От CALS/ИПИ к Цифровому Двойнику: Критический Анализ Управления Жизненным Циклом Продукции в Контексте Современных Российских Стандартов и Индустрии 4.0

Введение: Актуальность, Цели и Задачи Исследования

Российский рынок технологий «Цифрового двойника» (ЦД) продемонстрировал впечатляющий рост на 180% в 2024 году, достигнув объема в 45 миллиардов рублей, что неоспоримо свидетельствует об актуальности темы управления жизненным циклом продукции (ЖЦП) и ее информационного обеспечения. В условиях четвертой промышленной революции (Индустрии 4.0) и стратегического курса на импортозамещение, концепция Информационной Поддержки Изделий (ИПИ), известная как CALS (Continuous Acquisition and Life Cycle Support), перестала быть просто теоретической основой и превратилась в краеугольный камень цифровой трансформации отечественного промышленного сектора.

Актуальность данного исследования обусловлена необходимостью систематизации и критической оценки эволюции CALS-концепции, ее интеграции с современными парадигмами (PLM и Цифровой Двойник), а также анализа практических вызовов, с которыми сталкиваются российские предприятия при внедрении сквозных цифровых технологий, особенно в части стандартизации и системной интеграции.

Цель работы заключается в глубоком анализе концепции CALS/ИПИ в ее современном прочтении, оценке роли актуальных российских и международных стандартов (ГОСТ Р, ISO) в обеспечении сквозной информационной поддержки ЖЦП, а также в критической оценке практики внедрения PLM-технологий на промышленных предприятиях Российской Федерации.

Задачи исследования:

1. Проследить эволюцию CALS/ИПИ в PLM и парадигму Цифрового Двойника.
2. Выделить ключевые актуальные стандарты, регулирующие обмен данными об изделии (STEP, ГОСТ Р).
3. Проанализировать состояние рынка отечественного PLM-ПО и выявить основные вызовы импортозамещения и системной интеграции.
4. Оценить количественные экономические и неэкономические эффекты (KPI) от внедрения CALS/PLM-технологий.

Эволюция Концепции: От Информационной Поддержки Изделий к «Цифровому Двойнику»

Базовые понятия и принципы CALS и PLM

Изначально концепция CALS (Continuous Acquisition and Life Cycle Support) возникла в оборонном секторе США в 1980-х годах как механизм стандартизации и унификации электронного обмена технической информацией между поставщиками и заказчиками в течение всего жизненного цикла изделия. В российской практике она получила название ИПИ (Информационная Поддержка Изделий).

CALS/ИПИ подразумевает переход от бумажного документооборота к электронному, от разрозненных данных к интегрированным моделям. Однако, с развитием технологий, особенно с появлением сложных систем автоматизированного проектирования (CAD/CAE) и управления данными (PDM), концепция эволюционировала в более широкую и комплексную парадигму — PLM (Product Lifecycle Management).

PLM — это не просто программное обеспечение, а интегрированный, стратегический подход к управлению всем комплексом данных, процессов и ресурсов, связанных с продуктом, от идеи и проектирования до производства, эксплуатации, обслуживания и утилизации. В отличие от CALS, который фокусировался в основном на структуре и обмене данными, PLM охватывает управление бизнес-процессами, версиями, конфигурациями и взаимодействием между всеми участниками ЖЦП, тем самым обеспечивая реальное управление, а не только поддержку.

Критическое отличие ЦД от Информационной Модели Изделия (ИМИ)

Логическим развитием PLM в эпоху Индустрии 4.0 стала технология «Цифрового двойника» (ЦД, Digital Twin). Для того чтобы понять это развитие, необходимо четко разграничить ЦД и его предшественников, включая «Информационную модель изделия» (ИМИ), определяемую ГОСТ 2.053-2006 (ЕСКД).

Информационная модель изделия (ИМИ), согласно стандарту, является формализованным описанием изделия, которое создается на этапах разработки и изготовления. Она представляет собой статическую, законченную модель, включающую конструкторские и технологические данные. ИМИ — это основа, созданная в PLM-системах.

