Об авторе: Сергей Салкуцан, директор Фонда поддержки инноваций и молодежных инициатив Санкт-Петербурга, старший научный сотрудник Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.
Кто такой цифровой инженер
Цифровой инженер — это новый класс инженеров, которые в цифровом пространстве проектируют и моделируют реальные физические объекты — от отдельных деталей до сложных изделий, комплексов и работы целых фабрик. В России таких специалистов пока немного, но во всем мире их востребованность растет. Расходы на цифровой инжиниринг, по прогнозам консалтинговой компании Zinnov, уже к 2025 году вырастут до $2 трлн и составят половину всех расходов на инженерные исследования и разработки.
Переход в индустрию 4.0 (развитие технологий ИИ и машинного обучения, внедрение промышленного интернета вещей, развитие системного цифрового инжиниринга) открыл перед бизнесом новые горизонты. С одной стороны, появилось понимание поведения систем в течение всего жизненного цикла. Например, с технологией цифровых двойников (Digital Twins) нефтедобывающие предприятия могут не только следить за текущим состоянием оборудования на удаленных объектах, но и предсказывать возможные сбои задолго до инцидента. С другой — произошло сокращение времени разработки. Экономия происходит за счет моделирования жизненного цикла до того, как продукт произведен. Вместо проверки результатов на дорогостоящих образцах все идеи и расчеты можно проверить на цифровых моделях. Например, в автомобилестроении вместо десятка дорогостоящих краш-тестов можно провести тысячи виртуальных и один натурный для подтверждения цифровых результатов. Среди других возможностей эксперты отмечают увеличение прозрачности бизнес-процессов, быструю переналадку производства, кастомизацию продукции и достижение ею принципиально новых потребительских характеристик.
Чем занимается цифровой инженер
Задача цифрового инженера — проектировать объекты, процессы и системы на всех этапах жизненного цикла. Еще в начале разработки должно быть четкое понимание, как должно работать готовое изделие, какие процессы проходят внутри и как они друг на друга влияют. В расчетах важно учитывать множество требований и ограничений — технологических, экономических, функциональных. К примеру, решая спроектировать кузов необычной формы, важно сохранить практичность и безопасность. И при этом нужно иметь возможность изготовить его на имеющемся производстве, выбрать новый материал для детали, повысив ее качество и сократив расходы на производство, заложить возможность использования оборудования в экстремальных климатических условиях. Отдельная задача — создать «мост» между физическим и цифровым мирами, чтобы происходящие с реальным объектом процессы сразу отражались в цифровой модели, что позволит избегать отказов оборудования, аварий и экстренных ремонтов.
В текущих экономических реалиях — санкционного давления и ограниченного доступа к технологиям — такие специалисты нужны любому бизнесу, который планирует занять лидирующие позиции на рынке. Уже в начале июля 2023 года в России насчитывалось около 100 тыс. вакансий по запросу «инженер». Особенно они нужны в областях, где вовсю идет процесс цифровой трансформации — в машиностроении, телекоммуникациях, атомной энергетике, нефтегазовом и агросекторе. Востребованы они и в медицине, где могут заниматься как разработкой и улучшением обслуживания сложного медицинского оборудования, так и развитием персонализированной медицины.
Основные навыки
Чтобы строить цифровые модели, нужны глубокие фундаментальные знания в области физики, математики, механики и инженерии. Основную часть работы в инжиниринге выполняют компьютерные программы, чьи возможности превышают традиционное создание чертежей, ручные расчеты предполагаемых нагрузок и прогнозирование поведения материалов. Поэтому важно владение разными инженерными программными системами:
- технологии компьютерного проектирования: CAD (система автоматизированного проектирования);
- технологическая подготовка производства: CAM (компьютерная поддержка производства);
- компьютерный и суперкомпьютерный инжиниринг: CAE (системы инженерного анализа) и HPC (высокопроизводительные вычисления);
- технологии управления данными о продукте: PDM (управления данными об изделии);
- технологии управления жизненным циклом: PLM (управление жизненным циклом продукта).
А также: CAE (системы инженерного анализа), CFD (система вычислительной гидродинамики), CAO (компьютерная оптимизация), CAAM (компьютерное архитектурное моделирование), FSI (решение задач взаимодействия жидкости и конструкций), MBD (модельно-ориентированное проектирование) и т.д.
Кроме того, важно умение работать в кросс-функциональных командах. Фактически цифровой инженер выполняет роль технического лидера проекта, которому нужны знания принципов проектного управления, продуктового подхода и дизайн-мышления. Как и в любых других технологических специальностях, требуется постоянно учиться новому, иметь широкий кругозор и быть готовым решать задачи, которые в традиционной промышленности считаются нерешаемыми.
Тренды и направления профессии
Компетенции в области цифрового инжиниринга междисциплинарны, что открывает возможность для цифровых инженеров работать в любых областях. Например, в следующих.
Трансформация промышленности
Промышленность — один из драйверов цифровой трансформации. Крупные промышленные компании готовы инвестировать в наукоемкие разработки, поскольку любая оптимизация, предотвращенная авария окупаются и сохраняют компании сотни миллионов, а иногда и миллиардов.
Еще в 2019 году специалисты консалтинговой Gartner отмечали, что 62% компаний по всему миру планируют или уже начинают внедрять технологию цифровых двойников. Она позволяет удаленно следить за важным оборудованием, оптимизировать производство. А за счет проведения виртуальных расчетов и симуляций без создания физических образцов — кратно ускорять процесс разработки и вывода продукции на рынок.
