Digital thread: what it is, and where it breaks

В этой статье дается определение цифровой нити и рассматривается момент, когда она чаще всего обрывается: в тот момент, когда CAD-модель превращается в облегченный 3D объект.

Что такое цифровая нить?

Цифровая нить — это связанная запись данных о продукте на протяжении всего его жизненного цикла. Она связывает требования, проектирование, производство и информацию об обслуживании, так что любой артефакт можно отследить до источника, который его произвел. Этот поток данных работает в обоих направлениях, передавая производственные и полевые данные обратно в инженерный отдел.

Консорциум цифровых двойников определяет его как «двунаправленную, надежную и заслуживающую доверия взаимосвязанную информационную систему, которая объединяет множество измерений, включая структуру, поведение, пространство, время и этапы жизненного цикла». Это правда, и на основании этого сложно что-либо предпринять. В практическом смысле, нить — это совокупность связей, отвечающих на один вопрос: что породило эту часть в этом состоянии, что изменилось и что от нее зависит?

Двунаправленность — это аспект, который чаще всего упускается из виду. Непрерывным каналом, соединяющим этапы проектирования и производства, является экспортный конвейер. Настоящая нить также идет в обратном направлении. Результаты проверок, фактическая конфигурация, данные о неисправностях в полевых условиях и история эксплуатации передаются ответственным за проект лицам.

В этом руководстве описываются данные, передаваемые по цепочке, объясняется, что с ними происходит во время преобразования формата, и излагаются требования для поддержания целостности соединения вплоть до 3D в реальном времени.

Цифровой поток данных против цифрового двойника: в чем разница?

Цифровой двойник — это виртуальное представление реального объекта. Цифровая нить — это связанная запись того, как что-то появилось и что с ним произошло с тех пор. Близнецы — это государство, нить — это история. Вам нужна нить, чтобы близнец оставался правдивым.

Эти два понятия взаимозависимы, а не взаимозаменяемы. Цифровой двойник, созданный на основе устаревшего экспортного продукта, — это двойник продукта, которого больше не существует. Когда инженеры выпускают новую версию, а её аналог об этом не знает, он продолжает моделировать старую деталь. Эта нить замыкает этот цикл.

Какие данные фактически передаются по потоку?

Различные части данных о продукте имеют совершенно разные шансы на выживание. Геометрия — это очевидный, но обычно наименее ценный груз. 3D CAD- файл описывает форму. Всё, что делает эту форму функциональной, находится рядом с ней:

• Номера и идентификаторы деталей. Основной ключ. Без стабильного идентификатора ничто в дальнейшем не может быть связано с исходной записью.
• Спецификация материалов и структура изделия. Из чего состоит эта конструкция, в каком количестве и в каких соотношениях. Спецификация материалов CAD — это структура данных, а не изображение.
• Иерархия сборки и ограничения. Взаимоотношения родителей и детей, границы подсистем, партнеры и соединения. Так устроена машина, и именно так ею управляет техник.
• Материалы и отделка. Физические свойства для моделирования, а также внешний вид для визуализации. Это две разные потребности, которые удовлетворяет один набор атрибутов.
• PMI и GD&T. Информация о производстве продукции, а также геометрические размеры и допуски. Допуски и производственные намерения — это данные, которые имеют наибольшее значение на последующих этапах производства и которые чаще всего рассматриваются как второстепенные.
• Пересмотр и эффективность. Какая это версия и когда она применяется. Именно эффективность превращает обсуждение в своего рода хронологию событий, а не в моментальный снимок.
• Характеристики поставщика и источников поставок. Кто производит его, по каким спецификациям и на основании какого соглашения.

Где место PLM

PLM является основной системой учета для большинства вышеперечисленных случаев, и интеграция с PLM — это то, что делает возможным существование той или иной цепочки, а не то, к чему следует стремиться. PLM хранит информацию об идентификаторе, версии, структуре и состоянии выпуска. Она редко определяет, что происходит после того, как данные покидают конечный потребитель, например, конвейер визуализации, обучающее приложение или конфигуратор. Именно в этом моменте передачи возникает пробел.