В отличие от ИМИ, Цифровой Двойник — это динамическая, живая виртуальная модель физического объекта, процесса или системы, которая обладает следующими ключевыми особенностями:

1. Связь в реальном времени: ЦД постоянно обновляется за счет данных, поступающих с датчиков (IoT) и систем исполнения производства (MES).
2. Аналитика и Прогноз: ЦД использует алгоритмы машинного обучения (ML) и симуляции для прогнозирования состояния, выявления потенциальных отказов и оптимизации режимов эксплуатации.
3. Сквозной цикл: ЦД не ограничивается стадиями проектирования и производства, а сопровождает физический объект в течение всего его эксплуатационного цикла, собирая «полевые» данные.

Современная типология ЦД, используемая в академических исследованиях, включает:

• Цифровой Двойник Прототипа (Digital Twin Prototype, DTP): Виртуальный аналог, содержащий данные, созданные в PLM-системах на этапах проектирования и производства (аналог ИМИ, но с возможностью динамического обновления).
• Цифровой Двойник Экземпляра (Digital Twin Instance, DTI): Данные, описывающие конкретный физический объект (серийный номер) на протяжении его фактического срока службы, включая историю обслуживания и ремонта.

Более того, российский стандарт ГОСТ Р 57700.21—2024 ввел понятие «Компьютерная модель изделия для инженерного анализа» (КМИА), которая включает не только геометрические и физические модели, но и методическое обеспечение, необходимое для динамических расчетов и симуляций — это является прямым шагом к формированию ЦД, который способен выполнять полноценный инженерный анализ, а не только хранить данные.

Место ЦД в архитектуре Индустрии 4.0

В архитектуре Индустрии 4.0 Цифровой Двойник занимает центральное место, выступая в роли связующего звена между физическим и информационным миром. Архитектура ЦД может быть представлена в виде пяти ключевых слоев, обеспечивающих сквозную поддержку ЖЦП:

Слой	Описание функции	Интегрируемые системы
1. Физический	Непосредственно объект, оснащенный датчиками и исполнительными механизмами.	IoT-устройства, SCADA, MES
2. Слой связи	Обеспечение надежной и быстрой передачи данных от физического объекта в цифровую модель.	Промышленные сети, Облачные платформы
3. Слой данных	Хранение, структурирование и управление всеми историческими и текущими данными.	PDM/PLM, Big Data хранилища
4. Аналитический	Обработка данных, симуляции, прогнозирование и принятие решений.	ML/AI-алгоритмы, CAE-системы
5. Слой приложений	Интерфейсы для взаимодействия с пользователями (инженеры, управленцы).	ERP, Системы визуализации

Российский рынок Digital Twin технологий является одним из самых быстрорастущих в мире, что подтверждается ростом на 180% в 2024 году. Это подчеркивает осознание отечественной промышленностью ключевой роли ЦД как инструмента повышения конкурентоспособности и достижения технологического суверенитета, ведь только динамически связанная модель позволяет своевременно корректировать производственные процессы.

Нормативно-Правовая База: Ключевые Российские и Международные Стандарты ИПИ/PLM

Эффективность концепции CALS/ИПИ, а ныне PLM и ЦД, неразрывно связана со стандартизацией. Именно стандарты обеспечивают ту самую «сквозную информационную поддержку», позволяя различным системам и предприятиям обмениваться данными об изделии без потери их смысла и структуры.

Международный стандарт ISO 10303 STEP

Ключевым международным стандартом, обеспечивающим интероперабельность (возможность взаимодействия) в области управления данными об изделии, является ISO 10303 STEP (Standard for the Exchange of Product model data).

STEP — это не просто формат файла, а комплексная методология, которая определяет «нейтральный» формат представления данных, полностью независимый от конкретной программной среды (CAD, PDM, CAE).

STEP использует концепцию прикладных протоколов (Application Protocols, AP), каждый из которых определяет модель данных, необходимую для конкретной прикладной области. Например, ISO 10303.203 регламентирует обмен данными для конфигурационно-управляемого проектирования, а AP214 фокусируется на основных данных для механического проектирования в автомобильной промышленности.

