Цифровые двойники и цифровые технологии:
особенности и перспективы в угольной отрасли

Введение

В настоящее время широко развернулось внедрение цифровых технологий (ЦТ) во всех отраслях российской экономики. Наиболее активно в эти процессы вовлечены высокотехнологичные отрасли. Угольная отрасль, как и остальные добывающие отрасли, отстает во внедрении цифровых технологий. Тем не менее эти процессы идут как на уровне всей отрасли, так и на уровне отдельных компаний.

Одним из наиболее популярных направлений развития ЦТ является внедрение цифровых двойников, которые являются частью единой цифровой системы управления компанией – технологией-интегратором всех сквозных ЦТ и субтехнологий.

Последние технологические разработки и достижения в области искусственного интеллекта (ИИ) позволили активизировать внедрение ЦД в компаниях, работающих в добывающих отраслях, в том числе в угольной отрасли. ЦД сделали возможной автоматизацию всех основных звеньев цепочек создания стоимости, позволили комплексно внедрять перспективные технологии разведки месторождений, селективной выемки угля, обогащения, формирования проектных угольных смесей, разрабатывать оптимальные пути доставки и переработки угля.

Цель статьи – показать особенности процессов цифровизации, выявить барьеры и перспективные направления внедрения цифровых двойников (ЦД) в угольной отрасли. Задачи: 1 – дать определение ЦД и показать особенности и уровень их внедрения в компаниях стран, занимающихся угледобычей; 2 – выделить и дать характеристику базовым страновым моделям управления цифровизацией угольной отрасли, показать в них место ЦД; 3 – выявить барьеры внедрения ЦТ и ЦД в угольной отрасли и предложить меры по их преодолению.

Данные и методы

При проведении исследования использованы следующие научные методы: системный и сравнительный анализ, библиографическое исследование, обобщение, социологический опрос экспертов.

Источниками данных послужили материалы интернета и СМИ, сайтов ведущих зарубежных и отечественных угольных и горнодобывающих компаний, экспертные оценки, кейс-стади цифровых проектов, аналитические отчеты консалтинговых компаний, материалы первичного и вторичного экспертного опроса.

Результаты исследований

Цифровые технологии и цифровые двойники начиная с 2000-х годов активно внедряются в горнодобывающей и угольной отраслях. На начальном этапе внедрение платформ корпоративных ресурсов (ERP) позволило синхронизировать разрозненные производственные операции, корпоративные процессы и отчетность и значительно повысить эффективность. Следствием этого во всем мире стали крупные инвестиции в цифровое ПО и цифровую инфраструктуру для формирования локальных цифровых двойников.

Понятие «цифрового двойника» в научный оборот было введено еще в 2003 г., но в академических кругах до сих пор этот термин трактуется по-разному [1]. Одни авторы ограничивают его программами, моделирующими предметы и результаты деятельности [2, 3], другие видят в нем важнейший инструмент мониторинга и стратегического управления [4–6]. В зарубежной литературе наибольшее распространение получило определение ЦД, понимающее под ЦД «…интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностное моделирование сложного продукта, использующее наилучшие доступные физические модели для отражения срока службы соответствующего физического объекта» [1]. В последнее время появились публикации, посвященные роли ЦД в управлении компаниями, регионами, цепочками создания стоимости, учитывающие не только технологические, но и финансовые и организационные и др. аспекты управления сложными системами [7, 8]. С некоторым запозданием формируются и российские школы по теме ЦТ [9, 10] и ЦД [11, 12], в том числе ЦТ [13, 14] и ЦД в угольной отрасли [15, 16].

По мнению авторов, цифровой двойник – это комплексный инструмент управления, представляющий реалистичную виртуальную модель физического объекта, обновляемую в реальном времени.

Лидерами внедрения ЦТ и ЦД являются крупные горнодобывающие и угольные компании Австралии, Китая, США, Канады и Германия. Они синхронизируют ЦД с приоритетными ЦТ, активно внедряют ЦД не только отдельных агрегатов, технологических переделов, рудников и шахт, но и стремятся превратить его в инструмент управления всей цепочкой создания стоимости. Под ЦСС в данной статье понимается вся последовательность переделов продукции в угольной отрасли, начиная от геологоразведки и заканчивая реализацией продуктов переработки угля [17–19]. В качестве целей обозначают поиск и удержание оптимальных режимов работы для максимизации производительности и надежности. Все это позволяет оценить уровень цифровой трансформации и внедрения ЦД (табл. 1).

Таблица 1

Особенности внедрения ЦТ и ЦД в крупнейших горнодобывающих и угольных и компаниях, 2024 г.