Исследования это подтверждают. В ходе опроса Tech-Clarity, проведенного среди 245 компаний, около трети сообщили о проблемах, связанных с использованием нескольких САПР, а почти половина заявила, что теряет время из-за плохого или неэффективного взаимодействия. Инженеры тратят 19% своего времени, примерно один день в неделю, на работу по управлению данными, не приносящую добавленной стоимости, и к таким задачам относятся работа с некорректными данными, их пересоздание и перевод форматов ( Tech-Clarity, декабрь 2024 г. ). Перевод формата — это не второстепенный аспект в проблеме управления данными. Это одна из названных ею причин.

Место разрыва связи: преобразование формата

Тесселяция — это процесс аппроксимации точной поверхности САПР сеткой из плоских треугольников. В системах реального времени, браузерах и гарнитурах отображаются треугольники, а не параметрические поверхности, поэтому каждая CAD-модель должна быть тесселирована, прежде чем ее можно будет отобразить в интерактивном режиме. В результате получается визуальное приближение с выбранным допуском.

Геометрия в САПР — это точная математика. Цилиндр — это цилиндр: граничное представление, или BREP, построенное из аналитических и NURBS-поверхностей, которые могут быть вычислены с любой точностью. Движок, работающий в режиме реального времени, не может отобразить это напрямую. Он отображает треугольники. Таким образом, производится выборка поверхности, и допуск выборки становится постоянным свойством выходных данных. Увеличьте допуск, и вы получите точность плюс количество треугольников. Если ослабить крепление, вы получите улучшенные характеристики и видимую огранку.

Уничтожение заходит еще дальше. После тесселяции модели обычно остаются слишком тяжёлыми для гарнитуры или браузера, поэтому треугольники удаляются, сетки объединяются, заслонённая геометрия удаляется, а иерархия сглаживается. Каждая из этих операций обменивает информацию на частоту кадров.

Проблема заключается во втором событии, которое происходит в тот же самый момент. Если конвейер обработки данных не предназначен для их переноса, то негеометрические атрибуты, упомянутые в предыдущем разделе, не будут передаваться. Сетка прибыла. Номер детали не совпадает. В спецификации материалов этого нет. В этой редакции этого нет. Нить только что оборвалась, и ничего не произошло достаточно громко, чтобы кто-либо это заметил. На последующих этапах эксплуатации актив выглядит корректно и не имеет информации о своем происхождении.

Форматы делают это конкретным. На этапе ввода данных вы, как правило, имеете дело с собственными файлами САПР, такими как CATIA V5 и V6 или Siemens NX .prt, нейтральными форматами, такими как STEP, IGES и JT, а также форматами BIM, такими как IFC и NWD. На выходе из системы в конвейерах обработки данных в реальном времени обычно используются форматы glTF, FBX и OBJ, в то время как формат USD все чаще используется в качестве формата обмена данными в более широкой экосистеме 3D . Инструменты преобразования, такие как Unity Asset Transformer, считывают собственные форматы CAD и нейтральные форматы напрямую и обрабатывают преобразование BREP в сетку, вместо того чтобы требовать предварительного экспорта в формат сетки. Он поддерживает более 70 форматов и сохраняет иерархию, материалы и метаданные при импорте.

Важно не то, произойдет ли обращение в веру. Это всегда происходит. Вопрос в том, является ли это «чёрным ящиком», создающим «бесхозную» сеть, или же это определённый шаг, который передаёт идентичность дальше.

Что сохраняется при преобразовании CAD-модели в 3D-модели реального времени, а что нет?

Ответ зависит от атрибута, от используемого конвейера обработки и от способа создания исходных данных. Здесь ничего не происходит автоматически.

Следует отметить два момента:

Некоторые из этих недостатков обоснованы: NURBS-код на гарнитуре вам не нужен. Наиболее болезненные потери — это информационные потери, и их можно избежать. Сетка, которая знает свой номер детали и версию, называется потоком. Сетка, которая этого не делает, — это изображение.

Определение на основе моделей и MBSE повышают ставки. Если в качестве авторитетного определения используется модель, а не чертеж, то атрибуты, утраченные при преобразовании, не являются чисто декоративными. Это технические характеристики.

