В Сибири создадут цифровой двойник синхротрона СКИФ

Первый в мире эксперимент по метамоделированию полнофункционального цифрового двойника установки класса мегасайенс планируется реализовать с помощью нового суперкомпьютерного датацентра СНЦ ВВОД.

24.03.2020г в пресс-центре ТАСС состоялась пресс-конференция, посвящённая новому этапу реализации Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов» (ЦКП «СКИФ»). В обсуждении приняли участие директор ФИЦ ИК СО РАН (Заказчик-застройщик ЦКП «СКИФ»), академик Валерий Бухтияров, заместитель генерального директора АО «Центральный проектно-технологический институт» ГК Росатом (АО ЦПТИ, генеральный проектировщик ЦКП «СКИФ») по информационным технологиям и автоматизации процессов проектирования Федор Петров и врио директора ФИЦ ИВТ Андрей Юрченко.

Специалисты Центрального проектно-технологического института (АО «ЦПТИ», входит в Топливную компанию Росатома «ТВЭЛ») согласно госконтракту спроектировали все здания и сооружения согласно Национальному стандарту Российской Федерации «Информационное моделирование в строительстве» (идентичен международному документу ISO/TS 12911:2012* «Общие принципы разработки стандартов информационного моделирования зданий и сооружений» (ISO/TS 12911:2012 «Framework for building information modeling (BIM) guidance», IDT)., создали архитектурный облик и цифровую информационную (BIM) модель ЦКП «СКИФ».

«Для ЦПТИ это знаковая работа – проекты такого уровня не проектировались в России более 20 лет. Еще один вызов, который мы приняли, – это применение всех передовых цифровых технологий и методов проектирования для дальнейшего строительства. Созданная цифровая информационная модель (BIM-модель) содержит всю архитектурно-конструкторскую и технологическую информацию об объекте, все проектные решения и является структурным цифровым двойником ЦКП «СКИФ».

-Модель будет насыщаться данными в ходе строительства и эксплуатации и сопровождать весь жизненный цикл объекта. ЦКП «СКИФ» класса «мегасайенс» содержит в себе сотни тысяч, если не миллионы деталей, и цифровая среда, в отличие от «плоских» чертежей на бумаге, позволит учесть их все. Основной экономический эффект от использования BIM-модель достигается на двух стадиях – строительства, одной из самых дорогих стадий в жизненном цикле объекта, и дальнейшей эксплуатации. На этапе строительства, за счет того, что мы уже выявили все возможные коллизии – пересечения конструкций и инженерных систем, мы поможем сократить сроки строительства и затраты. Таким образом, BIM-модель, разработанная ЦПТИ, станет основой для создания полнофункционального цифрового двойника ЦКП «СКИФ», – рассказал заместитель генерального директора по информационным технологиям и автоматизации процессов проектирования АО «ЦПТИ» Федор Петров.

В рамках года науки и технологий в России коллективом сибирских ученых, работающих над созданием ЦКП «СКИФ» с 2018 года, было принято решение о реализации первого в мире проекта полнофункционального цифрового двойника установки класса мегасайенс.

BIM-модель, уже построенная генеральным проектировщиком ЦКП «СКИФ», АО ЦПТИ, позволит ученым Федерального исследовательского центра информационных и вычислительных технологий перейти к этапу создания группы математических моделей-надстроек, позволяющих запустить мультимодальное проектирование и прогнозирование работы исследовательских станций ЦКП «СКИФ» и эксплуатации самого центра коллективного пользования в виде современного цифрового двойника производственного комплекса: в данном случае ЦКП» СКИФ» можно рассматривать, как «фабрику фотонов».

В настоящее время оценка внедрения цифровых двойников на различных производствах показывает снижение издержек и увеличение эффективности рабочих процессов до 20%, запуск аналогичных процессов на этапе проектирования и строительства ЦКП «СКИФ» может позволить превысить данные показатели ввиду сокращения издержек, включая временные, еще до введения СКИФа в эксплуатацию.

Возможности цифрового двойника ЦКП «СКИФ» потребуются уже сейчас — для оперативного создания двух новых станций ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора — для проведения высокоточных исследований на культурах in vitro потребуется минимальная вибрационная погрешность фундаментов,  для точного расчета которой потребуется матемтаическое моделирование. Соответствующие расчеты предполагается выполнить на базе лаборатории цифровых двойников и анализа больших данных ФИЦ ИВТ.

Цифровой двойник ЦКП «СКИФ» ориентирован на то, чтобы:

анализировать работу технологического и инженерного оборудования, основываясь на комплексе показаний датчиков и заблаговременно выявлять возможные неисправности (это важно, поскольку комплекс является сложной сбалансированной системой);

моделировать и анализировать различные сценарии нарушения информационной безопасности и отклик системы на эти нарушения с целью соблюдения безопасности информации (это важно, поскольку на объекте предполагается наличие нескольких уровней безопасности, в том числе, работа с государственной тайной и коммерческой информацией, участие иностранных граждан);

внедрить технологии искусственного интеллекта для оптимизации рабочих процессов управления комплексом, комплектование принятых заявок пользователей (это важно, поскольку предполагается работа в нескольких режимах накопления электронного пучка);

предлагать эффективные сценарии функционирования всего комплекса с учётом потребляемых ресурсов (это важно, ввиду высокого энергопотребления, тепло- и хладопотребления);

проводить виртуальные эксперименты с использованием различных методов на основе предварительных данных об образцах для оценки необходимого для исследования экспериментального времени работы станций (это важно, поскольку пучковое время дорого).

Реализация цифрового двойника позволит управляющему органу ЦКП «СКИФ» следующее:

анализировать показатели (активности различных систем, наработки на отказ, оптимальности использования экспериментального времени);

осуществлять тактическое и стратегическое планирование материалопотока, логистики, компоновки экспериментального времени в различных режимах работы;

проверять сценарии работы, осуществлять поиск узких мест с учётом динамических и случайных факторов.

Создание цифрового двойника позволит:

заблаговременно выявлять угрозы стабильности работы комплекса со стороны как техногенного, так и человеческого фактора;

оптимизировать процессы управления комплексом сложного технологического и инженерного оборудования;

оптимизировать потребление комплексом различных ресурсов;

эффективно планировать и распределять экспериментальное время;

увеличить эффективность профилактических работ.

Разместить цифровой двойник СКИФа планируется на аппаратной платформе Сибирского национального центра высокопроизводительных вычислений, хранения и обработки данных (СНЦ ВВОД), параллельно с обработкой больших данных синхротрона, генерируемых в ходе экспериментов. Вывод данных цифрового двойника ЦКП «СКИФ» запланирован в помещение ситуационного центра, а сами эксперименты можно будет моделировать в пространстве виртуального куба с полным погружением «внутрь» эксперимента.

Построить рядом с ЦКП «СКИФ» современный суперкомпьютер уровня мирового ТОП-50 планируется к вводу самого синхротрона – для этого проект «СНЦ ВВОД» в настоящее время проходит проверку в Минобрнауки России. Защита проекта предстоит 1 апреля в рамках заседания Правительственной комиссии по бюджетным проектировкам на очередной финансовый год и плановый период на 2022–2024 гг.

«Заявка на реализацию проекта «СНЦ ВВОД» оперативно подготовлена и подана Федеральным исследовательским центром информационных и вычислительных технологий по запросу Минобрнауки России 24 февраля текущего года, в настоящее время заканчивается проверка Главгосэкспертизой задания на проектирование сибирского суперкомпьютера» — пояснил по итогам пресс-конференции врио директора ФИЦ ИВТ Андрей Юрченко.