Cyfrowe bliźniaki: co to jest i jak działa

Cyfrowy bliźniak to wirtualny model obiektu fizycznego, który jest często używany do symulacji, testowania i monitorowania obiektu fizycznego.

Ułatwiają wizualizację złożonych projektów, takich jak duże maszyny, silniki odrzutowe, inteligentne miasta i instalacje użyteczności publicznej.

Cyfrowe bliźniaki mogą istnieć również w przypadku nieistniejących obiektów – w takim przypadku wykorzystuje się je do planowania i rozwoju takiego obiektu.

To zdjęcie blog szczegółowo opisuje wszystko, co musisz wiedzieć o cyfrowych bliźniakach, i pozwala sprawdzić, czy może to przynieść korzyści Twojemu następnemu projekt.

Charakterystyka cyfrowych bliźniaków

Technologie cyfrowych bliźniaków wyróżniają się spośród innych technologii unikalnym zestawem cech, do których należą:

Modułowość: W technologiach cyfrowych bliźniaków często stosuje się modułowe podejście do projektowania, aby zbudować pojedynczą maszynę z wieloma komponentami. Takie podejście ułatwia identyfikację konkretnych komponentów, które można wymienić, ulepszyć lub ulepszyć w określony sposób, aby osiągnąć pożądane rezultaty.
Łączność: Cyfrowe bliźniaki również w dużym stopniu polegają na łączności, co zwykle osiąga się dzięki podłączonym czujnikom za pośrednictwem urządzeń IoT. Ta łączność działa w obie strony, umożliwiając komunikację pomiędzy cyfrowymi i fizycznymi bliźniakami.
Inteligentne i ponownie programowalne: Cyfrowe systemy bliźniacze są inteligentne w tym sensie, że można wprowadzać zmiany w różnych parametrach. Na przykład informacje z czujników IoT mogą spowodować, że cyfrowy bliźniak dostosuje niektóre parametry i w równym stopniu prześle te nowe ustawienia do fizycznego bliźniaka, aby się dostosował.
Homogenizacja: Homogenizacja oznacza usprawnienie wszystkich danych i danych wejściowych z maszyny fizycznej w prostym formacie cyfrowym, który ułatwia udostępnianie innym użytkownikom, systemom lub członkom zespołu.
Cyfrowe tworzenie śladów: Cyfrowe bliźniaki pozostawiają również ślady, które ułatwiają na przykład przewinięcie stanu maszyny do stanu poprzedzającego wystąpienie awarii. Ułatwia to w ten sposób diagnozowanie problemów.

Jak działają cyfrowe bliźniaki

Proces funkcjonalności cyfrowych bliźniaków jest stosunkowo prosty. Oto podstawowy proces składający się z 3 kroków.

1. Fizyczny bliźniak

Po pierwsze, istnieje obiekt fizyczny lub maszyna, którą może być wszystko, od silnika spalinowego V8 po silnik odrzutowy z turbowentylatorem, linię montażową w fabryce lub cały łańcuch dostaw. Fizyczny bliźniak jest wyposażony w czujniki, które zbierają i przesyłają z niego wszelkie formy danych do wirtualnego bliźniaka. Dane te mogą obejmować temperaturę, obroty na minutę, ciśnienie, poziom hałasu, wibracje i tak dalej.

2. Cyfrowy bliźniak

W świecie komputerowym tworzony jest odpowiedni wirtualny model fizycznego bliźniaka na potrzeby wirtualnej symulacji. Ten wirtualny model może być prosty lub złożony, w zależności od potrzeb. Może wykorzystywać proste reprezentacje graficzne lub bardziej złożoną grafikę z zasadami fizycznymi lub inżynieryjnymi, dzięki czemu bardziej autentycznie naśladuje swojego fizycznego bliźniaka.

3. Połączenie danych

System staje się kompletny dopiero wtedy, gdy dane na żywo z czujników zostaną wprowadzone do cyfrowego bliźniaka w celu utworzenia pętli sprzężenia zwrotnego w czasie rzeczywistym, w której fizyczny bliźniak wpływa na swój cyfrowy odpowiednik, a cyfrowy bliźniak z kolei może również monitorować wydajność fizyczną, przeprowadzaj symulacje, wprowadzaj zmiany w fizycznym bliźniaku lub wykorzystaj je do szkolenia personelu do pracy.

