Цифровой двойник (Digital Twin, DT) относится к виртуальной копии или модели любого физического объекта, которые связаны между собой посредством обмена данными в режиме реального времени. Концептуально цифровой двойник имитирует состояние своего физического двойника в реальном времени и наоборот.
Цифровой двойник — это точная копия чего-то в физическом мире, но с единственной миссией: помочь улучшить или иным образом обеспечить обратную связь с реальной версией.
Применение цифрового двойника включает в себя мониторинг в режиме реального времени, проектирование, планирование, оптимизацию, обслуживание, удаленный доступ и т. д.
Он имеет возможность связывать физический и виртуальный миры в режиме реального времени, что обеспечивает более реалистичное и целостное измерение непредвиденных и непредсказуемых сценариев.
Ожидается, что его внедрение будет расти в геометрической прогрессии в ближайшие десятилетия.
Появление Индустрии 4.0 привело к появлению сложных промышленных систем, которые стали более автономными, интеллектуальными и тесно взаимосвязанными.
В эпоху Индустрии 4.0, когда несколько отраслей переживают цифровую трансформацию, «цифровой двойник» (Digital Twin, DT) считается не чем иным, как стержнем для получения конкурентного и экономического преимущества перед конкурентами.
Эти системы генерируют значительные объемы данных, полезных для нескольких приложений, таких как повышение производительности, профилактическое обслуживание, обучение и т. д.
Ценность этой новой технологии для любого сектора за счет сокращения времени выхода на рынок, оптимизации операций, снижения затрат на техническое обслуживание, увеличения вовлеченности пользователей и объединения информационных технологий неоспорима.
Внезапный приток публикаций, связанных с «цифровым близнецом», привел к путанице между различными терминами, связанными с цифровизацией отраслей.
Еще одна проблема, возникшая из-за растущей популярности цифрового двойника, — это отсутствие консенсуса в отношении его описания, а также множества различных его типов, что еще больше усугубляет путаницу.
Поскольку рынок цифровых двойников растет в геометрической прогрессии, каждый сектор или бизнес хочет инвестировать в эту технологию. Однако, чтобы использовать эту технологию в любом секторе, важно понимать ценность, которую она может принести бизнесу.
Также полезно понимать различные характеристики и типы цифровых двойников, чтобы выбрать правильный тип, который может дополнить бизнес и обеспечить максимальную прибыль.
История цифрового двойника
Несмотря на то, что за последние пару лет технология цифрового двойника приобрела огромную популярность, эта концепция не совсем нова. Его концепция возникла в связи с управлением жизненным циклом продукта (PLM) в 2002 году в Мичиганском университете Майклом Гривзом.
Предлагаемая модель состоит из трех компонентов: реального пространства, виртуального пространства и механизма связи для потока данных и информации между ними. Затем эта модель получила название «Модель зеркальных пространств».
Подобная концепция, в которой программные модели имитируют реальность на основе информации, поступающей из физического мира, была предложена Дэвидом Гелернтером в 1991 году и получила название «Зеркальные миры».
В 2003 году Кэри Фремлинг и др. также предложил «архитектуру на основе агентов, в которой каждый элемент продукта имеет соответствующий «виртуальный аналог» или связанный с ним агент» в качестве решения проблемы неэффективной передачи производственной информации через бумагу для PLM.
К 2006 году название концептуальной модели, предложенной Гривзом, было изменено с «Модель зеркальных пространств» на «Модель зеркалирования информации».
В модели упор делается на механизм связи между двумя пространствами, который является двунаправленным и имеет несколько виртуальных пространств для одного реального пространства, где можно исследовать альтернативные идеи или проекты.
Из-за ограничений технологий, таких как низкая вычислительная мощность, низкая или отсутствующая связь устройств с Интернетом, хранение и управление данными, неразвитость машинных алгоритмов и т. д., этот подход не имел практического применения в то время.
Название «Цифровой двойник» (DT) впервые появляется в черновой версии технологической дорожной карты НАСА в 2010 году. В дорожных картах НАСА DT также упоминается как «лидер виртуального цифрового флота».
НАСА было первой ассоциацией, подделавшей определение DT. Он был описан как «интегрированное мультифизическое, многомасштабное вероятностное моделирование транспортного средства или системы, в котором используются наилучшие доступные физические модели, обновления датчиков, история парка и т. д., чтобы отразить жизнь своего летающего близнеца».
Несмотря на то, что первое упоминание о DT содержится в дорожной карте 2010 года, НАСА использовало подобную концепцию ранее для программы «Аполлон», где два идентичных космических корабля были построены, чтобы отражать друг друга.
Вскоре ВВС США пошли по стопам НАСА и использовали технологию DT для проектирования, обслуживания и прогнозирования своих самолетов. Идея заключалась в том, чтобы использовать DT для моделирования физических и механических свойств самолета, чтобы прогнозировать любую усталость или трещины в конструкции, тем самым продлевая оставшийся срок службы самолета.
E. Tuegel и BT Gockel et al. в своих документах определили DT только для самолета и назвали его «цифровым двойником планера» или ADT, который представлял собой вычислительную модель для управления самолетом на протяжении всего его жизненного цикла.