Что происходит, когда инженеры вносят изменения в деталь?

Цифровая цепочка — это не разовый продукт, и именно здесь большинство команд впервые ощущают её разрыв.

Ситуация типична: инженерный отдел выпускает новую версию, и кронштейн смещается на четыре миллиметра. На всех этапах процесса все работает корректно: заявка на изменение создается, рассматривается и утверждается, а система PLM правильно ее регистрирует. Впоследствии каждый артефакт, созданный на основе старой геометрии, оказывается теперь незаметно неверным. В учебном модуле по-прежнему изучается старая последовательность ассемблерного программирования. В конфигураторе по-прежнему отображается старый кронштейн. В ходе осмотра помещения специалист по техническому обслуживанию по-прежнему указывается на отверстие, которого уже нет.

Никаких ошибок не возникает, и в этом-то и проблема. Ручные конвейеры обработки данных зависят от того, что кто-то не забывает повторно экспортировать данные, идентифицировать каждый последующий актив, полученный из данной детали, и повторно запустить процесс конвертации. На практике либо этим знанием обладает один человек, либо его не имеет никто.

Ценность этой цепочки сообщений заключается в раннем выявлении изменений в проекте, что позволяет избежать затрат на доработку на поздних этапах. Одной лишь видимости на вышестоящем уровне недостаточно, если нижестоящие артефакты не обновляются. Поток изменений должен быть действенным, то есть изменение в исходной системе запускает повторное преобразование и помечает ресурсы, которые от него зависят.

Преимущества от ужесточения этого цикла измеримы. Компания Siemens сообщает, что компания Teradyne сократила время выполнения заявок на внесение изменений в техническое обслуживание с 90 до 14 дней, что составляет снижение на 84%, снизила стоимость внедрения изменений на 60% и получила ежегодную экономию в размере 2 миллионов долларов. Победа достигается за счет устранения ручной передачи информации, а не за счет ускорения работы внутри этих систем.

Суть перехода заключается в том, чтобы рассматривать процесс конверсии как повторяющуюся, запускаемую операцию, а не как задачу. Для этого и существует автоматизация рабочих процессов преобразования CAD-моделей в 3D-модели .

Как сохранить целостность нити при работе в 3D

«Как создать цифровую нить?» — ответ кроется в архитектурной программе. Часть, касающаяся конверсии, сводится к шести практикам. Требуйте их от любого трубопровода, независимо от того, кто его строит.

1. Сохраняйте неизменность идентификаторов компонентов при каждом преобразовании. Определите идентификатор, который будет передаваться: обычно это идентификатор объекта PLM плюс номер ревизии, а не имя файла. Запишите это на преобразованный объект. Если нижестоящий ресурс не может указать свой источник, на этом обсуждение заканчивается. Это наиболее ценная практика в списке.

2. Явно сопоставьте свойства источника с целевыми метаданными. Перечислите свойства, которые должны сохраниться, определите, где каждое из них должно находиться, и протестируйте сопоставление в рамках конвейера обработки данных. Поведение по умолчанию не является спецификацией. Всё, что вы не назвали, в конечном итоге пропадет.

3. Автоматизируйте преобразование и создайте версии рецепта. Входными данными являются допуск на тесселяцию, целевые значения для уменьшения размерности, правила слияния и сопоставление материалов. Сохраните их в системе контроля версий и применяйте программно, чтобы один и тот же входной сигнал давал тот же результат в следующем квартале. По определению, результат ручной оптимизации невоспроизводим.

4. Сделайте процесс конверсии управляемым событиями. Повторное преобразование следует запускать на основе события выпуска в исходной системе, а не по памяти пользователя. Именно это превращает набор экспортированных данных в актуальную ветку обсуждения.

5. Храните конвертированные активы там, где их можно найти и использовать повторно. Преобразованные активы представляют собой производные данные, поэтому обращайтесь с ними соответствующим образом: каталогизируйте, делайте доступным для поиска, версионируйте и удаляйте. Грамотное управление 3D активами позволяет восстанавливать актив из исходного кода, а не защищать артефакт, который никто не сможет воспроизвести.