В России, по оценке ИСИЭЗ НИУ ВШЭ, в 2020 году доля организаций обрабатывающей промышленности, использующих цифровые двойники, составляла 3,3% (в целом по экономике этот показатель составлял 1,1%). По оценкам 2021 года, 18% предприятий машиностроения и приборостроения используют технологии имитационного моделирования и виртуальных испытаний промышленной продукции (цифровой двойник изделия). К 2030 году этот показатель может вырасти до 80%. В России уже сейчас в некоторых центрах НТИ, к примеру в ЦНТИ «Новые производственные технологии», 50% проектов связаны с цифровым проектированием и моделированием, включая цифровые двойники. Глобальный рынок двойников к 2031 году вырастет до $183 млрд.
Создание персонализированной медицины
Если моделировать материальные физические объекты, их свойства и поведение человек научился, то с живыми системами вроде человеческого тела сделать это сложнее. На здоровье человека влияет множество факторов — наследственность, образ жизни, окружающая среда. Предусмотреть все в модели невозможно, прежде всего из-за отсутствия достаточного объема данных в цифре, поэтому появление цифровых двойников всего организма пока событие из области фантастики. Однако ученые и инженеры работают в этом направлении. В России и мире уже появляются цифровые модели сердца и других органов, а также модели обнаружения заболеваний, использующие технологии машинного обучения. Внедрение этих технологий позволит упростить процесс диагностики, в разы точнее прогнозировать риски послеоперационных осложнений и многое другое.
Покорение космоса
Влияние низкоорбитальных спутников сопоставимо с развитием железных дорог в прошлом веке. Получаемые с помощью дистанционного зондирования Земли данные важны для разных отраслей экономики и напрямую влияют на жизни обычных людей. С их помощью, например, можно предсказывать и мониторить природные бедствия. От этого зависят как безопасность полетов, так и снижение ущерба от лесных пожаров за счет оперативного обнаружения и возможности оптимизировать работу по их тушению. В сельском хозяйстве такие данные помогают оценивать состояние почв и посевов, а с дополнительным анализом достичь максимальных урожаев. Или обеспечение безопасной навигации по Северному морскому пути, где бывают сильные туманы и сложная ледовая обстановка. Кроме того, данные со спутников нужны для предсказания погоды и изменений климата, оценки влияния бизнеса на экологию, геологоразведки, управления энергопотреблением и многим другим.
Рынок спутников и спутниковых группировок, по прогнозам аналитической компании Business Research Insights, будет расти на 15% в год и к 2028-му его объем составит $13,28 млрд. Преимущество будет у тех, кто быстрее остальных станет осваивать это направление. Для этого важна скорость разработок. Цифровое моделирование и цифровые двойники, в частности, как раз и позволяют решить эту задачу.
Сохранение культурного наследия
В реставрации цена ошибки невероятно высока, ведь можно уничтожить или испортить важный исторический артефакт. Поэтому цифровое моделирование в этой сфере невероятно востребовано. Можно прогнозировать, как поведет себя произведение искусства при различных температурных, световых и иных условиях через десятки лет, или, например, рассчитывать безопасность конструкций зданий, относящихся к культурному наследию. Прежде чем начать реставрационные работы, необходимо проводить многовариантные виртуальные эксперименты, чтобы не навредить. В Петербурге этот подход применили еще в 2003 году во время реставрации шпиля Петропавловского собора. Тогда город привлек инженеров одной из первых на тот момент учебно-научных лабораторий компьютерного инжиниринга из Петербургского политеха.
Откуда пришла профессия
Почти полвека назад создание систем автоматизированного проектирования (CAD) Национальный научный фонд США признал одним из величайших событий в истории. Оно резко увеличило производительность труда. Примерно настолько же, как когда у человечества появилось электричество.
Системный цифровой инжиниринг — следующая ступень развития инженерной школы. Проникновение цифровых технологий практически во все сферы требует более совершенных подходов и инструментов. Это связано с несколькими факторами.
- Снижение управляемости. Вся производимая продукция значительно усложнилась. Используется все больше физических и электронных компонентов, с каждой новой строчкой программный код усложняется комбинаторно. Вместе с этим растут и скрытые издержки — система становится менее управляемой, одних лишь знаний и инженерной интуиции недостаточно.
- Конкуренция. Чем быстрее компания запускает продукт, тем быстрее начинает извлекать из него выгоду. Современные рынки живут в триаде: сокращение времени на принятие решений, реализацию и вывод продукции на рынок. Бизнес заинтересован в получении продукта высокого качества в кратчайшие сроки с наименьшими издержками.
Как стать цифровым инженером
Образовательных программ по цифровому инжинирингу в России немного. В бакалавриате можно встретить их в Донском государственном техническом университете и Уральском федеральном университете. На уровне магистерских программ для подготовки специалистов в сфере высокотехнологичного бизнеса в 2022 году в стране была запущена федеральная программа передовых инженерных школ. В частности, цифровых инженеров готовят в рамках шести магистерских программ в Передовой инженерной школе «Цифровой инжиниринг» в Политехе. Ключевое отличие — подготовка идет совместно с индустриальными партнерами — «Росатомом», «Северсталью», ОДК, «Газпром нефтью» и другими, что дает возможность учиться на реальных производственных задачах и работать по профессии уже с первого курса. В будущем программы в области цифрового инжиниринга могут открыться и в других университетах-участниках. В сфере цифровой медицины подготовку таких специалистов ведут в Сеченовском университете.
Старт в профессии невозможен без базового инженерного образования и фундаментальных знаний физики и математики. Получить их можно во всех крупных вузах страны — например, в Москве, Петербурге, Томске, Казани и на Дальнем Востоке по направлениям «Прикладная механика», «Механика и математическое моделирование», «Прикладные математика и физика», «Прикладная математика и информатика», «Прикладная математика», «Технологические машины и оборудование».