Цифровой двойник - Digital twin

Цифровой двойник является виртуальным представлением , которое служит в качестве реального времени цифрового аналога физического объекта или процесса. Хотя эта концепция возникла раньше (приписывается Майклу Гривсу, тогда работавшему в Мичиганском университете в 2002 году), первое практическое определение цифрового двойника было получено в НАСА в попытке улучшить симуляцию физической модели космического корабля в 2010 году. Цифровые двойники являются результатом постоянное совершенствование создания продуктов, дизайна и инженерной деятельности. Чертежи продуктов и технические спецификации прогрессировали от ручного черчения до компьютерного черчения / компьютерного проектирования и конструирования систем на основе моделей.

Цифровой двойник физического объекта зависит от цифровой нити - конструкции самого нижнего уровня и спецификации цифрового двойника, - а «двойник» зависит от цифровой нити для поддержания точности. Изменения в конструкции продукта реализуются с помощью заказов на технические изменения (ECO). ECO, внесенный в компонентный элемент, приведет к новой версии цифрового потока элемента и, соответственно, к цифровому двойнику.

Происхождение и типы цифровых двойников

Цифровых близнецов предвосхитила книга Дэвида Гелернтера 1991 года « Зеркальные миры» . Как в отраслевых, так и в научных публикациях широко признается, что Майкл Гривс из Технологического института Флориды впервые применил концепцию цифрового двойника в производстве. Концепция и модель цифрового двойника были публично представлены в 2002 году Гривсом, работавшим в то время в Мичиганском университете , на конференции Общества инженеров-производителей в Трое, штат Мичиган . Гривс предложил цифрового двойника в качестве концептуальной модели, лежащей в основе управления жизненным циклом продукта (PLM).

Ранняя концепция цифрового двойника от Grieves and Vickers

Концепция, получившая несколько разных названий, впоследствии была названа Джоном Викерсом из НАСА «цифровым двойником» в отчете «Дорожная карта» за 2010 год. Концепция цифрового двойника состоит из трех отдельных частей: физического продукта, цифрового / виртуального продукта и связей между двумя продуктами. Связи между физическим продуктом и цифровым / виртуальным продуктом - это данные, которые передаются от физического продукта к цифровому / виртуальному продукту, и информация, которая доступна из цифрового / виртуального продукта в физическую среду.

Позже концепт разделили на типы. Типами являются прототип цифрового двойника (DTP), экземпляр цифрового двойника (DTI) и агрегат цифрового двойника (DTA). DTP состоит из проектов, анализа и процессов для реализации физического продукта. DTP существует до того, как появится физический продукт. DTI - это цифровой двойник каждого отдельного экземпляра продукта после его производства. DTA - это совокупность DTI, данные и информация которых могут использоваться для исследования физического продукта, прогнозов и обучения. Конкретная информация, содержащаяся в цифровых двойниках, определяется вариантами использования. Цифровой двойник - это логическая конструкция, означающая, что фактические данные и информация могут содержаться в других приложениях.

Кроме того, цифровой двойник можно разделить на три подкатегории в соответствии с разным уровнем интеграции , а именно разной степенью потока данных и информации, которые могут происходить между физической частью и цифровой копией: цифровая модель (DM) , цифровая тень (DS ) и Цифровой двойник.

Цифровой двойник на рабочем месте часто считается частью роботизированной автоматизации процессов (RPA) и, по мнению отраслевой аналитической компании Gartner, является частью более широкой и развивающейся категории «гиперавтоматизации».

Примеры

Пример того, как цифровые двойники используются для оптимизации машин, - это обслуживание оборудования для выработки электроэнергии, такого как турбины для выработки электроэнергии, реактивные двигатели и локомотивы.

Другой пример цифровых двойников - использование 3D-моделирования для создания цифровых компаньонов для физических объектов. Его можно использовать для просмотра статуса реального физического объекта, что позволяет проецировать физические объекты в цифровой мир. Например, когда датчики собирают данные с подключенного устройства, данные датчиков можно использовать для обновления копии «цифрового двойника» состояния устройства в реальном времени. Термин «тень устройства» также используется для обозначения цифрового двойника. Цифровой двойник должен быть актуальной и точной копией свойств и состояний физического объекта, включая форму, положение, жест, состояние и движение.

Цифровой двойник также может использоваться для мониторинга , диагностики и прогнозирования, чтобы оптимизировать производительность и использование активов. В этой области сенсорные данные могут быть объединены с историческими данными, человеческим опытом, флотом и симуляционным обучением, чтобы улучшить результаты прогнозов. Таким образом, платформы комплексного прогнозирования и интеллектуального обслуживания могут использовать цифровых двойников для поиска первопричин проблем и повышения производительности .

Цифровые двойники автономных транспортных средств и их набор датчиков, встроенный в моделирование дорожного движения и окружающей среды, также были предложены в качестве средства преодоления значительных проблем разработки, тестирования и проверки для автомобильного приложения, в частности, когда соответствующие алгоритмы основаны на подходах искусственного интеллекта. которые требуют обширных обучающих данных и наборов данных для проверки.

