Digitální dvojčata: Co to je a jak to funguje

Digitální dvojče je virtuální model fyzického objektu, který se často používá pro simulace, testování a monitorování fyzického objektu.

Usnadňují vizualizaci složitých projektů, jako jsou velké stroje, tryskové motory, chytrá města a inženýrské sítě.

Digitální dvojčata mohou existovat i pro neexistující objekty – v takovém případě se používají pro plánování a rozvoj takového objektu.

Tento blog podrobně popisuje vše, co potřebujete vědět o digitálních dvojčatech, a zjistíte, zda by to mohlo být přínosem pro váš další projekt.

Vlastnosti Digitální Dvojčata

Technologie digitálního dvojčete se odlišují od ostatních technologií unikátní sadou vlastností, mezi které patří:

• Modularita: Technologie digitálního dvojčete často uplatňují přístup modulárního návrhu k sestavení jednoho stroje s více komponentami. Tento přístup usnadňuje identifikaci konkrétních součástí, které lze zaměnit, vylepšit nebo nějakým způsobem upravit, abyste dosáhli požadovaných výsledků.
• Připojení: Digitální dvojčata také hodně spoléhají na konektivitu a toho se obvykle dosahuje pomocí připojených senzorů prostřednictvím zařízení IoT. Toto propojení umožňuje komunikaci mezi digitálními a fyzickými dvojčaty oběma způsoby.
• Smart & Re-programable: Systémy digitálních dvojčat jsou chytré v tom smyslu, že můžete provádět změny různých parametrů. Informace ze senzorů internetu věcí mohou například způsobit, že digitální dvojče upraví některé parametry a stejně tak tato nová nastavení pošle fyzickému dvojčeti, aby se samo upravilo.
• Homogenizace: Homogenizace se týká zefektivnění všech dat a vstupů z fyzického stroje v jednoduchém digitálním formátu, který usnadňuje sdílení s ostatními uživateli, systémy nebo členy týmu.
• Digitální trasování: Digitální dvojčata také zanechávají stopy, které usnadňují převinutí stavu stroje, například do předchozího času, než došlo k poruše. Díky tomu je snadné diagnostikovat problémy.

Jak fungují digitální dvojčata

Proces funkčnosti digitálních dvojčat je poměrně jednoduchý. Zde je základní 3-krokový proces.

1. Fyzické dvojče

Za prvé je to fyzický objekt nebo stroj, což může být cokoliv od spalovacího motoru V8 po proudový motor s turbodmychadlem, montážní linka v továrně nebo celý dodavatelský řetězec. Fyzické dvojče je vybaveno senzory, které shromažďují a přenášejí všechny formy dat z něj svému virtuálnímu dvojčeti. Tyto údaje mohou zahrnovat teplotu, otáčky za minutu, tlak, hladinu hluku, vibrace a tak dále.

2. Digitální dvojče

V počítačovém světě je vytvořen odpovídající virtuální model fyzického dvojčete pro virtuální simulaci. Tento virtuální model může být podle potřeby jednoduchý nebo složitý. Mohl by používat jednoduché grafické reprezentace nebo používat složitější grafiku s fyzikálními nebo inženýrskými principy, díky nimž bude své fyzické dvojče autentičtěji napodobovat. 

3. Datové připojení

Systém se stává kompletním, až když jsou živá data ze senzorů přiváděna do digitálního dvojčete, aby se vytvořila smyčka zpětné vazby v reálném čase, kde fyzické dvojče ovlivňuje svůj digitální protějšek, a digitální dvojče zase může také monitorovat fyzický výkon, spouštět simulace, provádět změny fyzického dvojčete nebo být použito k školení personálu pro práci.

