САПР для Интернета вещей

  Изменения  в мире Интернета вещей налицо, все шире номенклатура «вещей», идут процессы стандартизации соответствующих платформ и протоколов, а сам мир «вещей» переходит в стадию формирования системы систем, образованных субъектами Интернета вещей. Сегодня уже не только сложные изделия, но и бытовая техника имеет «на борту» цифровую систему управления, а то и не одну. Практически обязательным «довеском» к компьютеризированным изделиям стали модули сетевой коммуникации, и уже не удивляют холодильники и видеотехника с выходом в Интернет, кухонные комбайны с GPS-трекингом. Вместе с тем эволюция Интернета вещей идет пока в сторону расширения номенклатуры собственно вещей, совершенствования и стандартизации протоколов, развития индустрии систем хранения больших объемов данных и разработки эффективных аналитических облачных методик работы с данными. Однако при разработке изделий, предназначенных для эксплуатации в среде Интернета вещей, не учитывается пока влияние этой среды на изделие: состояние коммуникативных платформ, взаимосвязь различных облачных решений, рекомендации систем расширенной прогнозной аналитики и т. п. Все это приводит к тому, что великолепно разработанные изделия оказываются лишь «полуфабрикатами» и их встраивание в мир Интернета вещей становится весьма трудоемкой задачей, недоступной широкому кругу пользователей. Для устранения этого препятствия требуется пересмотреть роль автоматизированных систем проектирования (САПР), которые должны быть дополнены средствами учета и анализа среды Интернета вещей.

Человечество всегда пыталось решать вопросы оперативного управления объектами мира вещей наиболее рациональным способом, в результате вещи эволюционировали, а каждый шаг такой эволюции имел свои особенности, касающиеся выполнения процессов проектирования (рис. 1).

Рис. 1. Эволюция вещей

На первом этапе («Изделие») управление замыкалось на операторе (пилоте, штурмане, машинисте и т. п.), который следил за состоянием окружающей обстановки и с помощью инструментария, предусмотренного разработчиком вещи, «на глазок» изменял режимы ее функционирования. Точность и адекватность такой настойки полностью определялись умением оператора, а качество управления — скоростью индивидуальной реакции и навыками работы с механизмами управления (рычагами, педалями). Конструктору на этом этапе эволюции вещей достаточно было решать задачи механического проектирования, предусмотрев возможность расположения подсистем, позволяющих оператору изменять параметры функционирования устройства. По сути, на этом этапе только начиналось применение автоматизированных систем проектирования, наибольший эффект от которых достигался там, где в САПР решались задачи совместного ведения разработки сразу нескольких узлов и агрегатов в едином цифровом макете изделия (Digital Mock-Up, DMU). Примером проектных разработок, выполненных в концепции DMU, может служить ходовая часть с механической коробкой передач для легкового автомобиля — типичный пример успешного применения САПР в автомобилестроении в начале 90-х годов XX века.

В ходе дальнейшего совершенствования мира вещей («Умное Изделие») оператор уже не успевал отрабатывать типовые задачи управления, и тогда проектировщики стали в изделия помещать системы управления, которые автоматически отслеживали изменение внешних условий и выдавали управляющие воздействия. Разработчикам теперь необходимо было параллельно создавать механическую, электрическую, электронную начинку изделия, а также его программное обеспечение — приемов и методов, принятых для среды DMU, стало уже недостаточно. Подход, при котором проектирование перерастает в простое конструирование деталей на 3D-моделях, получил название «системный инжиниринг», а в арсенале разработчиков появились мультидисциплинарные САПР (mCAD, eCAD и др.) и системы PDM [1], дополненные модулями комплексного инженерного анализа кинематики, электрики и т. п. Примером проектных разработок в стиле «системного инжиниринга» может служить модель современного автомобиля, включающая 3D-модели кузовных деталей, ходовой части, двигателя, светотехники, сервоприводов, жгутовой разводки цепей электропитания и т. п.

Третий этап эволюции («Умное Изделие + Сеть») характеризуется тем, что вещами становятся высокотехнологичные сложные мультисистемные изделия с автоматическими и автоматизированными цепями обратных связей. В процессе своего функционирования такие вещи активно собирают информацию о состоянии всех своих подсистем и накапливают информацию о своем окружении. При создании таких изделий разработчики вынуждены уже на стадии концепции и еще до этапа эскизного проектирования учитывать наличие встроенной сетевой информационной коммуникационной системы. В «системный инжиниринговый» состав команды необходимо включать подразделения или сторонние предприятия, которые отвечают за разработку программного и аппаратного обеспечения, решающего коммуникативные задачи. Разработка в рамках одного предприятия становится невозможной — активно привлекаются специализированные компании-разработчики ИТ-компонентов, растет роль координации результатов различных проектных групп в рамках единой информационной модели изделия на протяжении всех этапов его создания. В этих условиях продолжали совершенствоваться мультидисциплинарные САПР, а центр тяжести эффективного использования различных САПР разными группами разработчиков переносится на  PLM.  Именно PLM становится единой средой и для OEM-производителей, и для поставщиков узлов, деталей, компонентов, и для внешних соисполнителей.

