Цифрові двійники: що це таке і як це працює

Цифровий двійник — це віртуальна модель фізичного об’єкта, яка часто використовується для моделювання, тестування та моніторингу фізичного об’єкта.

Вони полегшують візуалізацію складних проектів, таких як великі машини, реактивні двигуни, розумні міста та інженерні мережі.

Цифрові двійники можуть існувати і для неіснуючих об’єктів – у цьому випадку вони використовуються для планування та розвитку такого об’єкта.

це блозі детально описує все, що вам потрібно знати про цифрових близнюків, і щоб ви побачили, чи може це принести користь вашому наступному проект.

Характеристики цифрових близнюків

Технології цифрових подвійників відрізняються від інших технологій унікальним набором характеристик, серед яких:

• Модульність: Технології цифрових подвійників часто застосовують модульний підхід до створення однієї машини з кількома компонентами. Цей підхід дозволяє легко визначити конкретні компоненти, які можна замінити, удосконалити або налаштувати певним чином для досягнення бажаних результатів.
• зв'язок: Цифрові близнюки також багато в чому покладаються на підключення, і це зазвичай досягається за допомогою підключення датчиків через пристрої IoT. Це з’єднання є двостороннім, щоб забезпечити зв’язок між цифровим і фізичним близнюками.
• Розумний і перепрограмований: Цифрові подвійні системи розумні в тому сенсі, що ви можете змінювати різні параметри. Інформація від датчиків IoT, наприклад, може змусити цифрового близнюка налаштувати деякі параметри, а також надіслати ці нові параметри фізичному близнюку для самостійного налаштування.
• Гомогенізація: Гомогенізація стосується оптимізації всіх даних і вхідних даних із фізичної машини в простому цифровому форматі, який дозволяє легко ділитися ними з іншими користувачами, системами чи членами команди.
• Створення цифрового сліду: Цифрові двійники також залишають сліди, які дозволяють легко перемотати стан машини назад, наприклад, до попереднього часу до того, як сталася несправність. Таким чином, можна легко діагностувати проблеми.

Як працюють цифрові близнюки

Процес функціональності цифрових близнюків відносно простий. Ось основний 3-етапний процес.

1. Фізичний двійник

По-перше, це фізичний об’єкт або машина, яка може бути чим завгодно: від двигуна внутрішнього згоряння V8 до реактивного двигуна з турбовентилятором, конвеєра на заводі чи цілого ланцюжка поставок. Фізичний двійник оснащений датчиками, які збирають і передають усі форми даних від нього до свого віртуального близнюка. Ці дані можуть включати температуру, кількість обертів за хвилину, тиск, рівень шуму, вібрацію тощо.

2. Цифровий двійник

У комп’ютерному світі для віртуальної симуляції створюється відповідна віртуальна модель фізичного близнюка. Ця віртуальна модель може бути як простою, так і складною. Він може використовувати прості графічні представлення або використовувати більш складну графіку з фізичними чи інженерними принципами, які дозволяють більш достовірно імітувати свого фізичного близнюка. 

3. Підключення даних

Система стає повноцінною лише тоді, коли живі дані від датчиків подаються в цифровий двійник для створення циклу зворотного зв’язку в реальному часі, де фізичний двійник впливає на свій цифровий двійник, а цифровий двійник, у свою чергу, також може контролювати фізичну продуктивність, виконувати моделювання, вносити зміни у фізичний близнюк або використовувати для навчання персоналу роботі.

Переваги цифрових близнюків

Переваг цифрових близнюків багато, і ось деякі з них:

• Прогнозне обслуговування: Завдяки постійному моніторингу обладнання та його продуктивності цифрові двійники забезпечують прогнозне технічне обслуговування та можуть допомогти запобігти дорогим збоям обладнання та незапланованим простоям.
• Покращена операційна ефективність: Надаючи інформацію для оптимізації процесів і оптимального розподілу ресурсів на основі даних у реальному часі, цифрові близнюки також можуть призвести до значних продуктивність вигоди.
• Покращена безпека та управління ризиками: Небезпечні сценарії можна моделювати за допомогою цифрового двійника, щоб визначити потенційні небезпеки та вжити належних заходів.
• Інновації та розробка продуктів: Цифрові близнюки можуть сприяти інноваціям, надаючи віртуальне середовище для тестування та вдосконалення ідей перед тим, як приступити до фізичного виробництва. Це може прискорити інновації та процес розробки продуктів, допомагаючи швидше виводити продукти на ринок.
• Покращене прийняття рішень: Цифрові двійники надають інформацію про стан і продуктивність фізичних систем у реальному часі на основі даних. Ця інформація може допомогти особам, які приймають рішення, робити обґрунтований вибір, оптимізувати процеси своєї системи та легше реагувати на непередбачені обставини.
• Економія витрат: Цифрові близнюки можуть сприяти економії коштів в організації за рахунок прогнозованого обслуговування, оптимізації процесів і покращеного загального управління ресурсами.

Типи цифрових близнюків

Існують різні типи цифрових двійників залежно від їхнього застосування чи сфери застосування. Ось основні з них:

• Компонент Близнюки: також називається двійником частин, це цифровий двійник, який відповідає найменшому елементу системи. Прикладом є один поршень від 6-циліндрового двигуна. Подвійники компонентів можуть контролювати певні параметри, такі як вібрація та температура.
• Продукт близнюки: близнюк продукту або активу зазвичай поєднує кілька компонентів-близнюків для досягнення цієї моделі з вищою складністю. Близнюки продуктів зазвичай представляють фізичні продукти, такі як двигун, вентилятор тощо.
• Процес Twins: Використовується для моделювання та імітації операцій або робочих процесів у системі. Двійники процесів можна застосовувати для оптимізації або моніторингу промислових процесів, таких як виробництво та управління ланцюгом поставок.
• Система Twins: поєднує кілька процесів або подвійних продуктів для створення складної системи, яка використовується для аналізу або моделювання взаємодії різних віртуальних моделей як єдиного цілого.

Застосування в різних галузях

Компанії застосовують технології цифрових близнюків у різних галузях промисловості по всьому світу. Ось деякі з цих основних програм:

• Виробництво: Цифрові близнюки допомагають оптимізувати виробничий процес на заводах і таким чином мінімізувати час простою, контролювати стан обладнання та підвищувати загальну ефективність роботи компанії.
• Аерокосмічний: Аерокосмічні виробники використовують цифрові двійники для проектування та тестування компонентів літаків. Інші використовують його для моніторингу в реальному часі, наприклад Rolls-Royce зі своїми двигунами.
• Розумні міста: Розумні міста використовують цифрових близнюків для оптимізації трафіку, моніторингу енергії, управління та прийняття різноманітних обґрунтованих рішень, які принесуть користь мешканцям міста.
• Енергія та комунальні послуги: Технологія цифрового близнюка допомагає керувати відновлюваними джерелами енергії, електромережами та будь-яким складним поєднанням енергетичних систем. Вони можуть допомогти в оптимізації розподілу ресурсів, прогнозуванні попиту на енергію тощо.
• Будівництво: Цифрові близнюки дозволяють архітекторам та інженерам візуалізувати та моделювати різні варіанти, перш ніж вони розпочнуть роботу. Крім того, вони також можуть контролювати будівлю після будівництва.
• Управління ланцюгами поставок: Складні ланцюжки поставок можуть використовувати технологію цифрового близнюка для відстеження товарів і матеріалів у режимі реального часу, оптимізації маршрутів транспортування, визначення потенційних затримок і підвищення загальної ефективності ланцюга поставок.
• Розробка продукту: Цифрові близнюки можна використовувати для віртуального тестування та вдосконалення нових продуктів перед виведенням їх на ринок, таким чином зменшуючи витрати на розробку.

Приклад програми

Ось кілька пам’ятних прикладів того, як компанії використовують технологію цифрових близнюків.