Промышленность

Физические производственные объекты виртуализированы и представлены в виде моделей цифровых двойников (аватаров), бесшовно и тесно интегрированных как в физическое, так и в киберпространство. Физические объекты и модели-близнецы взаимовыгодно взаимодействуют.

Динамика на отраслевом уровне

Цифровой двойник нарушает весь процесс управления жизненным циклом продукта (PLM), от проектирования до производства и обслуживания. В настоящее время PLM требует очень много времени с точки зрения эффективности, производства, интеллекта, этапов обслуживания и устойчивости при разработке продукта. Цифровой двойник может объединить физическое и виртуальное пространство продукта. Цифровой двойник позволяет компаниям иметь цифровой след для всех своих продуктов, от проектирования до разработки и на протяжении всего жизненного цикла продукта. Вообще говоря, отрасли с производственным бизнесом сильно пострадали от цифровых двойников. В производственном процессе цифровой двойник подобен виртуальной копии недавних событий на фабрике. Тысячи датчиков размещаются по всему физическому производственному процессу, и все они собирают данные с разных измерений, таких как условия окружающей среды, поведенческие характеристики машины и выполняемая работа. Все эти данные постоянно передаются и собираются цифровым двойником.

Благодаря Интернету вещей цифровые близнецы стали более доступными и могут определять будущее обрабатывающей промышленности. Выгода для инженеров заключается в реальном использовании продуктов, которые виртуально разрабатываются цифровым двойником. Передовые способы обслуживания и управления продуктами и активами становятся доступными, поскольку существует цифровой двойник реальной «вещи» с возможностями в реальном времени.

Цифровые двойники предлагают огромный бизнес-потенциал, предсказывая будущее, а не анализируя прошлое производственного процесса. Представление реальности, созданное цифровыми близнецами, позволяет производителям развиваться в направлении ожидаемой деловой практики. Будущее производства определяется следующими четырьмя аспектами: модульность, автономность, возможность подключения и цифровой двойник. По мере того, как на этапах производственного процесса растет цифровизация, открываются возможности для повышения производительности. Это начинается с модульности и ведет к повышению эффективности производственной системы. Кроме того, автономность позволяет производственной системе эффективно и разумно реагировать на неожиданные события. Наконец, возможность подключения, такая как Интернет вещей, позволяет замкнуть цикл оцифровки, тем самым позволяя оптимизировать следующий цикл разработки и продвижения продукта для повышения производительности. Это может привести к повышению удовлетворенности и лояльности клиентов, когда продукты могут определить проблему еще до того, как она действительно сломается. Кроме того, поскольку затраты на хранение и вычисления становятся менее дорогими, способы использования цифровых двойников расширяются.

Городское планирование и строительство (искусственная среда)

Географические цифровые двойники были популяризированы в практике городского планирования, учитывая растущий интерес к цифровым технологиям в движении умных городов . Эти цифровые двойники часто предлагаются в форме интерактивных платформ для сбора и отображения трехмерных и четырехмерных пространственных данных в реальном времени с целью моделирования городской среды (городов) и потоков данных в них.

Технологии визуализации, такие как системы дополненной реальности (AR), используются как инструменты совместной работы для проектирования и планирования в построенной среде, интегрируя потоки данных со встроенных датчиков в городах и сервисы API для формирования цифровых двойников. Например, AR можно использовать для создания карт дополненной реальности, зданий и потоков данных, проецируемых на столы для совместного просмотра профессионалами в области искусственной среды.

В застроенной среде, отчасти благодаря внедрению процессов информационного моделирования зданий (BIM), деятельность по планированию, проектированию, строительству, эксплуатации и техническому обслуживанию все чаще переводится в цифровую форму, а цифровые двойники построенных активов рассматриваются как логическое продолжение - на индивидуальном уровне. на уровне активов и на национальном уровне. В Великобритании в ноябре 2018 года, например, Центр цифрового строительства Великобритании опубликовал «Принципы Близнецов» , в которых излагаются принципы, которыми будет руководствоваться развитие «национального цифрового двойника».

Одним из первых примеров работы «цифрового близнеца» было достигнуто в 1996 году во время строительства Хитроу Экспресс объектов в аэропорту Хитроу «s Терминал 1 . Консультант Мотт Макдональд и пионер BIM Джонатан Ингрэм подключили датчики движения в перемычке и скважинах к цифровой объектной модели для отображения движений в модели. Был создан объект для цифровой заливки раствора для наблюдения за эффектами закачивания раствора в землю для стабилизации движения грунта.

