Текстильное материаловедение в условиях Индустрии 4.0: цифровые двойники текстильных материалов

ТЕКСТИЛЬНОЕ 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
В УСЛОВИЯХ ИНДУСТРИИ 4.0

ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ 
ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

А.В. АБРАМОВ
Ю.С. ШУСТОВ
М.В. РОДИЧЕВА

МОНОГРАФИЯ

Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 677+001.895(075.4)
ББК 37.23:65.291.551
 
А16

Абрамов А.В.
А16  
Текстильное материаловедение в условиях индустрии 4.0: цифровые двойники текстильных материалов : монография / А.В. Абрамов, 
Ю.С. Шустов, М.В. Родичева. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 290 с. — 
(Научная мысль). — DOI 10.12737/2122907.

ISBN 978-5-16-019468-4 (print)
ISBN 978-5-16-112087-3 (online)
В монографии рассмотрены вопросы разработки цифровых двойников текстильных материалов. Приведенный материал дает представление 
о новых инструментах прогнозирования состояний текстильных материалов при их эксплуатации в швейных изделиях. 
Может быть полезна специалистам в области проектирования одежды, 
магистрантам, обучающимся по направлениям подготовки 27.04.01 «Стандартизация и метрология», 29.04.02 «Технологии и проектирование текстильных изделий», 29.04.05 «Конструирование изделий легкой промышленности», 09.04.02 «Информационные системы и технологии», а также 
аспирантам, обучающимся по специальности 2.6.16 «Технология производства изделий текстильной и легкой промышленности».

УДК 677+001.895(075.4)
ББК 37.23:65.291.551

ISBN 978-5-16-019468-4 (print)
ISBN 978-5-16-112087-3 (online)
© Абрамов А.В., Шустов Ю.С., 
Родичева М.В., 2024

Р е ц е н з е н т ы:
Киселев М.В., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии машиностроения Костромского государственного 
университета, генеральный директор ООО НПО «Программируемые 
композиты»;
Новиков А.Н., доктор технических наук, профессор, профессор кафедры информационных технологий и компьютерного дизайна Российского государственного университета имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство)

Данная книга доступна в цветном исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium

ВВЕДЕНИЕ 
 
Мировая промышленность переходит к новому принципу организации 
производства, который получил общее название «Индустрия 4.0». Эти 
процессы выгодно отличаются от технологий предыдущих укладов и 
позволяют обеспечить высокое качество продукции при его мелкосерийном 
производстве, а также быстро перестраивать процесс под требования рынка. 
Такие промышленные системы получили название «гибкие», а ключевую роль 
в их архитектуре играют цифровые двойники изделий. 
Цифровой 
двойник 
представляет 
собой 
динамическую 
копию 
производимого объекта или протекающих в нем процессов. При проведении 
вычислительного эксперимента с использованием этих моделей можно 
прогнозировать будущие состояния объекта в различных эксплуатационных 
условиях. Виртуализация эксперимента позволяет сократить время на 
отработку объекта, его подготовку к производству, за счет чего обеспечить 
высокое качество и скорость перестроения технологических линий. 
При использовании цифровых двойников можно управлять точностью 
воспроизведения 
моделируемого 
объекта 
и 
начальными 
условиями 
вычислительного эксперимента, проводя при этом требуемое количество 
опытов. Таким образом цифровые двойники не просто заменяют собой 
реальный эксперимент в определенных аспектах проектирования изделий, а 
расширяют 
возможности 
прогнозирования 
при 
оценке 
качества 
разрабатываемых объектов. 
Понятие «цифровой двойник» было введено в 70-е гг. XX в. 
применительно к космическим системам, однако в последние годы в связи с 
развитием вычислительных технологий получило активное распространение и 
в других сферах. Повышение доступности систем автоматизированного 
проектирования и математического моделирования привело к резкому 
увеличению объема исследований с использованием полученных результатов 
в проектировании и производстве продукции текстильной и легкой 
промышленности. 
В настоящее время в ведущих научных журналах ежегодно появляются 
несколько сотен статей, посвященных разработке и использованию 
компьютерных моделей текстильных материалов, пакетов одежды и 
протекающих в них процессов. Ведущие исследователи в области 
виртуального моделирования ожидают активного внедрения наработанных 
решений в процессы производства при создании гибких производственных 