Korzyści z cyfrowych bliźniaków

Zalet cyfrowych bliźniaków jest wiele, a oto kilka z nich:

Konserwacja predykcyjna: Dzięki stałemu monitorowaniu sprzętu i jego wydajności cyfrowe bliźniaki umożliwiają konserwację predykcyjną i mogą pomóc w zapobieganiu kosztownym awariom sprzętu i nieplanowanym przestojom.
Poprawiona wydajność operacyjna: Zapewniając spostrzeżenia umożliwiające optymalizację procesów i optymalną alokację zasobów w oparciu o dane w czasie rzeczywistym, cyfrowe bliźniaki mogą również prowadzić do znaczących wydajność zyski.
Ulepszone zarządzanie bezpieczeństwem i ryzykiem: Niebezpieczne scenariusze można symulować za pomocą cyfrowego bliźniaka, aby zidentyfikować potencjalne zagrożenia i podjąć odpowiednie kroki.
Innowacje i rozwój produktu: Cyfrowe bliźniaki mogą pomóc w ułatwianiu innowacji, zapewniając wirtualne środowisko do testowania i udoskonalania pomysłów przed zaangażowaniem się w fizyczną produkcję. Może to przyspieszyć proces innowacji i rozwoju produktów, pomagając szybciej wprowadzać produkty na rynek.
Ulepszone podejmowanie decyzji: Cyfrowe bliźniaki zapewniają wgląd w stan i wydajność systemów fizycznych w czasie rzeczywistym, oparty na danych. Informacje te mogą pomóc decydentom w podejmowaniu świadomych wyborów, optymalizacji procesów w systemie i łatwiejszym reagowaniu na nieprzewidziane okoliczności.
Oszczędności kosztów: Cyfrowe bliźniaki mogą przyczynić się do oszczędności kosztów w organizacji poprzez konserwację predykcyjną, optymalizację procesów i ulepszone ogólne zarządzanie zasobami.

Rodzaje cyfrowych bliźniaków

Istnieją różne typy cyfrowych bliźniaków, w zależności od ich zastosowania lub zakresu. Oto najważniejsze:

Bliźniaki komponentowe: Nazywany także bliźniakiem części. Jest to cyfrowy bliźniak, który odpowiada najmniejszemu elementowi systemu. Przykładem jest pojedynczy tłok z 6-cylindrowego silnika. Bliźniaki komponentów mogą monitorować określone parametry, takie jak wibracje i temperatura.
Produkt Bliźniaki: Bliźniak produktu lub aktywa zwykle łączy kilka bliźniaków komponentów, aby osiągnąć ten model o większej złożoności. Bliźniacze produkty zwykle reprezentują produkty fizyczne, takie jak silnik, respirator i tak dalej.
Procesowe bliźniaki: Służy do modelowania i symulowania operacji lub przepływów pracy w systemie. Bliźniaki procesów można zastosować do optymalizacji lub monitorowania procesów przemysłowych, takich jak zarządzanie produkcją i łańcuchem dostaw.
Bliźniaki systemowe: łączy wiele procesów lub bliźniaków produktów w celu stworzenia złożonego systemu służącego do analizy lub symulacji interakcji różnych modeli wirtualnych jako pojedynczej jednostki.

Zastosowania w różnych branżach

Firmy stosują technologie cyfrowych bliźniaków w różnych branżach na całym świecie. Oto niektóre z tych głównych zastosowań:

Produkcja: Cyfrowe bliźniaki pomagają optymalizować proces produkcyjny w fabrykach, a tym samym minimalizować przestoje, monitorować stan sprzętu i zwiększać ogólną efektywność operacyjną firmy.
Lotnictwo: Producenci z branży lotniczej wykorzystują cyfrowe bliźniaki do projektowania i testowania komponentów samolotów. Inni wykorzystują go do monitorowania w czasie rzeczywistym, tak jak robi to Rolls-Royce w swoich silnikach.
Inteligentne miasta: Inteligentne miasta wykorzystują cyfrowe bliźniaki do optymalizacji ruchu, monitorowania energii, zarządzania i podejmowania różnych świadomych decyzji, które przyniosą korzyści mieszkańcom miasta.
Energia i media: Technologia cyfrowych bliźniaków pomaga w zarządzaniu odnawialnymi źródłami energii, sieciami energetycznymi i dowolną złożoną mieszanką systemów energetycznych. Mogą pomóc w optymalizacji alokacji zasobów, przewidywaniu zapotrzebowania na energię i tak dalej.
Budowa: Cyfrowe bliźniaki umożliwiają architektom i inżynierom wizualizację i symulację różnych opcji, zanim zostaną wprowadzone na rynek. Ponadto mogą również monitorować budynek po wybudowaniu.
Zarządzanie łańcuchem dostaw: Złożone łańcuchy dostaw mogą wykorzystywać technologię cyfrowych bliźniaków do śledzenia towarów i materiałów w czasie rzeczywistym, optymalizacji tras transportu, identyfikowania potencjalnych opóźnień i poprawy ogólnej wydajności łańcucha dostaw.
Rozwój produktu: Cyfrowe bliźniaki można wykorzystać do wirtualnego testowania i udoskonalania nowych produktów przed wprowadzeniem ich na rynek, zmniejszając w ten sposób koszty rozwoju.

Przykładowe aplikacje

Oto kilka zapadających w pamięć przykładów różnych sposobów wykorzystania technologii cyfrowych bliźniaków przez firmy.