Источник: составлено авторами на основе официальных отчетов и сайтов компаний, данных McKinsey, GlobalData.

Анализ официальных отчетов и сайтов горнодобывающих и консалтинговых компаний позволил выделить уровни внедрения ЦТ и ЦД. Уровень 0 – это этап стандартизации и автоматизации управления основными и вспомогательными производствами, начало внедрения базовых цифровых технологий. На этом этапе все процессы производства, включая управление, максимально заменяются машинными, создаются виртуальные модели отдельных продуктов и операций – квази-ЦД.  Уровень 1 – это период оптимизации и реинжиниринга бизнес-процессов компании с учетом требований цифровых технологий, создания локальных цифровых двойников (ЛЦД) для наиболее важных активов и процессов, синхронизации цифровых и реальных производственных бизнес-процессов. Уровень 2 – это начало создания комплексных цифровых двойников (КЦД), рекомбинации ЦД и приоритетных ЦТ. Уровень 3 – это этап формирования цифрового двойника всей ЦСС, способного управлять всей ЦСС, решать операционные и стратегические задачи.

Кроме уровней внедрения ЦТ и ЦД, удалось выявить две страновые модели внедрения ЦТ и ЦД в угольной отрасли: корпоративную – в развитых странах (BHP, Anglo American, Glencore, Anglo American и др.) и государственную – Китай (China Shenhua Energy Company Limited, China Coal Energy Company Limited и др.). В основу выделения моделей положены характер ЦСС и уровень развития ЦТ и ЦД (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение уровня цифровизации и внедрения ЦД в Австралии, Китае и России

Источник: составлено авторами на основе официальных отчетов и сайтов компаний, данных McKinsey, Яков и партнеры, GlobalData.

Также есть группа стран, компании которых только формируют свою модель цифровой трансформации: Индонезия, Монголия, Россия.

В корпоративной модели компании-лидеры ведут деятельность в глобальном масштабе, имеют географическую и пространственную диверсификацию, благодаря чему их ЦСС более гибкие и устойчивые. В их состав входят компании, расположенные в разных частях света, которые ведут добычу, транспортировку и переработку угля, черных и цветных металлов, алмазов. Также там присутствуют сервисные, финансовые и исследовательские структуры, центры цифровизации.

Кейс BHP

BHP – крупнейшая в мире диверсифицированная горнодобывающая и металлургическая компания, имеющая активы в более чем 90 странах. Источниками конкурентоспособности компании являются: высококачественные активы, близость к потребителям, транснациональный масштаб деятельности, производственная и территориальная диверсификация, эффективное корпоративное управление всей ЦСС.

BHP является мировым лидером по внедрению ЦТ и ЦД. Компания перешла на третий уровень цифровизации, завершив синхронизацию КЦД, ИИ и предиктивной аналитики с помощью единого удаленного центра управления (IROC). Центр выполняет функции локального индустриального центра цифровых компетенций, осуществляет мониторинг и анализ тенденций развития ЦТ, разрабатывает стандарты использования ЦТ и ЦД, заключает контракты с партнерами, проводит отбор и мониторинг проектов по внедрению ЦТ в своей компании и компаниях-партнерах.

BHP сотрудничает с лидерами в области ЦТ и горнодобывающей отрасли: AWS (аналитика данных, IoT-платформы), Siemens, Schneider Electric (промышленная автоматизация). Компания реализует совместные проекты с Rio Tinto, Vale по стандартизации цифровых решений, инвестирует в технологические стартапы и создание инновационных центров. IROC в партнерстве с университетами и государственным научным агентством CSIRO участвует в разработке инновационных цифровых и технологических решений.

Источник: официальный сайт компании, данные консалтинговых компаний.

Опыт BHP – это один из самых удачных примеров реализации открытой, преимущественно корпоративной частной модели цифровизации угольной отрасли, в основе которой лежит тесное сотрудничество ведущих глобальных компаний при активной поддержке со стороны национальных государств, которые и обеспечивают компании технологическое лидерство.

В государственных вертикально-интегрированных угольных компаниях Китая государственная поддержка и административный ресурс позволяют снижать операционные расходы и ускоренно внедрять ЦТ и ЦД, догоняя лидеров. Опыт China Shenhua Energy – пример реализации закрытой, преимущественно государственной модели цифровизации угольной отрасли, которая решает проблемы формирования технологического суверенитета и экономической безопасности.

Кейс China Shenhua Energy:

China Shenhua Energy – крупнейшая в мире угольная компания. Она входит в государственный энергетический холдинг China Energy Investment Corporation. Ключевыми источниками конкурентоспособности компании являются: масштаб деятельности, низкая себестоимость добычи, жесткий контроль по вертикали за всей ЦСС – от разведки до транспортировки, продажи и переработки, государственное участие и фокус на защищенный внутренний рынок.