систем в ближайшие несколько лет. Отражение этих вопросов в учебной и 
научной литературе, которая издается в Российской Федерации, пока 
недостаточно. Это не позволяет специалистам в области текстильного и 
швейного производства овладеть инструментами использования цифровых 
двойников и использовать их в своей повседневной деятельности. 
В настоящей монографии предпринята попытка обобщения численных 
моделей объектов текстильной промышленности и протекающих в них 
процессов в рамках концепции цифровых двойников. Новые данные 
согласованы 
с 
общепринятыми 
положениями 
отечественной 
школы 
текстильного материаловедения. На наш взгляд, это позволит обучающимся, 
специалистам, предпринимателям и просто заинтересованным лицам лучше 
понять сущность новых подходов в области проектирования и использования 
цифровых двойников объектов текстильной промышленности. 

Глава 1. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ КОНЦЕПЦИИ ЦИФРОВЫХ 
ДВОЙНИКОВ В ТЕКСТИЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ 
 

1.1. Роль цифровых двойников в процессе производства 
одежды в рамках Индустрии 4.0 

 
Развивающаяся в настоящий момент четвертая промышленная 
революция связана с коренным изменением процесса производства различной 
продукции, в том числе текстильной и легкой промышленности. Считается, 
что в рамках нового технологического уклада ключевую роль будут играть 
информационно-производственные системы, обеспечивающие рациональное 
проектирование и изготовление изделий при минимальном участии человека 
в этих процессах. 
Концептуальная схема информационно-производственные системы для 
изготовления продукции швейной промышленности может быть представлена 
в следующем виде (рис. 1.1).  
Основной процесса проектирования являются пожелания заказчика к 
сезонности, размерно-ростовочному ассортименту, силуэту, форме изделия, 
ассортименту материалов. По этим данным проводится моделирование 
системы «человек – одежда – среда» для изучения механических и физических 
процессов в пакете одежды различного состава при разных эксплуатационных 
условиях. Результаты моделирования позволят уточнить состав пакета 
материалов, внести изменения в комплект лекал, условия эксплуатации. 
Считается, что такая система лучше ориентирована на потребности рынка, чем 
традиционные способы проектирования и производства одежды. 
Процесс моделирования будет основан на использовании цифровых 
двойников, что позволяет прогнозировать состояние системы при различных 
эксплуатационных условиях с использованием методов виртуального 
эксперимента.  
Результаты моделирования состояния объекта-оригинала передаются 
центру принятия решений, который оценивает соответствие прогнозируемого 
качества одежды по заложенным параметрам. По результатам этого сравнения 
центр принятия решений может: 
- вносить изменения в конструкцию изделия; 
- корректировать структуру пакета текстильных материалов; 
- уточнять рекомендации к режимам эксплуатации комплекта одежды. 

Рис. 1.1. Обобщенная схема процесса производства одежды в концепции Индустрии 4.0 

Такой подход позволяет сократить затраты времени и ресурсов на 
принятие проектного решения и позволяет рассмотреть более широкий спектр 
возможных эксплуатационных условий. 
К настоящему моменту разработан широкий спектр численных моделей 
текстильных материалов и пакетов одежды, а также протекающих в них 
процессов, которые могут использоваться для предсказания состояния объекта 
проектирования и протекающих в нем процессов. При классическом подходе 
к процессу проектирования численная модель объекта-оригинала или 
протекающих в нем процессов используется только на этапе принятия 
проектных решений. Когда конструкция изделия и режимы ее эксплуатации 
достаточно хорошо отработаны, численная модель в оригинальном виде 
больше не используется. Таким образом, связь между ней и объектоморигиналом теряется. 
Отличие цифрового двойника от математической модели заключается в 
том, что информационная связь между объектом-оригиналом и его цифровым 
двойником сохраняется на протяжении всего жизненного цикла продукта. 
В концепции Индустрии 4.0 принятые проектные решения в виде 
сформированного пакета материалов и уточненной конструкции изделия 
передаются 
киберфизической 
системе, 
которая 
реализует 
процесс 
изготовления одежды за счет управления умным производством. 
После передачи партии изделий заказчику связь между объектоморигиналом и цифровым двойником сохраняется на протяжении всего 
жизненного цикла продукции. При этом данные о состоянии системы «человек 
– одежда – среда» постоянно передаются цифровому двойнику и 
используются в качестве исходных коэффициентов для моделирования 
будущих состояний объекта. Это позволяет получать более точные решения 
численной модели и использовать полученные данные при производстве 
следующих партий изделий или аналогичной продукции. 
По мнению ряда специалистов, подобный подход позволит по-новому 
организовать процесс выпуска одежды за счет совмещения преимуществ 
массового и индивидуального производства. Так, при проектировании будут 
учитываться пожелания заказчика аналогично тому, как это происходит в 
условиях индивидуального производства одежды. В то же время сроки, 
стоимость 
и 
объемы 
партии 
будут 
сопоставимы 
с 
показателями, 
наблюдаемыми при массовом производстве [1]. 
Схема информационно-производственной системы, приведенная на рис. 
1.1, иллюстрирует процессы производства швейных изделий. В то же время 