На следующем этапе эволюции вещей («Система + Умное Изделие») происходят объединение и обработка информации, поступающей от множества разнотипных взаимодействующих в сети изделий. Теперь именно вне вещи решается вопрос о том, какой она должна быть, и хотя ее «интеллект» не вырос по сравнению с изделиями предыдущего этапа, а в ряде случаев даже стал ниже, неизмеримо большее развитие получили локальные облачные сервисы, помогающие вещам решать отдельные задачи. Например, облака управления трафиком общественного транспорта в больших городах, к которым подключаются такие «вещи», как автобусы, поезда и другие субъекты транспортной системы. Каждое транспортное средство в реальном времени поставляет в облако сведения о себе и условиях внешнего мира, где вся информация консолидируется и анализируется.

С точки зрения пользователей САПР, на этом этапе окончательно отмирает понятие «системный инжиниринг», а «вещь» в обязательном порядке дополняется сетевой программируемой подсистемой выхода во внешнее информационное пространство. Качественное изменение мира «вещей» на этом этапе практически не отразилось на концепции применения САПР для разработки новых изделий — облачными решениями приросла ИТ-составляющая изделия. Совершенствование САПР идет по пути специализации и расширения номенклатуры модулей. Примерами разработок изделий, ориентированных на активное взаимодействие с облачными сервисами, обеспечивающее эффективную эксплуатацию изделия, являются болиды «Формулы 1» [2]. Сами машины разрабатываются в мультисистемных САПР по таким же принципам, что и серийные автомобили, но все компоновочные решения жестко увязываются с решениями по эксплуатации болидов, рассматриваемых как элементы сети информационного обмена с «конюшней» по нескольким каналам в реальном времени.

Сегодня мы на пороге следующего этапа эволюции: «вещи» уже рассматриваются не как отдельные интеллектуальные сетевые изделия, а как элементы сети систем («Система + Умное Изделие + Взаимодействие Систем»). На предыдущем этапе были две системы изделий Интернета вещей (транспортные средства и облако), описывающие ситуацию в соответствии со своей спецификой, и естественно, что эти две системы связаны между собой намного слабее, чем изделия внутри каждой из них. Сейчас все чаще появляется необходимость учитывать результаты работы с данными из одной системы при работе с данными в другой. Например, прогноз из метеосистемы автоматизированного контроля за погодой становится важным для облака контроля за трафиком. В принципе, возможен учет данных, полученных из системы контроля трафика, для коррекции аналитики системы метеонаблюдения. Однако на предыдущем этапе эволюции межсистемная коммуникация заранее в архитектуру не закладывалась и планов построения какого-то «надоблачного» сервиса для консолидации всех потоков информации в единое облако не было.

Пятый этап эволюции мира вещей — это  обязательное  включение «вещи» в контуры межсистемного обмена информацией внутри ее среды эксплуатации. Однако сегодня на рынке CAD/CAM/CAE/PDM/PLM нет полноценной индустриальной САПР, которая бы позволяла создавать такие вещи. Речь не идет о проектировании компонентов Интернета вещей (всевозможных сенсоров, датчиков, панелей отображения поступающей из сети информации и т. д.) — своего решения требует более сложная задача проектирования изделий, в которых такие компоненты активно используются. Другими словами, проблема заключается в повышении эффективности применения САПР коллективами разработчиков, которые проектируют изделия с компонентами Интернета вещей, принципиально эксплуатируемых только в облаке. При таком понимании проблемы разработки изделий пятого поколения уже говорят об инициативе IoT-driven CAD, в рамках которой реальные очертания обрели три концепции.

Проектирование под особенности «умных» изделий (Design for SCP). Такими изделиями, поддерживающими сетевые функции и компоненты Интернета вещей (Smart Connected Product, SCP), могут быть, например, «умные» системы ЖКО, оснащенные мультизональными датчиками с накоплением информации и выходом в сеть как минимум по таким протоколам: 6LoWPAN (стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4), Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee (надстройка к стандарту IEEE 802.15.4 для описания сенсорных сетей), Z-Wave (протокол беспроводной связи для автоматизации домашних устройств) и AllJoyn (проект с открытым исходным кодом, призванный объединить все устройства, оснащенные передатчиками Wi-Fi или Bluetooth). При проектировании для «умных» изделий, продолжает применяться классический принцип современных индустриальных САПР разработки цифрового прототипа изделия, включая и решения для Интернета вещей, но на практике это означает расширение комплекса модулей CAD/CAE системой проектирования новых компонентов и интеграцию уже разработанных и стандартизованных, например, сенсоров, библиотек виртуальных элементов с конфигурируемыми моделями коннекторов сетевой связи. Интеграция этих системных компонентов проектирования в уже имеющийся набор модулей системного инжиниринга формирует реальную технологическую платформу разработки SCP-изделий.

Виртуальный «советчик» (Performance advisor). Это средство функционального расширения САПР в варианте Design for SCP, которое подключается при разработке изделия, для того чтобы на виртуальной сборке отрабатывать корректирующие воздействия на конечное изделие. При этом при работе в среде САПР обязательно учитывается дополнительная информационная составляющая компонентов Интернета вещей, включенных в состав 3D-модели изделия. Для современных высокотехнологичных изделий практически невозможно построить математическую модель поведения (функционирования) в разнообразных ситуациях, поэтому осуществляется имитационное моделирование и статистический анализ результатов. Имитационная модель SCP учитывает параметры информационных каналов обмена информацией с облаками и другими SCP. Кроме того, в состав модели обязательно добавляются параметрические описания внешней среды («облаков»). Имитационное моделирование позволяет проверить работоспособность виртуального SCP-изделия в условиях его будущей эксплуатации, накопить статистику применимости предполагаемых решений, оценить реакцию сенсоров, пропускную способность каналов и работоспособность каналов обратной связи. Результаты имитационного моделирования представляются на интегрированной информационной панели «виртуального советчика».

Применение «советчика» на этапе технического проектирования позволит отсечь непроизводительные или недостаточно сбалансированные SCP-структуры. Дополнительные преимущества могут быть получены в результате имитационного моделирования в виде прогнозов эксплуатации проектируемого SCP-изделия, облегчения работ по его модификации и т. п. Имитационное моделирование, статистический анализ и управление знаниями уже входят в состав практически всех ведущих индустриальных САПР, однако их распространение на класс SCP-изделий требует интеграции классического функционала с составляющими Интернета вещей.

Электронный двойник (3D Digital Twin). Это виртуальное изделие, дополненное моделями компонентов Интернета вещей. Проектировщик одновременно с разработкой (в стиле Design for SCP и, возможно, с поддержкой в виде виртуального «советчика») готовит эксплуатационную модель создаваемого изделия, на которой можно «проиграть» влияние внешней среды и оценить измеряемые параметры совместного функционирования подсистем изделия, информацию о которых поставляют компоненты Интернета вещей. На основе этой информации некое приложение моделирует поведение изделия, возможно, предлагая варианты управляющих воздействий для компенсации последствий. За счет реализации электронного двойника ожидается повышение предсказуемости конкретного исполнения изделия.

Компания PTC недавно продемонстрировала примеры реализации по трем перечисленным концепциям (рис. 2). Сначала очередная модификация «классического» изделия дорабатывается в САПР PTC Creo, а при выполнении типовых задач реконфигурирования на едином цифровом макете изделия в состав структуры электронных компонентов вводятся модели компонентов Интернета вещей, например модели разных датчиков. Для постоянного контроля за потоком данных, поступающих от датчиков и сенсоров в ходе эксплуатации изделия или в ходе виртуального имитационного моделирования, в облаке развертывается информационная панель виртуального советчика и определяется политика доступа к нему (платформа ThingWorx). Получение входных данных по результатам измерений на «реальном» изделии, дополнение их аналитикой из облака внешних сервисов дают возможность оперативно отображать поведение изделия в реальных условиях. Применение единой интеграционной платформы и использование расширенного набора графических средств позволяют перейти к построению информационной мультиканальной панели Performance Advisor. Высокая скорость имитационного моделирования в Creo на модели реального устройства с наложением модели внешних воздействий — необходимое условие создания полноценного электронного двойника реального изделия. Накопление информации и аналитики в облаке позволяет организовать работу, например эксплуатационных служб, в стиле дополненной реальности.

Рис. 2. Пример реализации инициатив Design for SCP, Performance Advisor и 3D Digital Twin

***

Эволюция мира вещей привела к тому, что «вещи» должны сразу разрабатываться как изделия, предназначенные для эксплуатации в среде Интернета вещей. Однако такая разработка существенно отличается от приемов и методов классического автоматизированного проектирования и технологии системного инжиниринга. В ближайшее время следует ожидать практических инициатив в области проектирования SCP-изделий и появления модернизированных интеграционных технологических платформ для разработки изделий, для которых сеть — естественная среда обитания.

Литература

1. Наталья Дубова. Системы управления производственной информацией // Открытые системы.СУБД. — 1996. — № 3. — С. 63–69. URL: http://www.osp.ru/os/1996/03/178897 (дата обращения: 31.05.2015).
2. Дмитрий Волков. Победители «Формулы» // Открытые системы.СУБД. — 2001. — № 12. — С. 40–48. URL: http://www.osp.ru/os/2001/12/180720 (дата обращения: 06.06.2015).

Дмитрий Кирьянов, Владимир Краюшкин (dkirianov, vkray @pts-russia.com) — сотрудники компании «Продуктивные технологические системы» (Москва); Марина Пирогова (PirogovaMA@mpei.ru) — доцент, Московский энергетический институт.