• GE Wind Turbines: GE використовує цифрові двійники вітрових турбін для моніторингу продуктивності та прогнозного обслуговування.
• SpaceX: Цифровий двійник капсули Dragon дозволяє операторам контролювати та коригувати траєкторії, навантаження та системи руху для безпеки та надійності.
• Розумне місто Сінгапуру: Сінгапур розробляє цифрового двійника всього міста, включаючи будівлі, інфраструктуру та його транспортні мережі, щоб контролювати споживання енергії, якість повітря та дорожній рух у режимі реального часу.
• Schneider Electric Grids: Schneider Electric використовує цифрові двійники електричних мереж для оптимізації енергетичних потоків, прогнозування потенційних відключень і стійкості мережі.
• AB InBev: Найбільший у світі пивоварний завод використовує технологію цифрових близнюків для керування ланцюгами поставок і виробничими лініями.
• Rolls-Royce: Компанія Rolls-Royce використовує цифрові двійники своїх авіаційних двигунів для відстеження роботи двигуна в реальному часі, оптимізації та паливної ефективності.
• Unilever: Цей виробничий гігант використовує технологію цифрового близнюка для оптимізації процесів і максимального використання ресурсів на своїх підприємствах.
• Бостонська консалтингова група: Boston Consulting Group (BCG) використовує цифрові двійники бізнес-процесів для виявлення та вирішення неефективності, прогнозування вузьких місць процесів і оптимізації розподілу ресурсів у бізнесі своїх клієнтів.

Технології, пов’язані з цифровими близнюками

Технології цифрових близнюків не розвиваються у вакуумі. Вони є результатом взаємодії з кількома іншими технологіями, зокрема:

• AI & ML: Штучний інтелект (ШІ) і навчання за допомогою машини (ML) — це галузі інформатики, які дозволяють інженерам легко використовувати датчики та вхідні дані з цифрових систем-близнюків і перетворювати їх на ефективні ідеї чи інші цінні бізнес-додатки.
• IoT: Інтернет речей (IoT) — це зростаюча мережа взаємопов’язаних пристроїв, які можуть спілкуватися один з одним та з іншими обчислення платформи. Програми та інновації Інтернету речей все ще зростають.
• Розширена реальність: Розширена реальність це загальний термін, який стосується програм віртуальної реальності, доповненої реальності та змішаної реальності.
• Cloud & Edge: Хмарні платформи полегшують уніфікацію даних краю обчислень системи допомагають компаніям оптимізувати свою інфраструктуру та можливості обробки даних.
• Симулятори: від систем 3D-моделювання до фізичних двигунів, інструментів візуалізації та інших платформ, які дозволяють створювати та візуалізувати цифрові двійники.
• Blockchain: Застосовуються деякі додатки цифрового близнюка, наприклад рішення для ланцюга поставок Блокчейн-технології для точного та надійного керування даними.

ресурси

• Стаття у Вікіпедії про цифрових близнюків: https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_twin
• IBM про цифрових близнюків: https://developer.ibm.com/articles/what-are-digital-twins/
• Сервіс Microsoft Azure Digital Twins: https://azure.microsoft.com/en-us/products/digital-twins
• Консорціум Digital Twin: https://www.digitaltwinconsortium.org/
• Цифровий подвійний концентратор: https://digitaltwinhub.co.uk/forums/
• Industrial IoT Insights Hub: https://plm.sw.siemens.com/en-US/insights-hub/

Висновок

Ви бачили, як цифрові близнюки трансформують і революціонізують спосіб сприйняття фізичного світу та взаємодії з ним. Від дизайну продукту до оркестровки цілої міської екосистеми, цифрові близнюки пропонують неперевершене розуміння, ефективність та інновації.

Цифрові двійники також об’єднують фізичну та цифрову сфери за допомогою аналізу даних у реальному часі та можливостей прогнозування, що дає галузям змогу легко оптимізувати процеси та покращити процес прийняття рішень. Це може допомогти вам і вашому бізнесу відкрити нові можливості.