Помимо мониторинга, DT также был предложен для устойчивого освоения космоса, а также для будущих поколений аэрокосмических аппаратов.
Как работает цифровой двойник
Цифровой двойник создает точную виртуальную модель физического производственного или измерительного автоматизированного устройства. Все его функции, связь между отдельными частями могут быть смоделированы на этой виртуальной модели, и она может адаптироваться к изменяющимся условиям.
Цифровой двойник может обнаруживать ошибки еще до запуска устройства или всей автоматической линии.
На производственных предприятиях это может сократить время, необходимое для запуска новых линий, поскольку все важные тесты выполняются на виртуальной модели. Он связывает все производственные операции с помощью программного обеспечения для моделирования.
В последнее время цифровой двойник также используется в автоматизации зданий, где моделируются потоки и потребление энергии, а также их связи с окружающей средой.
Датчики, подключенные к производственной линии, собирают данные, которые загружаются в виртуальную модель. Любой, кто смотрит на цифрового двойника, видит важную информацию о планировании, создании и фактическом состоянии физического объекта. Цифровые двойники помогают понять настоящее и «предсказать» будущее.
Классический способ проектирования новой машины заключается в создании концепции, затем проекта, затем алгоритма управления в ПЛК и, наконец, общая сдача машины заказчику. Эти подшаги выполняются последовательно. Благодаря цифровому двойнику можно выполнять отдельные этапы производственного цикла параллельно и сократить весь цикл вывода новой машины на рынок в среднем на 30%.
Преимущество цифрового двойника, например, заключается в том, что техническим специалистам мастерских не нужно ждать конечного продукта, а они могут заранее подготовиться и отладить свой производственный процесс.
Сервисные бригады могут просмотреть виртуальную модель продукта и попытаться выяснить, как починить деталь, которую они никогда раньше не видели. Отдел продаж и менеджеры по цепочке поставок могут знать физическую форму детали, а не только номера продуктов.
Цифровой двойник обеспечивает беспрецедентную прозрачность продуктов и активов для выявления критических моментов в процессе еще до того, как продукт появится в мире.
Цифровой двойник можно разделить на три основные части:
- диагностическое обслуживание,
- планирование и оптимизация процессов,
- проектирование продукта и виртуальное прототипирование.
Профилактическое обслуживание
Благодаря профилактическому обслуживанию можно обнаружить операционные аномалии и отклонения в производственном процессе. Заблаговременно запланированное техническое обслуживание и замена запасных частей сводят к минимуму время обслуживания и предотвращают дорогостоящие простои оборудования.
Цифровой двойник может служить эталоном идеальных значений всего процесса, например механической обработки. Любое отклонение от этого этанола или идеального состояния может быть предупреждением, которое служит для вмешательства по профилактическому обслуживанию.
Планирование и оптимизация процессов
Всесторонний анализ важнейших ключевых показателей (KPI), таких как качество продукции и количество брака, проводится по всем установленным датчикам и в результате окончательных испытаний.
Этот процесс выявляет основную причину неэффективности, и благодаря этому процесс может быть соответствующим образом оптимизирован, а количество образующихся отходов может быть уменьшено.
Сохранение данных о процессах и окружающей среде улучшает планирование производства за счет прогнозирования простоев и других проблемных ситуаций.
Дизайн продукта и виртуальное прототипирование
Виртуальная модель конечного продукта или конечного устройства является важным подспорьем для всего производственного процесса. Виртуальная модель позволяет проверить как механическую, так и управляющую функциональность цифрового двойника.
Например, цифровой двойник станка может оценивать каждое столкновение между инструментом и заготовкой. Все это будет происходить в виртуальной среде еще до создания механической (физической) формы машины.
Благодаря этому, с одной стороны, экономится время на устранение возможных ошибок в конструкции машины или программы ПЛК, но в основном экономятся затраты, связанные с устранением возможного столкновения внутри реальной машины.
Затраты в случае нестандартных или гигантских машин, особенно если они предназначены для пользователей в дальних странах, могут быть экстремальными для постоянных производителей.
Еще одним интересным применением цифрового двойника является обучение будущих операторов машин до того, как машина будет физически доставлена в конечный пункт назначения. Такое обучение можно проводить прямо на цифровом двойнике, удаленно через средства онлайн-общения.
Примеры использования
Цифровой двойник помогает в разработке надежных испытательных машин на основе полученных эмпирических данных. Как правило, цифровые двойники используются для улучшения всех процессов, цепочек поставок, управления объектами и многого другого.
В последние годы эта технология используется во многих областях. Особенно, конечно, в энергетике, в промышленности, в автомобилестроении, в авиации, на транспорте, в логистике, в строительстве, но и в медицине и во многих других.
Цифровые двойники чаще всего используются для самолетов, двигателей, поездов, турбин и разных других дорогих вещей, которые лучше протестировать перед физической эксплуатацией и тем самым сэкономить возможные большие затраты.
Обслуживающий персонал может использовать виртуального двойника для тестирования исправления перед его применением, тем самым проверяя функциональность и правильность исправления.