при решении задачи производства текстильной продукции в рамках 
Индустрии 4.0 может быть использована похожая система. 
Для ее полноценной реализации, внедрения и масштабирования 
необходимо решить многочисленные задачи. Тем не менее представленная 
выше схема, а также решения в области машинного обучения, беспроводной 
связи, виртуальной и дополненной реальности, а кроме того, цифровых 
двойников представляют собой полноценный фундамент для дальнейшего 
развития гибких производственных систем по производству текстильной и 
швейной продукции в рамках Индустрии 4.0. 
Ключевую роль в процессе проектирования и изготовления одежды в 
гибких производственных системах изготовления одежды играют цифровые 
двойники и цифровые устройства, интегрированные в текстильную 
продукцию. 
Общая концепция цифровых двойников была сформулирована учеными 
Мичиганского университета М. Гривзом (M. Grieves) и Дж. Викерсом (J. 
Vickers) как подход, который объединяет материальное и виртуальное 
пространство [2, 3]. Прообразом цифровых двойников можно считать проект 
«Аполлон», реализованный Американским аэрокосмическим агентством 
NASA в 60-х гг. ХХ в. В рамках этого проекта создано два идентичных 
аппарата. При этом на втором корабле, который оставался в ангаре NASA, в 
виртуальном режиме реализовывалась та же программа полета, что и на 
корабле, отправленном в космическое пространство. В случае ошибочных 
действий космонавтов или нештатного состояния первого аппарата центр 
управления полетами выдавал рекомендации к управляющим воздействиям, 
основываясь на результатах, полученных с аппарата, остававшегося на Земле. 
По мнению ряда специалистов, это стало одним из залогов успешности 
миссии. Е. Глассген (E. Glaessgen) и Д. Страгел (D. Stargel) рассматривают 
корабли этой миссии в качестве объекта-оригинала и физического двойника, 
который являлся прообразом современных цифровых двойников [4]. 
Обобщая накопленный опыт применительно к изделиям текстильной и 
швейной промышленности, отметим, что цифровой двойник представляет 
собой динамическую копию этих объектов, которая позволяет прогнозировать 
его будущие состояния в зависимости от состава и эксплуатационных условий. 
Одно из основных преимуществ использования цифровых двойников 
при проектировании любых видов продукции, в том числе изделий 
текстильной и легкой промышленности, заключается в сложности интеграции 
накопленного объема знаний и обеспечения единого подхода к анализу 
объекта-оригинала. 
Процесс производства современной одежды требует усилий со стороны 
специалистов различного профиля – дизайнеров, материаловедов, инженеров

