Цифровой двойник поезда «Ласточка»  Что это такое и как работает

Зима, люди ждут электричку на станции. К перрону подходит «Ласточка», но всех пассажиров просят освободить вагоны и состав уезжает пустым, а вместо него подходит запасной. Заминка, но не более чем на пару минут. Рутина быстро восстанавливается, люди не опаздывают по своим делам и не мерзнут из-за нарушения расписания.

Что это было? На предыдущих перегонах поезд при торможении замедлялся дольше обычного — ​едва заметно, на доли секунды. Каждая последующая остановка требовала чуть большего тормозного усилия. Эту разницу не почувствовал бы машинист, но автоматика выявила тренд и сделала вывод, что на колесных парах и тормозных колодках, вероятно, образовалась наледь. Диспетчер получил сигнал, что через некоторое количество часов поезд нужно будет увести с маршрута. Он без спешки нашел замену, выбрал станцию, где составы пересадят пассажиров, и прислал бригаду быстрого быстрого реагирования на ближайший запасной путь. Там «беспокойный» поезд осмотрят, подтвердят или опровергнут диагноз автоматики и, если необходимо, проведут обработку колесных пар.

До экстренной ситуации еще бесконечно далеко. Но в каком-то смысле она уже произошла, только не с реальным поездом, а с его цифровым двойником, который всегда едет «на несколько часов впереди».

Зеркало реальности

Смотреть в будущее железнодорожникам помогает «Прескриптивная система диагностики электропоезда ЭС2Г „Ласточка“», разрабатываемая ВНИИЖТ совместно с Лабораторией киберфизических систем Центра системного проектирования Сколтеха. В 2023 году она прошла первичные испытания на реальном поезде, который курсирует по московским маршрутам, в декабре состоялась промежуточная приемка.

Сверхточный цифровой двойник поезда на экране компьютера выглядит обманчиво просто. Вместо навеянных рекламой трехмерных анимаций — ​плоская блок-схема из простых легко читаемых пиктограмм. Строительные блоки этой схемы — ​так называемые одномерные функциональные модели. Другими словами, это график изменения какого-то параметра во времени.

Цифровой двойник не управляет поездом в реальном времени — он работает в возможном будущем

Всего с «Ласточки» собирается две с половиной тысячи сигналов из почти сотни систем поезда. Учитываются не только двигатели и тормозные механизмы, но также системы кондиционирования, внешние прислонно-сдвижные двери, системы освещения и многое другое. Если значение какого-то параметра выходит за пределы нормы, машинист и диспетчер получают предупреждающий сигнал.

Интереснее другое: система может выдать преду­преждение даже тогда, когда все параметры на первый взгляд находятся в пределах нормальных значений. Программа сравнивает показания в разных условиях, сопоставляет параметры друг с другом, анализирует те самые временные графики. Этим и отличается прескриптивная (то есть предписывающая, предсказательная) модель от обычной, пусть даже очень продвинутой, телеметрии. Обычная диагностика увидит, что двери открылись и закрылись после соответствующих команд, и отрапортует, что проблемы не выявлены. Прескриптивная — ​заметит, что сегодня вот эта дверь открывалась и закрывалась на полсекунды дольше, чем вчера, и порекомендует перед следующей сменой проверить шарниры и приводы. И так далее для каждого отдельного агрегата, элемента, модуля, детали.

Тихон Углов, менеджер проектов Лаборатории киберфизических систем Центра системного проектирования Сколтеха:

Финальный продукт „Прескриптивная система диагностики электропоезда ЭС2Г „Ласточка““ выглядит следующим образом. Это программно-аппаратный комплекс, состоящий из мощного сервера с файловым хранилищем, который собирает исторические данные и выполняет все симуляции. На борту поездов устанавливается блок, занимающийся сбором и пересылкой телеметрии на серверную часть, а также оперативной аналитикой. У машиниста появляется лампочка-индикатор в интерфейсе управления, которая горит либо зеленым, либо желтым, либо красным. При необходимости в нее можно „провалиться“ и посмотреть, какая именно система поезда скоро откажет. Но в целом машинисту некогда в этом разбираться, он и так перегружен информацией. Если сигнал красный, поезд просто высаживает пассажиров и отправляется в депо или на запасной путь. Для бригады быстрого реагирования диагностика предоставляет более подробный отчет, чтобы можно было принять какие-то меры на месте. В нем достаточно данных для того, чтобы люди на основе профессионального опыта могли понять, насколько серьезна ситуация и способен ли поезд своим ходом уехать из отстойника в депо для ремонта. Наиболее подробный отчет получает диспетчер в депо, который принимает решение, выпускать ли конкретный состав на линию

Пропасть доверия

Систему «умный дом» нередко называют цифровым двойником — ​ведь если зажечь свет на «виртуальной кухне» в телефоне, лампочки загорятся и в жизни. На самом деле между дистанционным управлением и цифровым двойником — ​пропасть. Первая система управляет объектом в реальном времени, вторая же эмулирует его поведение с прицелом на будущее.