6. Свяжите преобразованный актив с исходной записью. Это не копия метаданных, а ссылка. Преобразованный актив является производным от выпущенного инженерного объекта, и это должно быть указано. Именно это делает возможным анализ влияния: при изменении какой-либо детали можно перечислить все последующие изменения.

Это дисциплина, применяемая к конвейерам сборки программного обеспечения, в частности, к 3D данным. Для более широкого понимания архитектурных вопросов, включая распределение обязанностей между инженерным и ИТ-отделами, см. это руководство по управлению инфраструктурой 3D -данных .

Примеры цифровых потоков по отраслям

Аэрокосмическая и оборонная промышленность

Аэрокосмическая отрасль — наиболее зрелый вариант применения этого термина, и именно здесь он возник. Основной фактор – регулирование: компонент планера должен быть отслеживаемым от момента ввода в эксплуатацию до проектирования, сертификации материалов, производства и контроля качества, и эта запись должна сохраняться в течение десятилетий. Данная цепочка взаимосвязей объединяет управление требованиями, САПР, MBD, управление производственными процессами и результаты контроля качества, демонстрируя, что деталь была изготовлена ​​в точном соответствии с техническими характеристиками. Нарушите это, и у вас возникнет проблема с соблюдением требований, а не с эффективностью. В 3D пространстве те же данные используются для разработки инструкций по сборке и обучения техническому обслуживанию самолетов.

Автомобильная отрасль

Автомобильная промышленность работает на основе вариативной сложности. Модельный ряд включает тысячи конфигураций, каждая из которых имеет свою допустимую спецификацию материалов и диапазон эффективности. В этой ветке обсуждения правила конфигурации связаны с геометрией, поэтому компоненты конкретной сборки являются правильными компонентами. Без этого командам приходится сверять электронные таблицы. В 3D среде это обеспечивает возможность проведения анализа дизайна в распределенных командах, виртуальную сборку перед изготовлением оснастки и создание конфигураторов, демонстрирующих автомобиль, который можно реально заказать. Если неправильно настроить резьбу, конфигуратор продаст вариант, который завод не может производить.

Промышленное оборудование

Промышленное оборудование продается один раз и обслуживается в течение двадцати лет. Резьба соединяет спроектированную машину с построенной и обслуживаемой машиной в соответствии с серийным номером по всей установленной базе. Без сервиса ломается именно он: техник приходит к станку, в документации к которому описана другая версия. На этапе 3D - визуализации программное обеспечение преобразует данные по каждому серийному номеру в интерактивные инструкции по обслуживанию, удаленную помощь и обучение операторов работе с точной конфигурацией, находящейся перед пользователем.

Распространенные проблемы, связанные с цифровыми нитями

Препятствия носят преимущественно организационный характер и в основном существовали еще до начала интеграционной работы.

Исходные системы, которые никогда не предназначались для обмена данными. Системы PLM, ERP, MES, ALM и CAD были приобретены в разное время, для разных владельцев и с разными моделями данных. Не существует версии этого проекта, которая была бы исключительно проектом, связанным с данными.

Раздельное владение. Инженерный отдел отвечает за определение, ИТ-отдел — за платформы, а производственный и сервисный отделы — за последствия. Ветка обсуждения никому не принадлежит, поэтому промежутки между системами никому не принадлежат.

Качество данных, которое обеспечивается самими данными. Тема обсуждения не способствует повышению качества. Оно распространяет всё, что существует. В ходе опроса 250 руководителей инженерных подразделений в США и Европе 95,6% назвали следование стандартам проектирования компании критически важным или важным, однако только 55% стандартов проектирования были задокументированы, актуальны и часто использовались. Данные, прикрепленные к модели, часто являются ненадежными еще до того, как к ним прикоснутся какие-либо преобразования.

Перерыв в преобразовании. Это само по себе представляет собой проблему, поскольку именно она, скорее всего, останется незаметной для тех, кто финансирует программу.

Некоторые из них просто сложны. Раздельное владение — это не проблема инструментов, и ни один продукт не решает её. Реалистичная цель — это сохранение целостности нити на пути, ведущем к последствиям.