Применение актуальных российских ГОСТов в эпоху 3D-моделирования

Российская система стандартизации активно адаптирует международные наработки в области ИПИ. Серия ГОСТ Р ИСО 10303 является прямым внедрением стандартов STEP на территории РФ.

В контексте современного 3D-моделирования и развития ЦД, критически важными являются следующие действующие государственные стандарты:

1. ГОСТ Р ИСО 10303-242-2019: Этот стандарт, введенный в действие с 01.01.2020, устанавливает правила для управляемого проектирования на основе 3D-модели (Managed model-based 3D engineering). Его принятие стало поворотным моментом, поскольку он обеспечивает унифицированный формат для обмена сложной 3D-геометрией, аннотациями, допусками и технологическими требованиями. Этот протокол является ключевым для обеспечения сквозного цифрового процесса, где 3D-модель становится единственным источником истины.
2. ГОСТ Р 57700.21—2024: Этот стандарт, регулирующий компьютерное моделирование в процессах ЖЦП, вводит и уточняет термины, связанные с ЦД, в частности, КМИА (Компьютерная модель изделия для инженерного анализа). Следование этому стандарту обеспечивает методологическую корректность при использовании симуляционных и аналитических инструментов, являющихся основой для ЦД.

Таким образом, актуальная нормативно-правовая база РФ требует от предприятий не просто применения CALS-принципов, но и строгого соблюдения современных протоколов обмена, ориентированных на 3D-модель, что является фундаментом для построения эффективных PLM-систем и Цифровых Двойников. Что толку в 3D-модели, если она не может быть корректно прочитана на следующем этапе производственной цепочки?

Практика Внедрения PLM-Технологий в РФ: Импортозамещение и Вызовы

Обзор отечественного PLM/PDM-ПО и динамика рынка

Стратегический курс Российской Федерации на обеспечение технологического суверенитета привел к значительному росту доли отечественного программного обеспечения в сегменте PLM/PDM-систем. Этот сегмент рынка демонстрирует успешное импортозамещение.

Ведущие российские разработчики предлагают комплексные решения, покрывающие весь спектр задач ЖЦП:

Разработчик	Программный комплекс	Основной функционал
«Топ Системы»	T-FLEX PLM	Комплекс CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM/MDM, ориентированный на машиностроение.
АСКОН	«ЛОЦМАН:PLM»	PDM-система для управления данными об изделии, конфигурациями и документооборотом.
1С	«1С:PDM»	Модуль для управления конструкторско-технологическими данными, интегрированный в экосистему 1С.
Програмсоюз	«Союз-PLM»	Решения, часто используемые в оборонно-промышленном комплексе.

Подтверждением успеха стратегии импортозамещения является статистика: доля российских PLM-систем на отечественном рынке выросла с 33% в 2021 году до 69% в 2022 году. Это свидетельствует о высокой степени зрелости отечественных решений, способных обеспечить управление номенклатурой, структурой изделий и автоматизацию ключевых бизнес-процессов.

Вызовы системной интеграции и экономические барьеры

Несмотря на успехи в замещении иностранных лицензий, российские предприятия сталкиваются с серьезными структурными вызовами при внедрении CALS/PLM-технологий, главным из которых является проблема системной интеграции.

Проблема заключается в том, что PLM-системы, управляющие инженерными данными, должны быть бесшовно интегрированы с другими корпоративными информационными системами (КИС), такими как ERP (планирование ресурсов) и MES (исполнение производства). В условиях импортозамещения эта задача усложняется по следующим причинам:

1. Разноплатформенность и закрытость ПО: На рынке преобладают различные отечественные ERP-системы (часто монополизированные крупными разработчиками), которые имеют закрытые интерфейсы. Это требует разработки дорогостоящих и трудоемких интеграционных модулей, порой основанных на интеллектуальных агентах или middleware-решениях.
2. Экономические барьеры интеграции: Анализ проектов внедрения PLM в электронной отрасли показывает, что в средней стоимости проекта (около 300 млн рублей) всего 2% приходится на лицензии, в то время как 23% бюджета тратится именно на интеграцию с другими системами и оборудованием. Эти высокие затраты на интеграцию служат серьезным экономическим барьером для малого и среднего бизнеса.
3. Отсутствие единого стандарта интеграции: Несмотря на наличие стандартов обмена данными об изделии (ГОСТ Р ИСО 10303), отсутствует унифицированный стандарт, регламентирующий интеграционные шины и протоколы взаимодействия между PLM, ERP и MES в российской практике.