Главный вопрос, который задают себе пользователи цифрового двойника, — ​насколько ему можно доверять. Поэтому любая компьютерная модель объекта сперва именуется цифровым прототипом или макетом, а звание двойника получает лишь после верификации.

Когда-то промышленники выпускали продукцию и не слишком заботились о том, как она поведет себя после того, как покупатель отдаст им деньги. Ошибки в проектировании выявлялись потребителями и иногда становились фатальными не только для конкретного продукта, но и для целой компании-производителя. В некоторых случаях недостатки удавалось устранить в следующих партиях, выслушав отзывы покупателей. Так работала аналитика пользовательского опыта.

Иногда производители сами тестировали свой товар до вывода на рынок, и со временем это стало нормой. Однако возник вопрос о глубине тестирования. Сколько времени займет проверка изделия с длительным ресурсом? Сколько экземпляров проверять, чтобы отловить самые редкие проблемы? Сколько все это будет стоить? Описательная и диагностическая аналитика, основанная на тестировании, тоже оказалась компромиссом.

Виртуальные поезда тестируют на виртуальных маршрутах

Появление цифровых двойников подтолкнуло рынок к прескриптивной аналитике. Она позволяет перенести значительную часть тестов в виртуальное пространство. К примеру, с прошедшего полигонные испытания реального поезда берется набор данных. На их основе создают комплекс моделей — ​будущего цифрового двойника. Затем следует важнейший этап — ​верификация моделей. Для виртуального поезда создают виртуальный маршрут (точную копию того, на котором испытывали реальный прототип). Цифровой поезд точно так же гоняют по курсу, а затем смотрят, есть ли расхождения между результатами симуляции и «физическими» тестовыми прогонами. Если разница есть, модель корректируют.

Тихон Углов, менеджер проектов Лаборатории киберфизических систем Центра системного проектирования Сколтеха:

Сфера цифровых двойников еще не до конца устоялась. Нам нередко говорят: “У вас не цифровой двойник, а просто набор моделей, в чем разница?“ Частично так и есть: цифровой двойник представляет собой комплекс моделей и наборов данных, связанных воедино. Новизна здесь в том, что такая система более высокого уровня формирует единую картину происходящего с моделируемым объектом. Какие именно модели и данные будут использоваться в конкретной абстракции, которую мы называем цифровым двойником, зависит от задач бизнеса и потребностей людей, которым предстоит с ней работать. Примерно как с искусственным интеллектом: произнесли это словосочетание — ​и в общих чертах понятно, о чем идет речь, а что там на самом деле подразумевается — ​нейронные сети, машинное обучение, — ​важно в основном специалистам, и они, если надо, уточнят. Термин „цифровой двойник“ так же позволяет упаковать сложную абстракцию в форму, легкую для понимания и использования людьми с разной подготовкой

Интуиция робота

Смотреть в будущее не только удобно, но и выгодно. Так, благодаря прескриптивной аналитике техническое обслуживание проводится в соответствии с реальными потребностями машины, а не по усредненному регламенту производителя, который может не учитывать климатические условия или интенсивность эксплуатации. Когда на горизонте появляется вероятность отказа, можно заранее заказать запасную деталь, за что скажет спасибо сервисная организация. Для эксплуатантов и, главное, пассажиров наличие предсказательной модели — ​весомый аргумент в пользу безопасности транспорта. С ней спокойнее.

Пока цифровые двойники на железной дороге — перспективная опция, но скоро она превратится в необходимость. В Москве уже испытывались беспилотные поезда, со временем их станет больше. Автопилот не сможет, как живой машинист, выйти из кабины и осмотреть колесные пары — ​появилась на них наледь или нет. Искусственному интеллекту нужны свои «органы чувств» и гораздо более развитая, чем у человека, «интуиция». Система прескриптивной аналитики подходит на эту роль.

Читайте также тест-драйв со вкусом будущего: