается как средство цифрового проектирования и оценки выгод. |
Сравнительный анализ российских публикаций показывает следующие ключевые особенности и тенденции.
Во всех рассматриваемых источниках цифровой двойник понимается как динамическая цифровая реплика физического объекта или процесса с возможностями мониторинга, анализа и управления, что согласуется с зарубежными трактовками, но с национальным акцентом на промышленность и производственные системы.
Компонентный состав обычно включает в себя: сбор данных / датчики, цифровую модель, аналитику и сервисы управления. Указание на имитационные / симуляционные модули встречается реже, однако присутствует в некоторых работах, где моделирование употребляется как инструмент проектирования и прогнозирования [4; 5].
Отмечается, что российские исследования уделяют больше внимания экономическому и внедренческому аспекту: оценке выгоды, проектированию систем, цифровой зрелости предприятий.
При этом, остаётся недостаточно чётко определена структура и границы модели цифрового двойника. Например, не всегда ясно, где заканчивается цифровая модель и начинается полноценный цифровой двойник, а также как именно реализуется симуляция и её связь с реальным объектом.
Также прослеживается пробел: формализация требований к моделям (точность, обновление, калибровка) и стандартизация архитектурных решений, которая на уровне российского промышленного применения недостаточно разработана.
Концептуальная модель цифрового двойника автотранспортного предприятия
Современные автотранспортные предприятия функционируют в условиях высокой динамики рыночных процессов, усложнения логистических цепочек и необходимости постоянного повышения эффективности использования транспортных ресурсов. В этих условиях особую актуальность приобретает создание единого цифрового контура, обеспечивающего интеграцию данных о транспортных средствах, производственных процессах и инфраструктуре. В качестве методологической основы для построения такого контура выступает концепция цифрового двойника автотранспортного предприятия (ЦД АТП).
Цифровой двойник автотранспортного предприятия может быть определён как интегрированная динамическая цифровая модель, отражающая текущее состояние, структуру, процессы и взаимосвязи всех ключевых элементов транспортной системы предприятия в реальном или близком к реальному времени. Основное назначение ЦД АТП заключается в обеспечении поддержки управленческих и производственных решений посредством анализа, прогнозирования и оптимизации процессов эксплуатации автотранспортных средств, технического обслуживания, логистики и ресурсного планирования.
С точки зрения архитектуры, цифровой двойник АТП представляет собой многоуровневую систему, включающую следующие ключевые компоненты:
- Физический уровень — совокупность реальных объектов автотранспортного предприятия (автопарк, сервисные подразделения, инфраструктура, водители и персонал).
- Информационно-датчиковый уровень — системы сбора данных, обеспечивающие регистрацию телеметрической информации, параметров работы транспортных средств, состояния узлов и агрегатов, показателей расхода топлива, а также данных GPS/ГЛОНАСС-навигации.
- Цифровая модель предприятия — совокупность взаимосвязанных цифровых представлений, включающая в себя модели транспортных средств, маршрутов, логистических операций, регламентов технического обслуживания и экономических показателей.
- Имитационно-аналитический уровень — модуль имитационного моделирования, предназначенный для воспроизведения поведения предприятия в различных сценарных условиях. Он позволяет исследовать влияние управленческих решений, проводить стресс-тестирование системы и прогнозировать последствия изменений.
- Интеграционно-коммуникационный уровень — программно-техническая среда, обеспечивающая обмен данными между цифровыми и физическими объектами, а также взаимодействие с внешними информационными системами (ERP, WMS, TMS, ГЛОНАСС и др.).
- Уровень управления и визуализации — интерфейсы принятия решений, панели мониторинга, аналитические отчёты и системы поддержки операторов, позволяющие проводить анализ текущего состояния предприятия и оценку эффективности реализуемых мероприятий.
В рамках данной концепции ЦД АТП выступает не просто как статическая цифровая модель, а как динамическая киберфизическая система, обеспечивающая двустороннюю связь между виртуальной и физической средами. Такая интеграция позволяет осуществлять не только мониторинг и диагностику, но и прогнозное управление, основанное на данных, поступающих в реальном времени.
Особенностью предлагаемой концепции является включение имитационного ядра в качестве обязательного элемента цифрового двойника. Имитационная модель обеспечивает возможность воспроизведения функционирования предприятия при изменении внешних условий, параметров эксплуатации или организационных решений. Это позволяет формировать различные сценарии развития событий, оценивать риски и выбирать оптимальные стратегии управления автопарком, графиками рейсов и техническим обслуживанием.
Таким образом, предложенная архитектура цифрового двойника автотранспортного предприятия обеспечивает комплексное представление об объекте управления, создаёт основу для интеллектуальной поддержки принятия решений и способствует переходу к модели прогнозно-адаптивного управления транспортными системами.
Вывод
В результате проведённого исследования установлено, что концепция цифрового двойника представляет собой одну из ключевых технологических основ цифровой трансформации предприятий, обеспечивающую переход от традиционных методов управления к интеллектуальным, прогнозно-аналитическим моделям функционирования. Анализ современных научных источников показал отсутствие единой трактовки сущности цифрового двойника и его компонентного состава, что актуализирует необходимость систематизации подходов к его структурированию и практической реализации.
В работе предложена абстрактная концепция цифрового двойника автотранспортного предприятия, включающая многоуровневую архитектуру, объединяющую физическую инфраструктуру, информационно-датчиковую систему, цифровые модели объектов, имитационно-аналитический модуль, интеграционные компоненты и средства визуализации данных. Принципиальной особенностью предложенной модели является включение имитационного ядра, позволяющего осуществлять прогнозирование, сценарный анализ и поддержку управленческих решений в режиме, приближенном к реальному времени.
Реализация цифрового двойника автотранспортного предприятия в предложенной архитектуре создаёт предпосылки для повышения эффективности функционирования транспортных систем за счёт интеграции данных, оптимизации процессов технического обслуживания и логистики, а также перехода к адаптивным стратегиям управления. Полученные результаты могут быть использованы в дальнейшем для разработки методологии построения прототипов цифровых двойников, их верификации и внедрения в практику управления транспортными предприятиями различного масштаба.