Таким образом, эффективная реализация принципов CALS/ИПИ в России сегодня зависит не столько от наличия качественного отечественного PLM-ПО, сколько от способности предприятий преодолеть архитектурные и финансовые барьеры, связанные с интеграцией разнородных информационных систем. Именно эта системная интеграция, а не лицензирование, определяет темпы цифровизации.

Интеграция PLM с ERP и MES: Формирование Замкнутого Цифрового Контура

Интеграция систем управления жизненным циклом (PLM), планирования ресурсов предприятия (ERP) и исполнения производства (MES) является ключевым условием для создания «цифрового предприятия» и формирования «замкнутого цикла продукции» (Closed-Loop Product Cycle).

Замкнутый цикл продукции подразумевает, что информация, созданная на одном этапе ЖЦП, не только передается на следующий этап, но и данные с этапа эксплуатации или производства возвращаются обратно (в PLM) для анализа и оптимизации будущих разработок. Этот двусторонний, непрерывный обмен данными является основой для функционирования Цифрового Двойника.

Синергетический эффект совместного использования PLM и MES систем реализуется в рамках концепции «Цифрового производства». PLM предоставляет MES-системе точные технологические маршруты и спецификации, а MES, в свою очередь, передает в PLM данные о фактическом исполнении, качестве и параметрах работы оборудования.

Роль конструкторско-технологической информации (КТиНСД)

Основным «мостом» между инженерным контуром (PLM) и финансово-плановым контуром (ERP) является конструкторско-технологическая информация и нормативно-справочные данные (КТиНСД).

Взаимодействие систем фокусируется на обмене следующими ключевыми объектами данных:

1. Номенклатура изделий: Единый справочник материалов, компонентов и готовой продукции.
2. Ресурсные спецификации (BoM): Структура изделия, определяющая, какие компоненты и в каком количестве необходимы.
3. Маршруты и Технологические карты: Последовательность операций, выполняемых на производстве.

Критическая важность актуальности данных:

Качественное обеспечение ERP-системы актуальными КТиНСД, поступающими из PLM, является критически важным для всей деятельности предприятия. Если ERP получает устаревшие или неверные спецификации, это приводит к следующим негативным последствиям:

• Неправильное планирование потребности в материалах (MRP), вызывающее дефицит или излишки запасов.
• Ошибочная калькуляция нормативной себестоимости продукции, что ставит под угрозу финансовую модель предприятия.
• Сбои в производственных графиках, так как MES-системы не могут корректно запустить технологический процесс.

Таким образом, PLM выступает в роли главного источника истины (Single Source of Truth) для всей технической информации, а его интеграция с ERP и MES обеспечивает сквозное планирование и исполнение, замыкая цифровой контур.

Оценка Экономических и Неэкономических Эффектов Внедрения CALS/PLM (KPI)

Основная стратегическая цель внедрения CALS/PLM-технологий — повышение конкурентоспособности продукции за счет эффективного управления информацией. Для оценки эффективности проектов внедрения используются ключевые показатели (KPI), которые можно разделить на экономические (прямая финансовая выгода) и неэкономические (повышение качества и эффективности).