конструкторов, технологов. Нередко они используют в своей работе 
качественно различные методы и подходы, что не всегда позволяет принимать 
эффективные проектные решения. В рамках этой проблемы цифровой двойник 
позволяет интегрировать усилия этих специалистов. Таким образом, цифровой 
двойник превращается в инструмент, позволяющий эффективно объединять 
усилия инженеров из разных областей знания. Такой подход получил название 
«генеративное проектирование» [5]. 
Современные научные исследования и процессы проектирования 
подразумевают использование мультидисциплинарного подхода, который 
обеспечивает не только требуемое качество продукции, но и технологические 
прорывы на стыке различных дисциплин. В этом смысле цифровые двойники 
представляют собой инструмент реализации мультидисциплинарного подхода 
к проектированию. 
Предложены различные варианты классификации цифровых двойников. 
Адаптируя эти подходы к систематизации продукции текстильной и легкой 
промышленности, мы можем разделить их: 
1. По моделируемому объекту:  
1.1. Цифровой двойник структурного элемента одежды: цифровая 
копия одежды или ее структурного элемента, которая воспроизводит изделие 
на одном из структурных уровней (текстильное волокно, нить, полотно, 
изделие, пакет материалов, пакет одежды, комплект одежды) с заданной 
точностью. Таким образом, этот цифровой двойник, по сути, является 
цифровым прототипом. Его можно рассматривать как статическую 
виртуальную копию, которая не рассматривает комплекс процессов, 
протекающих в текстильном полотне или изделии в определенных условиях. 
1.2. Цифровой двойник процессов в одежде на одном из ее структурных 
уровней представляет собой модель, которая воспроизводит сущность 
частного или комплексного процесса в одежде и позволяет прогнозировать 
будущие состояния изделия или системы «человек – одежда – среда». 
Таким образом, цифровой двойник процессов можно рассматривать как 
цифровую копию эксплуатационной эффективности или качества одежды. 
2. По принципам прогнозирования будущих состояний одежды на одном 
из структурных уровней: 
2.1. Цифровой двойник на методах математического моделирования 
представляет собой численную модель механических, тепловых, влажностных 
и других процессов в рассматриваемом структурном элементе одежды. 
Современные численные методы, как правило, подразумевают дискретизацию 
геометрической модели изучаемого объекта. Это позволяет заменить систему 
дифференциальных 
уравнений, 
которые 
описывают 
рассматриваемый 
процесс, системой линейных уравнений. Таким образом, цифровой двойник 
процесса связан с цифровым двойником объекта. Результатом моделирования 
в этом случае является распределение физического поля или поля 
концентраций определенного вещества во всех объемах модели. 

Для построения и использования таких моделей необходимы достаточно 
глубокие навыки в области физики, химии, физиологии. Инженерыконструкторы и инженеры-технологи, занятые в условиях реального 
производства, не всегда обладают требуемыми навыками в этих областях, что 
ограничивает 
широкое 
внедрение 
численных 
моделей 
в 
процессы 
проектирования 
и 
производства 
продукции 
текстильной 
и 
легкой 
промышленности. 
Для решения этой проблемы в гибких производственных системах 
будущего предлагается использовать технологии виртуальной реальности. 
Представление результатов моделирования в таком виде сделает их более 
наглядными и понятными даже для людей с недостаточно высокой 
подготовкой. Повышение качества интерпретации результатов моделирования 
будет способствовать принятию верных проектных решений. 
2.2. Цифровые двойники с событиями выстраивают на основе 
нейронных сетей. В результате такие модели способны не только 
прогнозировать будущие состояния одежды на одном из структурных 
уровней, но и самостоятельно принимать проектные решения и управлять 
процессом умного производства. 
При использовании нейронных сетей качество принятых решений 
зависит от объема обучающих данных. Для этого при изготовлении одежды в 
Индустрии 4.0 будут использоваться в том числе текстильные материалы с 
интегрированными датчиками [2]. 
Как показывает анализ литературных источников, нейронные сети, 
позволяющие прогнозировать рациональный состав одежды на различных 
структурных уровнях, а также ее состояние при различных эксплуатационных 
условиях, в настоящий момент активно развиваются.  
3. По уровню развития цифровых двойников А. Прохоров, М. Лысачев, 
а также специалисты портала Elementanalytics.com выделяют [6]: 
3.1. Цифровые двойники 1-го уровня, фиксирующие только статус 
объекта. Их основное назначение – мониторинг состояния объекта-оригинала, 
а при их использовании могут быть получены только промежуточные данные, 
соответствующие отдельным показателям его состояния. Как правило, такие 
цифровые двойники уже многие годы реализованы в составе SCADA-систем, 
обеспечивающих сбор данных об объекте исследования в режиме реального 
времени. 
3.2. Цифровые двойники 2-го уровня позволяют прогнозировать 
состояния объекта. Для решения этой задачи такие двойники содержат не 
только геометрическую модель объекта, но и вычислительное ядро, которое 
позволяет прогнозировать будущие состояния объекта-оригинала. Исходя из 
принципов прогнозирования можно выделить: