التوائم الرقمية: ما هي وكيف تعمل

التوأم الرقمي هو نموذج افتراضي لكائن مادي يتم استخدامه غالبًا في عمليات المحاكاة والاختبار ومراقبة الكائن المادي.

إنها تجعل من الأسهل تصور المشاريع المعقدة، مثل الآلات الكبيرة، والمحركات النفاثة، والمدن الذكية، ومنشآت المرافق الخدمية.

يمكن أن توجد توائم رقمية أيضًا لأشياء غير موجودة - وفي هذه الحالة يتم استخدامها للتخطيط وتطوير مثل هذا الشيء.

تتضمن هذه المدونة كل ما تحتاج إلى معرفته حول التوائم الرقمية ولترى ما إذا كان ذلك قد يفيد مشروعك التالي.

خصائص التوائم الرقمية

تتميز تقنيات التوأم الرقمي عن التقنيات الأخرى بمجموعة فريدة من الخصائص والتي تشمل:

• نمطية:تطبق تقنيات التوأم الرقمي غالبًا نهج التصميم المعياري لبناء جهاز واحد يحتوي على مكونات متعددة. يسهل هذا النهج تحديد المكونات المحددة التي يمكن تبديلها أو تحسينها أو تعديلها بطرق معينة لتحقيق النتائج المرجوة.
• الإتصال:تعتمد التوائم الرقمية أيضًا بشكل كبير على الاتصال، ويتم تحقيق ذلك عادةً من خلال أجهزة استشعار متصلة عبر أجهزة إنترنت الأشياء. ويمتد هذا الاتصال في كلا الاتجاهين لتمكين الاتصال بين التوأم الرقمي والمادي.
• ذكية وقابلة لإعادة البرمجة:تعتبر أنظمة التوأم الرقمية ذكية بمعنى أنه يمكنك إجراء تغييرات على معلمات مختلفة. على سبيل المثال، يمكن للمعلومات الواردة من أجهزة استشعار إنترنت الأشياء أن تجعل التوأم الرقمي يضبط بعض المعلمات، ويرسل هذه الإعدادات الجديدة إلى التوأم المادي لضبط نفسه.
• التجانس:يشير التجانس إلى تبسيط جميع البيانات والمدخلات من الجهاز المادي في تنسيق رقمي بسيط يسهل مشاركته مع مستخدمين آخرين أو أنظمة أو أعضاء فريق.
• صنع التتبع الرقمي:تترك التوائم الرقمية أيضًا آثارًا تجعل من السهل إعادة حالة الجهاز، على سبيل المثال، إلى وقت سابق قبل حدوث عطل. وبالتالي، يسهل تشخيص المشكلات.

كيف تعمل التوائم الرقمية

تعتبر عملية تشغيل التوائم الرقمية بسيطة نسبيًا. وفيما يلي العملية الأساسية المكونة من ثلاث خطوات.

1. التوأم الجسدي

أولاً، هناك الكائن أو الآلة المادية، والتي قد تكون أي شيء من محرك احتراق داخلي V8 إلى محرك نفاث توربيني، أو خط تجميع في مصنع، أو سلسلة توريد كاملة. التوأم المادي مزود بأجهزة استشعار تجمع وتنقل جميع أشكال البيانات منه إلى توأمه الافتراضي. يمكن أن تشمل هذه البيانات درجة الحرارة، وعدد الدورات في الدقيقة، والضغط، ومستوى الضوضاء، والاهتزاز، وما إلى ذلك.

2. التوأم الرقمي

في عالم الكمبيوتر، يتم إنشاء نموذج افتراضي مماثل للتوأم المادي لمحاكاة افتراضية. يمكن أن يكون هذا النموذج الافتراضي بسيطًا أو معقدًا حسب الحاجة. يمكن أن يستخدم تمثيلات رسومية بسيطة أو يستخدم رسومات أكثر تعقيدًا مع مبادئ فيزيائية أو هندسية تجعله يقلد توأمه المادي بشكل أكثر أصالة. 

3. اتصال البيانات

لا يكتمل النظام إلا عندما يتم إدخال البيانات المباشرة من أجهزة الاستشعار إلى التوأم الرقمي لإنشاء حلقة تغذية مرتدة في الوقت الفعلي، حيث يؤثر التوأم المادي على نظيره الرقمي، ويمكن للتوأم الرقمي، بدوره، أيضًا مراقبة الأداء المادي، وتشغيل عمليات المحاكاة، وإجراء تغييرات على التوأم المادي، أو استخدامه لتدريب الموظفين على العمل.