Конечно, использование цифровых двойников возможно и в других областях. Например, в автомобильной промышленности, от виртуальных моделей производственных линий до самих автомобилей. В автомобилях уже есть ряд датчиков, но цифровые близнецы, вероятно, ожидаются только в беспилотных автомобилях.
Еще одной интересной областью, где рассматривается внедрение виртуального близнеца, является сфера здравоохранения — с помощью небольших датчиков, размещенных на теле, данные о состоянии здоровья можно было бы отправлять на компьютер и таким образом прогнозировать состояние здоровья пациента.
Помимо виртуальных моделей машин, цифровые двойники используются для виртуализации различных процессов — распределения товаров в логистических компаниях, копий компаний, на которых отслеживается эффективность работы и управления и моделируются различные сценарии будущего.
Существуют также цифровые двойники целых городов. Например, Ренн в Бретани, где была разработана трехмерная цифровая модель «Виртуальный Ренн», на которой можно моделировать разные варианты развития города и получать прогноз влияния каждого крупного решения на будущее строительство.
Цифровой двойник как технология будущего в производстве
Цифровой двойник здания позволяет виртуализировать завод, производственную линию, всю площадку или отдельные ее компоненты.
Это оцифрованное изображение объекта, которое связано с целым рядом других оцифрованных данных, в основном поэтажных планов, планировок помещений и этажей, распределения ключей, чертежей САПР и т. д.
Все это размещается в защищенном облачном хранилище в оптимизированном форме, чтобы данные можно было просматривать из любого места и на любом устройстве, то есть на планшете, мобильном телефоне, настольном компьютере или ноутбуке.
В производственных компаниях этот близнец работает как цифровая копия реальной среды, в которой можно:
- управлять активами, такими как производственные машины и другое оборудование цеха,
- планировать реконструкцию благодаря измерению расстояний,
- оптимизировать операции,
- моделировать производственные сценарии,
- использовать виртуальные среды при обучении новых сотрудников (AR/VR),
- хранить документы, такие как руководства, отчеты о ревизии и т. д., и назначать их заданным объектам,
- благодаря подключенным датчикам, отслеживать и управлять отчетами о неисправностях (цифровой двойник может выявить потенциальные проблемы и сформировать стратегию профилактического обслуживания).
Мониторинг ветровых электростанций с помощью Digital Twin
Чтобы привести наглядный пример, предположим, что есть компания, управляющая ветровой электростанцией. То, как они в настоящее время управляют своей ветряной электростанцией, зависит исключительно от погодных условий. Однако проблема заключается в непредсказуемости погоды, направления ветра, количества штормов и в том, каково будет среднее количество вырабатываемой энергии за один месяц.
Благодаря датчикам IoT для мониторинга погодных условий и технологии цифровых двойников можно создать полнофункциональную копию ветряной электростанции и выяснить, какие углы ветра больше всего влияют на лопасти турбины.
Собирая и оценивая цифровые данные о том, сколько энергии произвела ветряная электростанция за последние 3 месяца, можно успешно предсказать, сколько энергии ферма будет генерировать в следующие 3 года.
Кроме того, отслеживая средний ущерб с течением времени, можно очень точно оценить средний срок службы всей ветровой электростанции, а также опеделить какие ветряные турбины потребуют обслуживания раньше других, чтобы избежать аварии.
Цифровые двойники распределительных сетей
В энергетике необходимо обрабатывать огромное количество данных для управления, администрирования и дальнейшего развития отдельных систем. То есть такую, которую человек не может решить в одиночку, потому что нужно включить слишком много факторов, неопределенностей и разных сценариев.
Именно здесь компании не могут обойтись без искусственного интеллекта, который благодаря специальным алгоритмам может адаптироваться к постоянно меняющимся условиям.
Например, в области энергетики цифровой двойник может работать с данными о погодных условиях и сезонных изменениях, таких как праздники, рабочие и выходные дни.
Технология может анализировать нетехнические потери, прогнозировать поведение клиентов или выявлять аномалии не только в электроснабжении, но и в системах распределения воды, газа и горячей воды. Он также может помочь в предотвращении аварий.
Зачем использовать цифрового двойника?
Финансы влияют на переход завода на цифровой двойник. Однако инвестиции в цифрового двойника окупятся за счет повышения надежности оборудования или производственной линии.
Цифровой двойник повышает общую эффективность оборудования за счет сокращения времени простоя и повышения производительности и производительности. Связь виртуальных моделей с реальностью снижает риски в различных областях, включая доступность продукта и репутацию на рынке.
Цифровой двойник — это виртуальное представление физического продукта в производстве в том виде, в каком он был спроектирован, изготовлен и будет поддерживаться.
Это виртуальное представление отражает данные процесса и аналитику в реальном времени на основе физического продукта, производственных систем или конфигураций оборудования.
Еще одно преимущество заключается в том, что цифровой двойник позволяет инженерам тестировать концепции и гипотезы, прежде чем применять их к физической машине или изделию.
Цифровой двойник лежит в основе развития Индустрии 4.0, которая включает в себя автоматизацию, обмен данными и производственные процессы и создает бесконечные возможности для роста отраслей.
