1. Преамбула, введение, общее описание направления развития СЦТ

Дорожная карта по развитию "сквозной" цифровой технологии "Новые производственные технологии" (далее - ДК СЦТ НПТ) предполагает рамочный формат - дорожная карта реализуется как рамочный документ для поиска, отбора и целевой поддержки проектов и направлений по соответствующему направлению.

ДК СЦТ НПТ синхронизируется с Паспортом федерального проекта "Цифровые технологии" программы "Цифровая экономика" до 31 декабря 2021 г., также дорожная карта может быть актуализирована в соответствии с изменениями и расширением на период до 2024 года графика реализации федерального проекта.

Достижение целевых показателей развития СЦТ НПТ реализуется выполнением проектов, направленных на достижение технических характеристик и на преодоление технологических барьеров, определенных в дорожной карте. Аналитическое обоснование, выполненное для дорожной карты, оценка и отбор проектов, выделение приоритетных субтехнологий, описание мероприятий государственной поддержки могут быть использованы как основа для разработки требований к конкурсам на получение государственной поддержки в сфере новых производственных технологий.

Материалы по разделам "Манипуляторы и технологии манипулирования" предоставлены АНО "УНИВЕРСИТЕТ ИННОПОЛИС" на основании решений Наблюдательного совета АНО "Цифровая экономика" (протокол N 13 от 24.05.2019).

Материалы по разделам "Платформы для промышленного интернета" предоставлены ООО "Национальный центр информатизации" на основании решений Наблюдательного совета АНО "Цифровая экономика" (протокол N 13 от 24.05.2019).

Материалы по разделам "Цифровая промышленность" предоставлены Департаментом цифровых технологий Минпромторг России.

Сквозная цифровая технология "Новые производственные технологии" (СЦТ НПТ) - это сложный комплекс мультидисциплинарных знаний, передовых наукоемких технологий и системы интеллектуальных ноу-хау, сформированных на основе результатов фундаментальных и прикладных научных исследований, кросс-отраслевого трансфера и комплексирования передовых наукоемких технологий, СЦТ и субтехнологий.

Новые производственные технологии - совокупность новых, с высоким потенциалом, демонстрирующих де-факто стремительное развитие, но имеющих пока по сравнению с традиционными технологиями относительно небольшое распространение, новых подходов, материалов, методов и процессов, которые используются для проектирования и производства глобально конкурентоспособных и востребованных на мировом рынке продуктов или изделий (машин, конструкций, агрегатов, приборов, установок и т.д.).

Разработка и внедрение субтехнологий, входящих в СЦТ НПТ, является необходимым условием для присутствия отечественных компаний на глобальных высокотехнологичных рынках, для которых характерны смещение "центра тяжести" в конкурентной борьбе на этап разработки высокотехнологичной продукции, повышение уровня ее наукоемкости, сокращение сроков вывода новой продукции на рынок, жесткие ограничения по издержкам, высокие требования к потребительским характеристикам.

Прежде всего, важно отметить, что среди множества передовых технологий, технология "цифровой двойник" <1> (Digital Twin, DT, далее - ЦД) является технологией-интегратором практически всех "сквозных" цифровых технологий и субтехнологий, выступает технологией-драйвером, обеспечивает технологические прорывы и позволяет высокотехнологичным компаниям переходить на новый уровень технологического и устойчивого развития на пути к промышленному лидерству на глобальных рынках.

--------------------------------

<1> "Цифровой двойник" - это семейства сложных мультидисциплинарных математических моделей с высоким уровнем адекватности реальным материалам, реальным объектам/конструкциям/машинам/приборам.../техническим и киберфизическим системам, физико-механическим процессам (включая технологические и производственные процессы), описываемых 3D нестационарными нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, обеспечивающие отличие между результатами виртуальных испытаний и натурных испытаний в пределах +/- 5% (DT-1) и/или "умная" модель, учитывающая особенности конкретного производства и технологии изготовления (DT-2). Обязательным элементом разработки и применения цифровых двойников является многоуровневая матрица целевых показателей конкурентоспособного продукта/изделия и ресурсных ограничений (временных, финансовых, технологических, производственных, экологических и т.д.).

В сравнении с традиционными подходами, разработка изделий и продукции на основе технологии "цифрового двойника" может обеспечивать снижение временных, финансовых и иных ресурсных затрат до 10 раз и более. Фактически, именно с помощью разработанных заранее цифровых двойников лидеры мировых высокотехнологичных рынков формируют "гарантированное зарезервированное развитие" (А.И. Боровков, А.А. Аузан). В этом случае семейство цифровых двойников обеспечивают производство ("материализация цифрового двойника") и поставку продукции с конкурентными характеристиками в кратчайшие сроки в зависимости от возникающей конъюнктуры на глобальном высокотехнологичном рынке, реализуя триаду "технологический прорыв - технологический отрыв - технологическое лидерство/превосходство".