Turbiny wiatrowe GE: GE wykorzystuje cyfrowe bliźniaki turbin wiatrowych do monitorowania wydajności i konserwacji predykcyjnej.
SpaceX: Cyfrowy bliźniak kapsuły Dragon umożliwia operatorom monitorowanie i dostosowywanie trajektorii, obciążeń i systemów napędowych w celu zapewnienia bezpieczeństwa i niezawodności.
Inteligentne miasto Singapuru: Singapur rozwija cyfrowego bliźniaka całego miasta, obejmującego budynki, infrastrukturę i sieci transportowe, aby monitorować zużycie energii, jakość powietrza i ruch uliczny w czasie rzeczywistym.
Sieci Schneider Electric: Schneider Electric wykorzystuje cyfrowe bliźniaki sieci elektroenergetycznych do optymalizacji przepływu energii, przewidywania potencjalnych przestojów i zwiększania odporności sieci.
AB InBev: Największy na świecie browar wykorzystuje technologię cyfrowych bliźniaków do zarządzania swoimi łańcuchami dostaw i liniami produkcyjnymi.
Rolls-Royce'a: Firma Rolls-Royce wykorzystuje cyfrowe bliźniaki swoich silników lotniczych do śledzenia silnika w czasie rzeczywistym, optymalizacji i oszczędzania paliwa.
Unilever: Ten gigant produkcyjny wykorzystuje technologię cyfrowych bliźniaków do optymalizacji procesów i maksymalizacji zasobów w swoich fabrykach.
Boston Consulting Group: Boston Consulting Group (BCG) wykorzystuje cyfrowe bliźniaki procesów biznesowych do identyfikowania i rozwiązywania nieefektywności, przewidywania wąskich gardeł procesów i optymalizacji alokacji zasobów w firmach swoich klientów.

Technologie cyfrowe powiązane z bliźniakami

Technologie cyfrowych bliźniaków nie rozwijają się w próżni. Są wynikiem interakcji z wieloma innymi technologiami, do których należą:

AI & ML: Sztuczna inteligencja (AI) i uczenie maszynowe (ML) to dziedziny informatyki, które ułatwiają inżynierom wykorzystanie czujników i danych wejściowych z cyfrowych systemów bliźniaczych i przekształcenie ich w przydatne spostrzeżenia lub inne cenne zastosowania biznesowe.
Internet przedmiotów: Internet rzeczy (IoT) to rosnąca sieć połączonych ze sobą urządzeń, które mogą komunikować się między sobą i między sobą computing platformy. Liczba zastosowań i innowacji IoT wciąż rośnie.
Rozszerzona rzeczywistość: Rozszerzona rzeczywistość to ogólny termin odnoszący się do rzeczywistości wirtualnej, rzeczywistości rozszerzonej i aplikacji rzeczywistości mieszanej.
Chmura i krawędź: Platformy chmurowe ułatwiają homogenizację danych, a przetwarzanie krawędziowe systemy pomagają firmom optymalizować infrastrukturę i możliwości przetwarzania danych.
Symulatory: Od systemów modelowania 3D po silniki fizyczne, narzędzia do wizualizacji i inne platformy umożliwiające tworzenie i wizualizację cyfrowych bliźniaków.
Blockchain: Zastosowanie mają niektóre zastosowania cyfrowych bliźniaków, takie jak rozwiązania w zakresie łańcucha dostaw Technologie blockchain do precyzyjnego i niezawodnego zarządzania danymi.

Zasoby

Artykuł w Wikipedii na temat cyfrowych bliźniaków: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_twin
IBM o cyfrowych bliźniakach: https://developer.ibm.com/articles/what-are-digital-twins/
Usługa Azure Digital Twins firmy Microsoft: https://azure.microsoft.com/en-us/products/digital-twins
Konsorcjum cyfrowych bliźniaków: https://www.digitaltwinconsortium.org/
Cyfrowy podwójny koncentrator: https://digitaltwinhub.co.uk/forums/
Centrum analiz przemysłowych IoT: https://plm.sw.siemens.com/en-US/insights-hub/

Podsumowanie

Widziałeś, jak cyfrowe bliźniaki przekształcają i rewolucjonizują sposób, w jaki postrzegamy świat fizyczny i wchodzimy w interakcję ze nim. Od projektu produktu po orkiestrację całych ekosystemów miejskich – cyfrowe bliźniaki oferują niezrównaną wiedzę, wydajność i innowacyjność.

Cyfrowe bliźniaki łączą także sferę fizyczną i cyfrową dzięki analizie danych w czasie rzeczywistym i możliwościom predykcyjnym, co umożliwia branżom łatwą optymalizację procesów i usprawnienie procesu decyzyjnego. Może to pomóc Tobie i Twojej firmie odblokować nowe możliwości.