С точки зрения реализации концепции цифровой инженерии области знаний и исследований в области разработки цифровых систем могут быть организованы на четырёх уровнях: видение, стратегия, действия и основа.
Уровень видения
Разработка подобных систем направлена на создание средств для цифровой инженерии, а поэтому крайне важно иметь чёткое представление о конкретных особенностях под каждую задачу. Например, разработка для предприятий ВПК будет включать в себя особенное видение — специфичное для предприятия, которое работает над заказами Министерства обороны. Важно заранее изучить «компоновку» всей системы в целом, учитывая все нюансы и особенности. В разработанных для этих областей исследований разработаны различные методики, которые могут содержать в своём составе такие компоненты:
— Анализ потребностей;
— Особенности быстро меняющейся инженерной и бизнес-среды;
— Недостатки текущей инженерной практики;
— Концептуализация (предполагающая и будущее развитие/масштабирование);
— Анализ пробелов;
— Стимулирующие технологии;
— Технико-экономическое обоснование;
— Цели цифровой инженерии (целевые преимущества для достижения необходимых результатов).
Уровень стратегии
На уровне стратегии можно определить четыре важнейших шага.
Трансформация инженерной практики — в цифровой инженерной трансформации центральной задачей является оцифровка инженерных объектов/разработок/технологий.
Трансформация образования и развитие: человек является важнейшим ресурсом для развития инженерного дела, а поэтому совершенствование навыков персонала и преобразование образования в сторону цифровой инженерии необходимы. Тут присутствуют два взаимосвязанных аспекта:
— Образование и профессиональная подготовка со знаниями и навыками в области цифровой инженерии;
— Инновационные системы обучения и обучения на базе искусственного интеллекта в цифровой инженерной среде.
Трансформация инженерной инфраструктуры: для содействия цифровому проектированию также необходимо развивать инженерную инфраструктуру для удовлетворения требований, связанных с обработкой большого количества разнородных данных, безопасностью и распределённым характером цифровой подключаемой среды. Тут можно выделить следующие компоненты:
— Облачные платформы для больших вычислений, применительно к цифровому инжинирингу;
— Компьютерные механизмы доверия, сертификации, распределения доступа и безопасности для цифровой инженерии.
Внедрение инновационных цифровых технологий в конструкторско-инженерные операции: после внедрения цифрового инжиниринга, предприятие может в полной мере воспользоваться преимуществами обновления путём быстрого внедрения, взаимодействия и/или интеграции с новыми инновационными технологиями, что позволяет быстро разрабатывать, поставлять и поддерживать гибкие интеллектуальные и сложные системы в быстро меняющейся среде.
Уровень действия
На практическом уровне существует множество областей исследований, примерно подразделённых на четыре группы.
Оцифровка разработок: на пути к цифровому проектированию важным шагом является изучение того, каким именно образом эффективно перевести в цифровой формат все те наработки инженерной мысли, которые потенциально должны включать в себя не только изобретения и технологии, но различные модели (формальные или неформальные, числовые или логические, абстрактные или физические), наборы дополнительных данных, различные документы, спецификации, материалы, энергетику, детали, узлы, компоненты, механизмы, устройства, продукты, действия, технологические процессы, программное обеспечение, функции, услуги, инженерные роли, корпоративную организацию и другие.
Операции с уже оцифрованными инженерными объектами: как только будут созданы средства для оцифровки всего перечисленного в предыдущем пункте, на практике инженерам необходимо будет изучить технологии, касающиеся следующих эксплуатационных аспектов цифровых инженерных разработок:
— Создание (ручной и автоматизированный подходы)
— Курирование информационных потоков (хранение, организация, запрос, извлечение, изменение, обновление и т.д.)