Výhody digitálních dvojčat

Výhody digitálních dvojčat je mnoho a zde je několik:

• Prediktivní údržba: Díky stálému monitorování zařízení a jeho výkonu umožňují digitální dvojčata prediktivní údržbu a mohou pomoci předcházet nákladným poruchám zařízení a neplánovaným odstávkám.
• Vylepšená provozní efektivita: Poskytnutím přehledů pro optimalizaci procesů a optimální alokaci zdrojů na základě dat v reálném čase mohou digitální dvojčata také vést k výraznému zvýšení produktivity.
• Vylepšená bezpečnost a řízení rizik: Nebezpečné scénáře lze simulovat pomocí digitálního dvojčete, abyste identifikovali potenciální nebezpečí a podnikli správné kroky.
• Inovace a vývoj produktů: Digitální dvojčata mohou pomoci usnadnit inovace tím, že poskytnou virtuální prostředí pro testování a zdokonalování nápadů, než se pustí do fyzické produkce. To může urychlit proces inovací a vývoje produktů, což pomůže rychleji uvést produkty na trh.
• Vylepšené rozhodování: Digitální dvojčata poskytují informace o stavu a výkonu fyzických systémů v reálném čase na základě dat. Tyto informace mohou umožnit osobám s rozhodovací pravomocí činit informovaná rozhodnutí, optimalizovat procesy jejich systému a snáze reagovat na nepředvídané okolnosti.
• Úspora nákladů: Digitální dvojčata mohou přispět k úsporám nákladů v organizaci prostřednictvím prediktivní údržby, optimalizace procesů a vylepšeného celkového řízení zdrojů.

Typy digitálních dvojčat

Existují různé typy digitálních dvojčat v závislosti na jejich aplikaci nebo rozsahu. Zde jsou ty hlavní:

• Komponentní dvojčata: Nazývané také dvojče částí, jedná se o digitální dvojče, které odpovídá nejmenšímu prvku systému. Příkladem je jeden píst z 6válcového motoru. Komponentní dvojčata mohou monitorovat specifické parametry, jako jsou vibrace a teplota.
• Produktová dvojčata: Dvojčet produktů nebo aktiv obvykle kombinuje několik dvojčat komponent, aby se dosáhlo tohoto modelu s vyšší složitostí. Dvojčata produktů obvykle představují fyzické produkty, jako je motor, ventilátor a tak dále.
• Zpracujte dvojčata: Používá se k modelování a simulaci operací nebo pracovních postupů v rámci systému. Procesní dvojčata lze použít k optimalizaci nebo monitorování průmyslových procesů, jako je výroba a řízení dodavatelského řetězce.
• Systémová dvojčata: Kombinuje více procesů nebo produktových dvojčat k vytvoření komplexního systému používaného k analýze nebo simulaci interakcí různých virtuálních modelů jako jediné jednotky.

Aplikace napříč odvětvími

Společnosti aplikují technologie digitálních dvojčat v různých průmyslových odvětvích po celém světě. Zde jsou některé z těchto hlavních aplikací:

• Výroba: Digitální dvojčata pomáhají optimalizovat výrobní proces v továrnách a tím minimalizovat prostoje, monitorovat stav zařízení a zvyšovat celkovou provozní efektivitu společnosti.
• Letectví: Výrobci leteckého průmyslu používají digitální dvojčata pro návrhy a testování součástí letadel. Jiní jej využívají pro monitorování v reálném čase, jako to dělá Rolls-Royce se svými motory.
• Inteligentní města: Chytrá města využívají digitální dvojčata při optimalizaci dopravy, monitorování energie, řízení a přijímání různých informovaných rozhodnutí, která budou přínosem pro obyvatele města.
• Energie a služby: Technologie digitálního dvojčete pomáhá při správě obnovitelných zdrojů, energetických sítí a jakékoli složité kombinace energetických systémů. Mohou pomoci při optimalizaci alokace zdrojů, predikci poptávky po energii a tak dále.
• Konstrukce: Digitální dvojčata umožňují architektům a inženýrům vizualizovat a simulovat různé možnosti dříve, než prorazí. Navíc mohou také monitorovat budovu po výstavbě.
• Řízení dodavatelského řetězce: Složité dodavatelské řetězce mohou využívat technologii digitálního dvojčete ke sledování zboží a materiálů v reálném čase, optimalizaci přepravních tras, identifikaci potenciálních zpoždění a zlepšení celkové efektivity dodavatelského řetězce.
• Vývoj produktů: Digitální dvojčata lze použít k virtuálnímu testování a zdokonalování nových produktů před jejich uvedením na trh, čímž se snižují náklady na vývoj.