Большую роль играет ее статус «национального лидера в энергетике». Он позволяет компании получать государственные субсидии, льготные кредиты, снижать процентные ставки по налогам, получать гарантированный госзаказ на уголь и электроэнергию. Государство предоставляет компании приоритетный доступ к крупнейшим угольным месторождениям и инфраструктурные преференции – строительство ж/д веток и портов за госсчёт (порт Huanghua) и ограничивает вход на китайский угольный рынок иностранных компаний. Через China Energy Investment Corporation (CEIC) China Shenhua Energy активно участвует в разработке отраслевого законодательства и отраслевых стандартов, в которых учитываются ее интересы. При реализации своих проектов компания сотрудничает преимущественно с национальными технологическими компаниями: Huawei – 5G технологии для «умных» шахт, Alibaba – облачные AI-решения, XCMG – автономная горная техника.

Источник: официальный сайт компании, данные консалтинговых компаний.

Угольная отрасль России и российские компании значительно уступают зарубежным лидерам по уровню цифровизации и внедрению ЦД. В целях уточнения ситуации авторами статьи в 2024 г. был проведен опрос 10 экспертов – представителей крупнейших угледобывающих компаний, действующих в Кемеровской области. Полученные результаты в основном совпадают с данными Братарчука и др., проводивших опрос в 2023 г. [15] (табл. 3).

Таблица 3

Уровень цифровизации угольных компаний России, 2023–2024 гг.

Источник: составлено авторами на основе исследования Братарчука и др. [15], официальных отчетов и сайтов компаний, опроса экспертов.

Эксперты сошлись в своих оценках на том, что российские угольные компании пока не готовы внедрять полноценные ЦД, а ЦТ внедряются пока лишь в отдельных звеньях угольных ЦСС: логистика и управление безопасностью (табл. 4).

Таблица 4

Приоритетные направления цифровизации, внедряемые в угольных компаниях России

Источник: составлено авторами на основе официальных отчетов и сайтов компаний, опроса экспертов.

^{Внедрение ЦТ и ЦД «застряло» между первым и вторым уровнями цифровизации. Внедряемые ЦД носят локальный характер и даже в крупных угольных компаниях не обеспечивают ожидаемых результатов.}

¹ Цифровизация горно-металлургической отрасли России в 2024 году. Долгосрочный оптимизм и высокие цели. М: Яков и Партнёры, ГК «Цифра»; 2024. 20 с.

Обсуждение результатов и выводы

Проведенный анализ показал, что процессы цифровой трансформации и внедрения ЦД в угольной отрасли отстают от других отраслей. Причиной тому являются как общие для всех отраслей барьеры, так и специфичные для угольной отрасли:

• высокая цена цифровых технологий и нехватка ресурсов, значительный эффект масштаба;
• отсутствие четко выстроенной модели развития угольной отрасли и стратегии ее цифровизации;
• низкий уровень автоматизации производства и управления, недостаточность цифровой инфраструктуры;
• острая нехватка кадров и цифровых компетенций у руководителей компаний.

Наконец, серьезным препятствием для внедрения ЦТ и ЦД является сложность оценки реальных эффектов цифровой трансформации. В настоящее время практически отсутствуют измеримые показатели целей, методики оценки эффективности и результативности внедрения ЦТ, а перечень показателей, по которым осуществляются мониторинги и создаются рейтинги, ориентированы на развитые страны и не сбалансированы [20]. Именно поэтому в современных условиях все чаще используют экспертные оценочные суждения и балльно-рейтинговые оценки. Их основной недостаток – субъективность. Без разработки национальных стандартов и методик оценки решить эти вопросы невозможно.

Для преодоления этих барьеров, по мнению авторов, необходимо разработать стратегию цифровизации угольной отрасли, определить ключевые субъекты, цели и механизмы. В условиях санкций и крайней зависимости от импорта производственных и цифровых технологий сделать это невозможно без активного участия государства. В России угольные компании – частные, поэтому это может быть только смешанная модель внедрения ЦТ и ЦД. Инструментом ее реализации могли бы стать индустриальные центры компетенций (ИЦК) – механизм взаимодействия государства, отраслей и IT-компаний, запущенный в 2022 г. ИЦК позволяют государству, частным компаниям и научно-образовательным организациям устанавливать стандарты и приоритеты цифровизации отраслей, совместно финансировать и управлять проектами. Сегодня 36 ИЦК на принципах государственно-частного партнерства созданы во всех ключевых отраслях экономики в рамках национального проекта «Эффективная и конкурентная экономика», но пока отсутствуют в угольной отрасли.