Количественно подтвержденные экономические эффекты

Академические и отраслевые исследования последних лет предоставляют конкретные количественные данные, подтверждающие высокую окупаемость PLM-проектов:

KPI (Показатель эффективности)	Эффект от внедрения PLM	Источник повышения эффективности
Срок запуска изделия в производство	Сокращение на 40–80%	Параллельная разработка, устранение ручного ввода данных, сокращение циклов согласования.
Стоимость запуска изделия	Уменьшение в 1,5–2 раза	Снижение ошибок, вносимых на поздних этапах, и исключение дорогостоящих изменений в оснастке.
Сроки разработки ТД	Сокращение в 2–4 раза	Автоматизация рутинных операций, использование типовых технологических процессов (CAPP).
Сроки проверки документации	Сокращение до 90%	Работа в единой цифровой среде, автоматизированная проверка на соответствие стандартам.
Снижение себестоимости	Значительное снижение	Оптимизация производственных процессов, устранение простоев оборудования, сокращение объемов проектных работ.

Сокращение сроков проверки проектной документации почти на 90% (подтвержденный кейс в энергетике) демонстрирует, как переход к информационным моделям (основе ЦД) радикально меняет эффективность контрольных процедур; это позволяет высвободить критически важные ресурсы инженерного персонала для более сложных и творческих задач.

Неэкономические эффекты и стратегические преимущества

Помимо прямых финансовых показателей, внедрение CALS/PLM-систем обеспечивает ряд стратегических и организационных улучшений, которые трудно измерить в денежном выражении, но которые критически важны для долгосрочного развития:

1. Повышение эффективности труда: За счет устранения дублируемых функций, сокращения времени на поиск информации и автоматизации рутинного документооборота.
2. Улучшение качества продукции: Снижение количества ошибок и брака благодаря использованию единой, актуальной 3D-модели на всех этапах ЖЦП.
3. Установление стратегических приоритетов: PLM-системы предоставляют руководству полную картину процессов разработки и производства, позволяя принимать обоснованные решения на основе данных.
4. Снижение рисков: Соблюдение актуальных стандартов (ГОСТ Р, ISO) и наличие прозрачной истории изменений продукта снижает риски при сертификации, приемке и эксплуатации.

Заключение и Критическая Оценка Перспектив

Концепция CALS/ИПИ, зародившаяся как необходимость унификации обмена данными, успешно трансформировалась в комплексный подход PLM, а в контексте Индустрии 4.0 — в парадигму Цифрового Двойника. ЦД представляет собой высшую форму информационной поддержки изделия, обеспечивая динамическое управление и прогнозирование состояния физического объекта на основе данных, поступающих в реальном времени.

Российская Федерация добилась значительных успехов в развитии собственного рынка PLM-систем, о чем свидетельствует рост доли отечественного ПО до 69%. Эти системы позволяют достигать существенных количественно подтвержденных эффектов: сокращение сроков запуска изделий на 40–80% и уменьшение стоимости запуска в 1,5–2 раза.

Критическая оценка перспектив:

Несмотря на технологический прогресс, дальнейшее эффективное внедрение CALS/PLM-технологий в РФ зависит от решения двух ключевых проблем:

1. Проблема системной интеграции: Чрезмерно высокая доля бюджета проекта (23%), уходящая на интеграцию PLM с ERP/MES, указывает на структурные проблемы в архитектуре отечественных КИС. Успех требует разработки единых, открытых стандартов интеграции и преодоления монополистических тенденций крупных ERP-разработчиков.
2. Строгое следование стандартам: Для обеспечения интероперабельности и сквозного цифрового процесса критически важно, чтобы предприятия не просто использовали 3D-модели, но и строго соблюдали актуальные государственные протоколы обмена, такие как ГОСТ Р ИСО 10303-242-2019, ориентированные на управляемое проектирование на основе 3D-модели.

Таким образом, CALS/ИПИ остается актуальной методологической основой. Ее эффективная реализация в форме PLM-систем и Цифровых Двойников является ключевым фактором достижения технологического суверенитета и повышения конкурентоспособности отечественной промышленности.