فوائد التوائم الرقمية

إن مزايا التوائم الرقمية عديدة، وإليك بعضها:

• الصيانة الوقائية: من خلال المراقبة المستمرة للمعدات وأدائها، تعمل التوائم الرقمية على تمكين الصيانة التنبؤية ويمكن أن تساعد في منع أعطال المعدات المكلفة وتوقف التشغيل غير المخطط له.
• كفاءة تشغيلية محسنة: ومن خلال توفير رؤى لتحسين العمليات وتخصيص الموارد على النحو الأمثل استنادًا إلى البيانات في الوقت الفعلي، يمكن للتوائم الرقمية أيضًا أن تؤدي إلى مكاسب كبيرة في الإنتاجية.
• تعزيز السلامة وإدارة المخاطر: يمكن محاكاة السيناريوهات الخطيرة باستخدام التوأم الرقمي لتحديد المخاطر المحتملة واتخاذ الخطوات المناسبة.
• الابتكار وتطوير المنتجات: يمكن أن تساعد التوائم الرقمية في تسهيل الابتكار من خلال توفير بيئة افتراضية لاختبار الأفكار وصقلها قبل الالتزام بالإنتاج المادي. ويمكن أن يؤدي هذا إلى تسريع عملية الابتكار وتطوير المنتجات، مما يساعد في طرح المنتجات في السوق بشكل أسرع.
• تحسين صنع القرار: توفر التوائم الرقمية رؤى في الوقت الفعلي تعتمد على البيانات حول حالة وأداء الأنظمة المادية. يمكن لهذه المعلومات تمكين صناع القرار من اتخاذ خيارات مستنيرة وتحسين عمليات أنظمتهم والاستجابة للظروف غير المتوقعة بسهولة أكبر.
• وفورات في التكاليف: يمكن أن تساهم التوائم الرقمية في توفير التكاليف في المؤسسة من خلال الصيانة التنبؤية وتحسين العمليات وتحسين إدارة الموارد بشكل عام.

أنواع التوائم الرقمية

هناك أنواع مختلفة من التوائم الرقمية، بناءً على تطبيقها أو نطاقها. وفيما يلي الأنواع الرئيسية:

• التوائم المكونة:يُطلق عليه أيضًا التوأم المكون من أجزاء، وهو توأم رقمي يتوافق مع أصغر عنصر في النظام. ومن الأمثلة على ذلك مكبس واحد من محرك مكون من 6 أسطوانات. يمكن للتوائم المكونة من أجزاء مراقبة معلمات معينة مثل الاهتزاز ودرجة الحرارة.
• المنتج التوأم:عادةً ما يجمع المنتج أو الأصل التوأم بين عدة مكونات توأمية لتحقيق هذا النموذج الذي يتميز بمستوى أعلى من التعقيد. عادةً ما تمثل المنتجات التوأمية منتجات مادية، مثل المحرك وجهاز التنفس الصناعي وما إلى ذلك.
• التوائم العملية:تستخدم لنمذجة ومحاكاة العمليات أو سير العمل داخل النظام. يمكن تطبيق توأم العمليات لتحسين أو مراقبة العمليات الصناعية مثل التصنيع وإدارة سلسلة التوريد.
• نظام التوائم:يجمع بين عمليات متعددة أو توائم المنتجات لإنشاء نظام معقد يستخدم لتحليل أو محاكاة تفاعلات النماذج الافتراضية المختلفة كوحدة واحدة.

التطبيقات عبر الصناعات

تطبق الشركات تقنيات التوأم الرقمي في مختلف الصناعات حول العالم. وفيما يلي بعض هذه التطبيقات الرئيسية:

• التصنيع: تساعد التوائم الرقمية على تحسين عملية الإنتاج في المصانع وبالتالي تقليل وقت التوقف ومراقبة صحة المعدات وتعزيز الكفاءة التشغيلية الشاملة للشركة.
• الفضاء: يستخدم مصنعو الطائرات التوائم الرقمية لتصميم مكونات الطائرات واختبارها. ويستخدمها آخرون للمراقبة في الوقت الفعلي، كما تفعل شركة رولز رويس مع محركاتها.
• المدن الذكية: تستخدم المدن الذكية التوائم الرقمية في تحسين حركة المرور ومراقبة الطاقة وإدارتها واتخاذ قرارات مستنيرة مختلفة من شأنها أن تعود بالنفع على سكان المدينة.
• مرافق الطاقة: تساعد تقنية التوأم الرقمي في إدارة مصادر الطاقة المتجددة وشبكات الطاقة وأي مزيج معقد من أنظمة الطاقة. ويمكنها المساعدة في تحسين تخصيص الموارد والتنبؤ بالطلب على الطاقة وما إلى ذلك.
• البناء: تتيح التوائم الرقمية للمهندسين المعماريين والمهندسين تصور ومحاكاة خيارات مختلفة قبل البدء في البناء. بالإضافة إلى ذلك، يمكنهم أيضًا مراقبة المبنى بعد الإنشاء.
• إدارة الأمدادات: يمكن لسلاسل التوريد المعقدة توظيف تقنية التوأم الرقمي لتتبع البضائع والمواد في الوقت الفعلي، وتحسين طرق النقل، وتحديد التأخيرات المحتملة، وتحسين الكفاءة العامة لسلسلة التوريد.
• تطوير المنتج: يمكن استخدام التوائم الرقمية في اختبار وتحسين المنتجات الجديدة افتراضيًا قبل طرحها في السوق، وبالتالي تقليل تكاليف التطوير.

