Цифровые двойники: что это такое и как это работает

Цифровой двойник — это виртуальная модель физического объекта, которая часто используется для моделирования, тестирования и мониторинга физического объекта.

Они упрощают визуализацию сложных проектов, таких как большие машины, реактивные двигатели, умные города и коммунальные сооружения.

Цифровые двойники могут существовать и для несуществующих объектов – в этом случае они используются для планирования и развития такого объекта.

В этом блоге подробно описано все, что вам нужно знать о цифровых двойниках, и вы узнаете, может ли это принести пользу вашему следующему проекту.

Характеристики цифровых двойников

Технологии цифровых двойников отличаются от других технологий уникальным набором характеристик, среди которых:

• модульность: Технологии цифровых двойников часто применяют модульный подход к созданию единой машины с несколькими компонентами. Такой подход позволяет легко идентифицировать конкретные компоненты, которые можно заменить, улучшить или настроить каким-либо образом для достижения желаемых результатов.
• связь: Цифровые двойники также во многом зависят от возможности подключения, и это обычно достигается за счет подключения датчиков через устройства IoT. Эта связь идет в обе стороны, обеспечивая связь между цифровыми и физическими двойниками.
• Умный и перепрограммируемый: Системы цифровых двойников умны в том смысле, что вы можете вносить изменения в различные параметры. Например, информация от датчиков IoT может заставить цифрового двойника корректировать некоторые параметры и в равной степени отправлять эти новые настройки физическому двойнику для корректировки.
• Гомогенизация: Гомогенизация означает оптимизацию всех данных и входных данных с физической машины в простом цифровом формате, который позволяет легко обмениваться ими с другими пользователями, системами или членами команды.
• Создание цифровых следов: Цифровые двойники также оставляют следы, которые позволяют легко отмотать состояние машины, например, к предыдущему времени до возникновения неисправности. Таким образом, упрощается диагностика проблем.

Как работают цифровые двойники

Процесс функциональности цифровых двойников относительно прост. Вот основной трехэтапный процесс.

1. Физический двойник

Во-первых, это физический объект или машина, которой может быть что угодно: от двигателя внутреннего сгорания V8 до турбовентиляторного реактивного двигателя, сборочной линии на заводе или всей цепочки поставок. Физический двойник оснащен датчиками, которые собирают и передают все виды данных от него к виртуальному двойнику. Эти данные могут включать температуру, количество оборотов в минуту, давление, уровень шума, вибрацию и т. д.

2. Цифровой двойник

В компьютерном мире для виртуального моделирования создается соответствующая виртуальная модель физического двойника. Эта виртуальная модель может быть настолько простой или сложной, насколько это необходимо. Он может использовать простые графические представления или использовать более сложную графику с физическими или инженерными принципами, которые позволяют более достоверно имитировать своего физического двойника. 

3. Соединение данных

Система становится завершенной только тогда, когда оперативные данные от датчиков подаются в цифровой двойник для создания контура обратной связи в реальном времени, где физический двойник влияет на своего цифрового аналога, а цифровой двойник, в свою очередь, также может контролировать физическую производительность. запускать симуляции, вносить изменения в физический двойник или использовать для обучения персонала работе.

Преимущества цифровых двойников

Преимущества цифровых двойников многочисленны, и вот некоторые из них:

• Профилактическое обслуживание: Благодаря постоянному мониторингу оборудования и его производительности цифровые двойники позволяют проводить профилактическое обслуживание и помогают предотвратить дорогостоящие сбои оборудования и незапланированные простои.
• Улучшенная операционная эффективность: Предоставляя информацию для оптимизации процессов и оптимального распределения ресурсов на основе данных в реальном времени, цифровые двойники также могут привести к значительному повышению производительности.
• Повышенная безопасность и управление рисками: Опасные сценарии можно моделировать с помощью цифрового двойника, чтобы выявить потенциальные опасности и принять соответствующие меры.
• Инновации и разработка продуктов: Цифровые двойники могут способствовать внедрению инноваций, предоставляя виртуальную среду для тестирования и доработки идей перед переходом к физическому производству. Это может ускорить процесс инноваций и разработки продуктов, помогая быстрее выводить продукты на рынок.
• Улучшенное принятие решений: Цифровые двойники предоставляют в режиме реального времени информацию о состоянии и производительности физических систем на основе данных. Эта информация может дать возможность лицам, принимающим решения, делать осознанный выбор, оптимизировать процессы своей системы и с большей легкостью реагировать на непредвиденные обстоятельства.
• Экономия на издержках: Цифровые двойники могут способствовать экономии затрат в организации за счет профилактического обслуживания, оптимизации процессов и улучшения общего управления ресурсами.

Типы цифровых двойников

Существуют различные типы цифровых двойников в зависимости от их применения или области применения. Вот основные из них:

• Близнецы компонентов: также называемый двойником деталей. Это цифровой двойник, соответствующий наименьшему элементу системы. Примером может служить один поршень 6-цилиндрового двигателя. Двойники компонентов могут отслеживать определенные параметры, такие как вибрация и температура.
• Близнецы продукта: двойник продукта или актива обычно объединяет несколько двойников компонентов для достижения этой модели более высокой сложности. Двойники продуктов обычно представляют собой физические продукты, такие как двигатель, вентилятор и т. д.
• Близнецы процесса: используется для моделирования и моделирования операций или рабочих процессов в системе. Двойники процессов можно применять для оптимизации или мониторинга промышленных процессов, таких как производство и управление цепочками поставок.
• Системные близнецы: объединяет несколько процессов или двойников продуктов для создания сложной системы, используемой для анализа или моделирования взаимодействия различных виртуальных моделей как единого целого.

Применение в различных отраслях

Компании применяют технологии цифровых двойников в различных отраслях по всему миру. Вот некоторые из этих основных приложений:

• Производство: Цифровые двойники помогают оптимизировать производственный процесс на заводах и тем самым минимизировать время простоя, контролировать состояние оборудования и повышать общую операционную эффективность компании.
• Aerospace: Производители аэрокосмической отрасли используют цифровых двойников для проектирования и испытаний компонентов самолетов. Другие используют его для мониторинга в реальном времени, как это делает компания Rolls-Royce со своими двигателями.
• Умные города: Умные города используют цифровых двойников для оптимизации дорожного движения, мониторинга энергопотребления, управления и принятия различных обоснованных решений, которые принесут пользу жителям города.
• Энергетика и коммунальные услуги: Технология цифровых двойников помогает управлять возобновляемыми источниками энергии, электросетями и любыми сложными энергетическими системами. Они могут помочь в оптимизации распределения ресурсов, прогнозировании спроса на энергию и т. д.
• Строительство: Цифровые двойники позволяют архитекторам и инженерам визуализировать и моделировать различные варианты, прежде чем они приступят к реализации. Кроме того, они также могут контролировать здание после завершения строительства.
• Система управления цепями поставок: Сложные цепочки поставок могут использовать технологию цифровых двойников для отслеживания товаров и материалов в режиме реального времени, оптимизации маршрутов транспортировки, выявления потенциальных задержек и повышения общей эффективности цепочки поставок.
• Разработка продукта: Цифровые двойники можно использовать для виртуального тестирования и доработки новых продуктов перед их выводом на рынок, что снижает затраты на разработку.

Примеры приложений

Вот несколько запоминающихся примеров того, как компании используют технологию цифровых двойников.

• Ветровые турбины GE: GE использует цифровые двойники ветряных турбин для мониторинга производительности и профилактического обслуживания.
• SpaceX: цифровой двойник капсулы Dragon позволяет операторам контролировать и корректировать траектории, нагрузки и двигательные системы для обеспечения безопасности и надежности.
• Умный город Сингапура: Сингапур разрабатывает цифрового двойника всего города, включая здания, инфраструктуру и транспортные сети, для мониторинга потребления энергии, качества воздуха и дорожного движения в режиме реального времени.
• Шнайдер Электрические Сети: Schneider Electric использует цифровые двойники электрических сетей для оптимизации потоков энергии, прогнозирования потенциальных сбоев и повышения устойчивости сетей.
• AB InBev: Крупнейшая в мире пивоварня использует технологию цифровых двойников для управления цепочками поставок и производственными линиями.
• Rolls-Royce: Компания Rolls-Royce использует цифровые двойники своих авиационных двигателей для отслеживания работы двигателей в режиме реального времени, оптимизации и топливной эффективности.
• Юнилевер: Этот производственный гигант использует технологию цифровых двойников для оптимизации процессов и максимизации ресурсов на своих заводах.
• Бостонская консалтинговая группа: Boston Consulting Group (BCG) использует цифровые двойники бизнес-процессов для выявления и устранения неэффективности, прогнозирования узких мест процессов и оптимизации распределения ресурсов в бизнесе своих клиентов.

Технологии, связанные с цифровыми двойниками

Технологии цифровых двойников развиваются не в вакууме. Они являются результатом взаимодействия с множеством других технологий, включая следующие:

• ИИ и машинное обучение: Искусственный интеллект (ИИ) и машинного обучения или (ML) — это области информатики, которые позволяют инженерам легко получать входные данные от датчиков и данных из систем цифровых двойников и превращать их в практические идеи или другие ценные бизнес-приложения.
• IoT: Интернет вещей (IoT) — это растущая сеть взаимосвязанных устройств, которые могут взаимодействовать друг с другом и с другими вычислительными платформами. Приложения и инновации IoT по-прежнему находятся на подъеме.
• Расширенная реальность: Расширенная реальность — это общий термин, который относится к приложениям виртуальной реальности, дополненной реальности и смешанной реальности.
• Облако и периферия: Облачные платформы упрощают гомогенизацию данных, а краевые вычисления Системы помогают компаниям оптимизировать свою инфраструктуру и возможности обработки данных.
• Имитаторы: от систем 3D-моделирования до физических движков, инструментов визуализации и других платформ, позволяющих создавать и визуализировать цифровых двойников.
• Блокчейн: Некоторые приложения цифровых двойников, такие как решения для цепочек поставок, применимы. Блокчейн технологии для точного и надежного управления данными.

Ресурсы

• Статья в Википедии о цифровых двойниках: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_twin
• IBM о цифровых двойниках: https://developer.ibm.com/articles/what-are-digital-twins/
• Служба Microsoft Azure Digital Twins: https://azure.microsoft.com/en-us/products/digital-twins
• Консорциум цифровых двойников: https://www.digitaltwinconsortium.org/
• Цифровой двойной концентратор: https://digitaltwinhub.co.uk/forums/
• Центр анализа промышленного Интернета вещей: https://plm.sw.siemens.com/en-US/insights-hub/

Заключение

Вы видели, как цифровые двойники трансформируют и революционизируют то, как мы воспринимаем физический мир и взаимодействуем с ним. От дизайна продукта до управления целыми городскими экосистемами цифровые двойники предлагают непревзойденное понимание, эффективность и инновации.

Цифровые двойники также соединяют физическую и цифровую сферы с возможностями анализа данных в реальном времени и прогнозирования, что позволяет отраслям легко оптимизировать процессы и повысить качество принятия решений. Это может помочь вам и вашему бизнесу открыть новые возможности.