Список использованной литературы

1. ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ: ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИИ, СЦЕНАРИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/tsifrovye-dvoyniki-v-promyshlennosti-istoriya-razvitiya-klassifikatsiya-tehnologii-stsenarii-ispolzovaniya (дата обращения: 23.10.2025).
2. Цифровые двойники в российской промышленности: от концепции к реальности. Полное руководство по внедрению Digital Twin технологий [Электронный ресурс]. URL: https://xn--b1aaahdmec5cbbdcgkfxsx2b.xn--p1ai/analytics/tsifrovye-dvoyniki-v-rossiyskoy-promyshlennosti/ (дата обращения: 23.10.2025).
3. Стандарты CALS: Прикладные протоколы ISO 10303 [Электронный ресурс]. URL: https://bmstu.ru/cals/step/ap (дата обращения: 23.10.2025).
4. ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ В ЗАДАЧЕ ИНТЕГРАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ PLM, ERP И MES [Электронный ресурс]. URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=43788 (дата обращения: 23.10.2025).
5. ФОРМИРОВАНИЕ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА ПРОДУКЦИИ С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМ ERP, MES И PLM [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/formirovanie-zamknutogo-tsikla-produktsii-s-pomoschyu-sistem-erp-mes-i-plm (дата обращения: 23.10.2025).
6. Синергетический эффект совместного использования PLM- и MES-систем [Электронный ресурс]. URL: https://www.sapr.ru/article.aspx?id=25573 (дата обращения: 23.10.2025).
7. Цифровизация производства и цифровые двойники: объединяем PLM, IoT и Big Data [Электронный ресурс]. URL: https://bigdataschool.ru/blog/digital-twin-plm-iot-big-data.html (дата обращения: 23.10.2025).
8. Обзор российского программного обеспечения для импортозамещения информационных систем классов MES, ERP2 и BI (часть 1) // Корпоративные информационные системы. 2022. № 20. [Электронный ресурс]. URL: https://corpinfosys.ru/archive/issue-20/208-2022-20-applicationsoverview (дата обращения: 23.10.2025).
9. T-FLEX PLM | Российский программный комплекс для управления ЖЦИ [Электронный ресурс]. URL: https://www.tflex.ru/products/t-flex-plm/ (дата обращения: 23.10.2025).
10. Технологии PLM | КЭЛС-центр [Электронный ресурс]. URL: https://calscenter.ru/plm/ (дата обращения: 23.10.2025).
11. Концепция развития технологий CALS — Прикладная логистика [Электронный ресурс]. URL: https://cals.ru/cals/cals_iso10303.html (дата обращения: 23.10.2025).
12. CALS-ТЕХНОЛОГИИ В ПРОЕКТЕ МС-21 — Научная библиотека УлГТУ. Ульяновск, 2019. [Электронный ресурс]. URL: https://ulstu.ru/media/uploads/2019/12/11/4.pdf (дата обращения: 23.10.2025).
13. Обзор состояния рынка систем PLM/TDM/PDM/Workflow [Электронный ресурс]. URL: https://sapr.ru/article.aspx?id=10287 (дата обращения: 23.10.2025).
14. РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ СИСТЕМЫ KPI НА ПРЕДПРИЯТИЯХ МАЛОГО И СРЕДНЕГО БИЗНЕСА [Электронный ресурс]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-i-obosnovanie-effektivnosti-vnedreniya-sistemy-kpi-na-predpriyatiyah-malogo-i-srednego-biznesa (дата обращения: 23.10.2025).
15. CALS-технологии — Википедия [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/CALS-технологии (дата обращения: 23.10.2025).
16. Дмитров В.И. Опыт внедрения CALS за рубежом. // Автоматизация проектирования, 1997, №1. С. 2-9.
17. Колчин А.Ф., Овсянников М.В., Стрекалов А.Ф., Сумароков С.В. Управление жизненным циклом продукции. М.: Анахарсис, 2002.
18. Левин А.И., Судов Е.В. CALS — предпосылки и преимущества // Открытые системы. Директор ИС, 2002, №11.
19. Норенков И. П., Кузьмик П. К. Информационная поддержка наукоемких изделий. CALS-технологии. М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002.
20. Судов Е.В. «CALS-технологии или Информационная поддержка жизненного цикла изделия» // PCWeek/RE, 1998, №45.
21. Судов Е.В., Левин А.И., Давыдов А.Н., Барабанов В.В. Концепция развития CALS-технологий в промышленности России. М.: НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика», 2002.