Важнейшим и обязательным этапом разработки и применения полномасштабных цифровых двойников является формирование путем каскадирования и декомпозиции многоуровневой матрицы целевых показателей конкурентоспособного продукта/изделия и ресурсных ограничений (временных, финансовых, технологических, производственных, экологических и т.д.). Общее число характеристик матрицы может составлять 50 000 и более <2>.

--------------------------------

<2> На основе опыта Центра компетенций НТИ СПбПУ "Новые производственные технологии" и ГК .

Многоуровневая матрица целевых показателей и ресурсных ограничений предназначена для осуществления "балансировки" огромного количества конфликтующих параметров и характеристик объекта в целом, его компонентов и деталей в отдельности, то есть не только отслеживать их взаимное влияние на различных этапах жизненного цикла, но и в кратчайшие сроки вносить необходимые изменения и уточнения ("управление требованиями и изменениями"), например, гибко реагируя на действия конкурентов, что обеспечивает непрерывный характер разработки и представляет собой важнейшую особенность новой парадигмы цифрового проектирования и моделирования на основе цифровых двойников <3>.

--------------------------------

<3> На основе опыта Центра компетенций НТИ СПбПУ "Новые производственные технологии" и ГК .

Ключевым и необходимым этапом работы для формирования глобально конкурентоспособных "цифровых двойников" в промышленности является реализация комплекса мероприятий "Формирование национального Digital Brainware" - "оцифровка" всех физических, натурных и т.д., как правило, дорогостоящих и зачастую уникальных экспериментов - фактически разработка и валидация математических моделей высокого уровня адекватности материалов (MultiScale- и MultiStage-подходы), машин/конструкций/приборов/установок/сооружений/..., физико-механических и химических процессов, технологических и производственных процессов (MultiDisciplinary-подход).

Формирование Digital Brainware позволяет в рамках комплексного подхода разработки "цифровых двойников" перейти от традиционной парадигмы проектирования и разработки ("доводка продуктов/изделий до требуемых характеристик на основе многочисленных дорогостоящих испытаний и итерационного перепроектирования") к одному из основных компонентов разработки "цифровых двойников" - современной триаде: "Виртуальные испытания" & "Виртуальные стенды" & "Виртуальные полигоны", используемые на всех этапах жизненного цикла и с наибольшим эффектом на этапе проектирования, что значительно снижает объемы физических и натурных испытаний, необходимых для "проверки" опытных образцов.

Безусловно, важным требованием является обеспечение функциональной совместимости (интероперабельности) разрабатываемых отечественных решений с широко распространенными зарубежными решениями, так как в настоящее время на предприятиях реального сектора экономики активно используются импортные решения (Siemens, Dassault , ANSYS, SAP и др.). Экспорт отечественных решений также не возможен без функциональной совместимости с зарубежными программными системами. Учет данных требований в рамках мероприятий по стандартизации является логичным вектором развития новых производственных технологий <4>.

--------------------------------

<4> Консолидированное мнение экспертов ГК "Цифра".

Оценка, отбор и анализ субтехнологий проводились на основе документов и материалов:

1. По результатам анализа программных документов по направлению СЦТ НПТ:

- дорожная карта "Технет" НТИ, одобрена президиумом Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России 14.02.2017, протокол N 1;

- дорожная карта по совершенствованию законодательства и устранению административных барьеров "Технет" НТИ, утверждена Распоряжением Правительства Российской Федерации от 23 марта 2018 г. N 482-р;

- "Атлас сквозных технологий цифровой экономики России", подготовленный Проектным офисом "Цифровая экономика РФ" ГК "Росатом;

- программа Manufacturing USA, реализуемая сетью институтов, обеспечивающих глобальное лидерство в передовом производстве, и стратегический план Strategy for American Leadership in Advanced Manufacturing, 2018, подготовленный National Science and Technology Council, Committee on Technology, Subcommittee on Advanced Manufacturing;

- немецкая программа Industrie 4.0;

- программа Made in China 2025;

- программа Horizon 2020 (EU Research and Innovation Programme);

- и другие стратегические документы.