Příklad aplikací

Zde je několik nezapomenutelných příkladů různých způsobů, jak společnosti využívají technologii digitálního dvojčete.

• Větrné turbíny GE: GE používá digitální dvojčata větrných turbín pro sledování výkonu a prediktivní údržbu.
• SpaceX: Digitální dvojče jeho kapsle Dragon umožňuje operátorům sledovat a upravovat trajektorie, zatížení a pohonné systémy pro bezpečnost a spolehlivost.
• Singapur Smart City: Singapur vyvíjí digitální dvojče celého města, včetně budov, infrastruktury a jeho dopravních sítí pro monitorování spotřeby energie, kvality ovzduší a dopravy v reálném čase.
• Elektrické sítě Schneider: Schneider Electric využívá digitální dvojčata elektrických sítí pro optimalizaci toku energie, předpovědi potenciálních výpadků a odolnost sítě.
• AB InBev: Největší světový výrobce piva používá technologii digitálních dvojčat k řízení svých dodavatelských řetězců a výrobních linek.
• Rolls Royce: Společnost Rolls-Royce využívá digitální dvojčata svých leteckých motorů pro sledování motoru v reálném čase, optimalizaci a úsporu paliva.
• Unilever: Tento výrobní gigant využívá technologii digitálního dvojčete pro optimalizaci procesů a maximalizaci zdrojů ve svých továrnách.
• Boston Consulting Group: Boston Consulting Group (BCG) využívá digitální dvojčata obchodních procesů k identifikaci a řešení neefektivity, předpovídání úzkých míst procesů a optimalizaci alokace zdrojů v podnicích svých klientů.

Digitální technologie související s dvojčaty

Technologie digitálních dvojčat se nevyvíjejí ve vzduchoprázdnu. Jsou výsledkem interakce s mnoha dalšími technologiemi, které zahrnují následující:

• AI a ML: Umělá inteligence (AI) a strojové učení (ML) jsou obory počítačové vědy, které inženýrům usnadňují převzít senzorové a datové vstupy ze systémů digitálního dvojčete a přeměnit je na využitelné poznatky nebo jiné cenné obchodní aplikace.
• IoT: Internet věcí (IoT) je rostoucí síť vzájemně propojených zařízení, která mohou komunikovat mezi sebou a s jinými výpočetními platformami. IoT aplikace a inovace jsou stále na vzestupu.
• Rozšířená realita: Rozšířená realita je zastřešující termín, který označuje aplikace virtuální reality, rozšířené reality a smíšené reality.
• Cloud & Edge: Cloudové platformy usnadňují homogenizaci dat okrajové výpočty systémy pomáhají společnostem optimalizovat jejich infrastrukturu a možnosti zpracování dat.
• Simulátory: Od systémů 3D modelování po fyzikální motory, vizualizační nástroje a další platformy, které umožňují vytváření a vizualizaci digitálních dvojčat.
• Blockchain: Uplatňují se některé aplikace digitálního dvojčete, jako jsou řešení dodavatelského řetězce Technologie blockchainů pro přesnou a spolehlivou správu dat.

Zdroje

• Článek na Wikipedii o digitálních dvojčatech: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_twin
• IBM o digitálních dvojčatech: https://developer.ibm.com/articles/what-are-digital-twins/
• Služba Azure Digital Twins společnosti Microsoft: https://azure.microsoft.com/en-us/products/digital-twins
• Digital Twin Consortium: https://www.digitaltwinconsortium.org/
• Digitální Twin Hub: https://digitaltwinhub.co.uk/forums/
• Industrial IoT Insights Hub: https://plm.sw.siemens.com/en-US/insights-hub/

Závěr

Viděli jste, jak digitální dvojčata proměňují a revolučně mění způsob, jakým vnímáme fyzický svět a jak s ním komunikujeme. Digitální dvojčata nabízejí bezkonkurenční pohledy, efektivitu a inovace, od návrhu produktu až po orchestraci celých městských ekosystémů.

Digitální dvojčata také propojují fyzickou a digitální sféru s analýzou dat a prediktivními schopnostmi v reálném čase, což průmyslům umožňuje snadno optimalizovat procesy a zlepšit rozhodování. To vám a vaší firmě může pomoci otevřít nové možnosti.