أمثلة التطبيقات

وفيما يلي بعض الأمثلة التي لا تنسى للطرق المختلفة التي تستخدم بها الشركات تقنية التوأم الرقمي.

• توربينات الرياح من شركة GE: تستخدم شركة GE التوائم الرقمية لتوربينات الرياح لمراقبة الأداء والصيانة التنبؤية.
• (سبيس اكس):يتيح التوأم الرقمي لكبسولة دراجون للمشغلين مراقبة وتعديل المسارات والأحمال وأنظمة الدفع من أجل السلامة والموثوقية.
• مدينة سنغافورة الذكية: تعمل سنغافورة على تطوير نموذج رقمي للمدينة بأكملها، بما في ذلك المباني والبنية الأساسية وشبكات النقل لمراقبة استهلاك الطاقة وجودة الهواء وحركة المرور في الوقت الحقيقي.
• شبكات شنايدر إلكتريك: تستخدم شركة Schneider Electric التوائم الرقمية لشبكات الكهرباء لتحسين تدفق الطاقة والتنبؤ بانقطاعات التيار المحتملة ومرونة الشبكة.
• AB InBev:تستخدم أكبر شركة تخمير في العالم تقنية التوائم الرقمية لإدارة سلاسل التوريد وخطوط الإنتاج الخاصة بها.
• رولزرويس: تستخدم شركة رولز رويس التوائم الرقمية لمحركات طائراتها لتتبع المحرك في الوقت الفعلي وتحسينه وكفاءة استهلاك الوقود.
• يونيليفر: تستعين هذه الشركة العملاقة في التصنيع بتكنولوجيا التوأم الرقمي لتحسين العمليات وتعظيم الاستفادة من الموارد في مصانعها.
• مجموعة بوسطن الاستشارية: تستخدم مجموعة بوسطن الاستشارية (BCG) التوائم الرقمية لعمليات الأعمال لتحديد وحل حالات عدم الكفاءة، والتنبؤ باختناقات العمليات، وتحسين تخصيص الموارد في أعمال عملائها.

التقنيات المرتبطة بالتوأم الرقمي

لا تتطور تقنيات التوأم الرقمي في فراغ، بل إنها نتيجة للتفاعل مع العديد من التقنيات الأخرى، والتي تشمل ما يلي:

• AI & ML:الذكاء الاصطناعي (AI) و آلة التعلم (ML) هي مجالات علوم الكمبيوتر التي تسهل على المهندسين أخذ مدخلات المستشعر والبيانات من أنظمة التوأم الرقمية وتحويلها إلى رؤى قابلة للتنفيذ أو تطبيقات تجارية أخرى قيمة.
• إنترنت الأشياءإنترنت الأشياء (IoT) هو شبكة متنامية من الأجهزة المترابطة القادرة على التواصل مع بعضها البعض ومع منصات الحوسبة الأخرى. ولا تزال تطبيقات إنترنت الأشياء وابتكاراته في ازدياد.
• الواقع الموسع: الواقع الممتد هو مصطلح شامل يشير إلى تطبيقات الواقع الافتراضي والواقع المعزز والواقع المختلط.
• السحابة والحافة:تجعل منصات السحابة توحيد البيانات أسهل، بينما الحوسبة حافة تساعد الأنظمة الشركات على تحسين البنية التحتية وقدرات معالجة البيانات.
• الصالات:من أنظمة النمذجة ثلاثية الأبعاد إلى محركات الفيزياء وأدوات التصور والمنصات الأخرى التي تمكن من إنشاء وتصور التوائم الرقمية.
• كتلة سلسلة:تطبق بعض تطبيقات التوأم الرقمي، مثل حلول سلسلة التوريد، تقنيات Blockchain لإدارة البيانات بدقة وموثوقية.

ممارستنا

• مقالة ويكيبيديا عن التوائم الرقمية: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_twin
• IBM والتوائم الرقمية: https://developer.ibm.com/articles/what-are-digital-twins/
• خدمة Azure Digital Twins من Microsoft: https://azure.microsoft.com/en-us/products/digital-twins
• اتحاد التوأم الرقمي: https://www.digitaltwinconsortium.org/
• مركز التوأم الرقمي: https://digitaltwinhub.co.uk/forums/
• مركز رؤى إنترنت الأشياء الصناعي: https://plm.sw.siemens.com/en-US/insights-hub/

الخاتمة

لقد رأيتم كيف تعمل التوائم الرقمية على تحويل وإحداث ثورة في الطريقة التي ندرك بها العالم المادي ونتفاعل معه. بدءًا من تصميم المنتجات وحتى تنظيم النظم البيئية الحضرية بالكامل، تقدم التوائم الرقمية رؤى وكفاءة وابتكارًا لا مثيل لها.

كما تعمل التوائم الرقمية على ربط العوالم المادية والرقمية بتحليلات البيانات في الوقت الفعلي والقدرات التنبؤية، مما يمكّن الصناعات من تحسين العمليات وتعزيز عملية اتخاذ القرار بسهولة. ويمكن أن يساعدك هذا أنت وشركتك على فتح إمكانيات جديدة.