Были выделены наиболее актуальные для стратегического развития блоки субтехнологий. Дополнительный анализ в разрезе субтехнологий основан на исследовании 230 источников, включая статистическую информацию (Росстат и др.), лучшие мировые и отечественные практики, нормативные и регламентирующие документы, аналитические отчеты о тенденциях развития высокотехнологичных рынков и конкурентной среды.

2. Результаты экспертного опроса:

- Проведение онлайн-анкетирования (24.05.2019, 135 экспертов); в рамках опроса проведена приоритизация технологий, сформированы барьеры, потребности российских предприятий в решениях по направлению "Новые производственные технологии".

- Проведение очного анкетирования (17.04.2019, 49 экспертов); в рамках анкетирования проведена оценка конкурентной среды, оценка российских рынков по профильным субтехнологиям, а также спрос отраслей экономики на профильные субтехнологии.

3. Результаты экспертных сессий:

- I-я Экспертная сессия (17.04.2019, 109 экспертов); в качестве вводных материалов для сессии использовались данные, полученные по итогам анкетирования экспертов в области "сквозной" цифровой технологии "Новые производственные технологии" и составляющих ее субтехнологий.

- II-я Экспертная сессия (22.04.2019, 52 эксперта); сессия прошла в формате вебинара для обсуждения проекта Дорожной карты по развитию СЦТ "Новые производственные технологии".

- III-я Экспертная сессия (26.04.2019, 62 эксперта); обсуждение итогов подготовки и уточнение перечня мероприятий дорожной карты по направлению развития СЦТ "Новые производственные технологии"; высказано более 50 предложений по организации конкретных мероприятий, рекомендованных экспертами для внесения в ДК СЦТ "Новые производственные технологии".

На основании проведенного анализа и в соответствии с рекомендациями Наблюдательного совета АНО "Цифровая экономика", сформированными на заседании 24.05.2019, ДК СЦТ НПТ включает следующий перечень субтехнологий:

1. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design);

2. Технологии "умного" производства (Smart Manufacturing);

3. Манипуляторы и технологии манипулирования.

Укажем качественные критерии, позволяющие выделить субтехнологию из большого количества современных технологических решений:

1. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design): включает технологии, обеспечивающие реализацию концепции передового цифрового "умного" проектирования; драйвером этого процесса выступает технология разработки цифрового двойника (Digital Twin) на основе создания и применения многоуровневой матрицы целевых показателей и ресурсных ограничений, на основе математических моделей разных классов, уровней сложности и адекватности (в самых общих случаях описываемых нестационарными нелинейными уравнениями в частных производных), на основе проведения виртуальных испытаний, применения виртуальных стендов и виртуальных полигонов. Особое внимание уделяется разработке и внедрению:

- цифровой платформы создания цифровых двойников, способной учитывать до 150 000 целевых показателей и ресурсных ограничений, использующей смежные "сквозные" цифровые технологии искусственного интеллекта, больших данных, распределенных реестров, обеспечивающей управление интеллектуальной собственностью, экспертное сопровождение и прохождение с первого раза физических и натурных испытаний;

- конкурентоспособной отечественной PLM-системы "тяжелого класса" - системы управления жизненным циклом продукции/изделия, включающей конкурентоспособные CAD-CAM-CAE-подсистемы проектирования, технологической подготовки производства и компьютерного/суперкомпьютерного инжиниринга на основе математического и имитационного моделирования.

2. Технологии "умного" производства (Smart Manufacturing) включают технологии, обеспечивающие реализацию концепции "умного" производства: технологическая подготовка и реализация производственного процесса с минимальным участием человека на основе данных PLM-системы, операционное управление технологическими процессами, производством, предприятием; технологическая подготовка и реализация производственного процесса для кастомизированной продукции широкой номенклатуры на основе гибких, реконфигурируемых и модульных машин, оборудования и робототехники. Особое внимание уделяется разработке, развитию, внедрению и сопровождению отечественных защищенных:

- MES-системы, обеспечивающей децентрализованное планирование, автоматизированную оптимизацию производственных расписаний на уровне холдингов в том числе на основе данных платформенных решений для производства и промышленного интернета;

- ERP-системы, использующей "сквозные" цифровые технологии искусственного интеллекта, больших данных и распределенных реестров.

3. Манипуляторы и технологии манипулирования: включает методы математического моделирования робототехнических систем как пространственных механических систем с голономными и неголономными связями, методы прямого динамического моделирования нелинейных пространственных механических систем с контактными взаимодействиями; разработку программного обеспечения для управления роботами-манипуляторами; программно-аппаратные средства взаимодействия с окружающей средой и объектами.