— Квалификация (последовательность, достоверность, полнота, удобство использования, доступность)
— Управление (политика доступа, уровень совместного использования, безопасность, защита интеллектуальной собственности, соблюдение прав авторов других интегрируемых/используемых разработок)
— Совместное использование (информационный поток между организациями и жизненным циклом деятельности)
— Особенности использования. Каждый тип цифровых инженерных решений имеет свои особенности и нуждается в дальнейшем изучении для их индивидуального использования применительно к эксплуатационным условиям. Учитывая решающую роль моделей в цифровой инженерии, то эти параметры требуют пристального внимания. Некоторые интересные области исследований в этом направлении включают в себя такие аспекты (но не ограничиваются ими):
• Автоматизированное создание цифровых дополнений для моделей с помощью программных алгоритмов машинного обучения в интегрированной среде разработки для проектирования систем;
• Создание оцифрованной модели в среде с большим количеством соответствующих оцифрованных похожих объектов;
• Создание цифровой модели путём интеграции набора компонентов из существующих цифровых моделей;
• Моделирование объекта с помощью анализа больших данных и машинного обучения;
• Проверка и валидация цифровой модели;
• Кураторство цифровых моделей на всём пути жизненного цикла через создания цифровых двойников;
• Совместное использование разработок;
• Совместное использование информации на всех этапах проектирования или этапах жизненного цикла;
• Обмен информацией между различными дисциплинами и организациями;
• Обновление и распространение цифровой модели;
• Повторяемость и возможность использования для репликации;
• Возможность интерпретации цифровой модели;
• Удобство использования;
• Совместимость цифровых моделей;
• Оценка достоверности;
• Управление доступом;
• Защита интеллектуальной собственности и соблюдение чужих авторских/патентных прав;
• Безопасность и анализ рисков.
Основа
Деятельность в жизненном цикле: каждая фаза жизненного цикла будет включать операции с инженерными компонентами, рассмотренными выше, а для этого надо ясно понимать, каким образом эффективно использовать информацию из данных предыдущих этапов жизненного цикла, из исторических наблюдений в цифровых двойниках за той же (или подобной) работой в последующих этапах жизненного цикла. Исследовательские проблемы возникают при каждой комбинации каждого типа операций с цифровыми объектами и каждого действия жизненного цикла. Инновационные приложения с использованием цифровых технологий на практике позволит получить преимущества их использования и разработать соответствующие приложения.
Существует множество потенциальных применений различным инновационным прорывным технологиям. Здесь мы кратко обсудим проектирование систем с использованием оцифрованных инженерных объектов в которых может быть несколько уровней автоматизации. На базовом уровне оцифрованная модель может быть просто инженерной схемой для пользователей, сопровождаемая метаданными о схеме использования. Следуя информации, указанной в этих метаданных, инструкции могут быть отображены/визуализированы с помощью необходимого программного обеспечения. На среднем уровне такая модель может быть исполняемой формальной моделью и следуя соответствующим метаданным, формальная модель может быть выполнена в среде, такой как контейнер (современный подход виртуализации в вычислительной технике). На уровне ещё немного более высоком можно уже проследить происхождение и историю эволюции, а также отношения зависимостей модели. На продвинутом уровне, в дополнение к тому, что указано выше, некоторые примеры возможностей включают в себя:
а) используя метаданные, оцифрованная модель может быть проверена и подтверждена машинами, например, с помощью средств проверки самой модели или проверки теорем для доказательства правильности логического алгоритма;
b) Некоторые типы неисправностей в модели также могут быть обнаружены машиной автоматически;
c) На основе свойств набора данных модели интегрируются разработчиками для построения целой системы (например, роботизированные конвейерные линии);
На самом высоком уровне, используя искусственный интеллект, машина может автономно создавать модель поверх доступных оцифрованных объектов, автономно улучшать структуру созданной системы и её поведение при динамично изменяемых условиях.
Стратегической целью является использование в инжиниринге инновационных цифровых технологий, таких как интернет вещей (IoT), кибер-физические системы (CPS), технологии обработки больших массивов данных (Big Data), искусственный интеллект, машинное обучение, представление знаний и аргументация (KR&R), онтологии, дополненная реальность (AR), виртуальная реальность (VR), цифровые двойники, 3D-печать, имитационное моделирование (M&S), кибербезопасность, распределённый доступ, блокчейн и другие. В истории машиностроения САПР в значительной степени оцифровала инженерный чертёж и физическое проектирование деталей. Объединяясь с VR & AR и технология конструкторского проектирования CAD постепенно всё сильнее сдвигается к созданию полноценных цифровых двойников различных устройств и компонентов. Несомненно, благодаря сочетанию цифровой инженерии с другими новыми цифровыми технологиями появится множество инновационных применений, о которых мы пока даже можем не догадываться.
Загрузка...