Индустрия здравоохранения

Здравоохранение признано отраслью, в которой технология цифровых двойников подрывается. Концепция цифрового двойника в отрасли здравоохранения была первоначально предложена и впервые использована в прогнозировании продукта или оборудования. С помощью цифрового двойника жизнь может быть улучшена с точки зрения медицинского здоровья, спорта и образования за счет более основанного на данных подхода к здравоохранению. Доступность технологий позволяет создавать индивидуальные модели для пациентов, плавно настраиваемые на основе отслеживаемых параметров здоровья и образа жизни. В конечном итоге это может привести к виртуальному пациенту с подробным описанием состояния здоровья отдельного пациента, а не только в предыдущих записях. Кроме того, цифровой двойник позволяет сравнивать индивидуальные записи с данными генеральной совокупности, чтобы упростить поиск шаблонов с высокой детализацией. Самым большим преимуществом цифрового двойника для отрасли здравоохранения является тот факт, что здравоохранение можно адаптировать с учетом реакции отдельных пациентов. Цифровые близнецы не только улучшат разрешение при определении состояния здоровья отдельного пациента, но и изменят ожидаемое изображение здорового пациента. Раньше под «здоровым» понималось отсутствие признаков заболевания. Теперь «здоровых» пациентов можно сравнить с остальной частью населения, чтобы действительно определить здоровых. Однако появление цифрового двойника в здравоохранении также имеет некоторые недостатки. Цифровой двойник может привести к неравенству, поскольку технология может быть недоступна для всех, увеличивая разрыв между богатыми и бедными. Кроме того, цифровой двойник будет определять закономерности в популяции, которые могут привести к дискриминации.

Автомобильная промышленность

Автомобильная промышленность была улучшена за счет технологии цифровых двойников. Цифровые двойники в автомобильной промышленности реализуются с использованием существующих данных для упрощения процессов и снижения маржинальных затрат. В настоящее время конструкторы автомобилей расширяют существующую физическую материальность, внедряя цифровые возможности программного обеспечения. Конкретным примером технологии цифрового двойника в автомобильной промышленности является использование автомобильными инженерами технологии цифрового двойника в сочетании с аналитическим инструментом фирмы для анализа того, как управляется конкретный автомобиль. При этом они могут предложить включить в автомобиль новые функции, которые могут снизить количество дорожно-транспортных происшествий, что ранее было невозможно в такие короткие сроки.

Характеристики технологии цифровых двойников

Цифровые технологии обладают определенными характеристиками, которые отличают их от других технологий. Эти характеристики, в свою очередь, имеют определенные последствия. Цифровые двойники обладают следующими характеристиками.

Связь

Одной из основных характеристик технологии цифровых двойников является возможность подключения. Недавнее развитие Интернета вещей (IoT) привело к появлению множества новых технологий. Развитие Интернета вещей также способствует развитию технологии цифровых двойников. Эта технология демонстрирует множество характеристик, которые имеют сходство с характером Интернета вещей, а именно его соединительную природу. Прежде всего, технология обеспечивает связь между физическим компонентом и его цифровым аналогом. В основе цифровых двойников лежит эта связь, без нее технологии цифровых двойников не существовало бы. Как описано в предыдущем разделе, эта связь создается датчиками на физическом продукте, которые получают данные, интегрируют и передают эти данные с помощью различных технологий интеграции. Технология цифровых двойников обеспечивает более тесную связь между организациями, продуктами и клиентами. Например, связь между партнерами в цепочке поставок может быть увеличена за счет предоставления участникам этой цепочки поставок возможности проверять цифрового двойника продукта или актива. Затем эти партнеры могут проверить статус этого продукта, просто проверив цифрового двойника.

Кроме того, связь с клиентами может быть увеличена.

Сервитизация - это процесс, в котором организации повышают ценность своих основных корпоративных предложений с помощью услуг. В случае с двигателями производство двигателя является основным предложением этой организации, а затем они повышают ценность, предоставляя услуги по проверке двигателя и предлагая техническое обслуживание.

Гомогенизация

Цифровых двойников можно далее охарактеризовать как цифровую технологию, которая является как следствием, так и средством гомогенизации данных. В связи с тем, что теперь любой тип информации или контента может храниться и передаваться в одной и той же цифровой форме, его можно использовать для создания виртуального представления продукта (в виде цифрового двойника), тем самым отделяя информацию от его физическая форма. Таким образом, гомогенизация данных и отделение информации от физического артефакта позволило появиться цифровым двойникам. Однако цифровые двойники также позволяют хранить в цифровом виде все больше информации о физических продуктах и ​​не связаны с самим продуктом.

Поскольку данные все чаще оцифровываются, их можно передавать, хранить и вычислять быстрыми и недорогими способами. Согласно закону Мура , вычислительная мощность будет продолжать расти экспоненциально в ближайшие годы, в то время как стоимость вычислений значительно снизится. Таким образом, это приведет к снижению предельных затрат на разработку цифровых двойников и сравнительно удешевит тестирование, прогнозирование и решение проблем на виртуальных представлениях, а не тестирование на физических моделях и ожидание выхода физических продуктов из строя перед вмешательством.

Еще одно следствие гомогенизации и разделения информации - сходство пользовательского опыта. Поскольку информация от физических объектов оцифровывается, один артефакт может иметь несколько новых возможностей. Технология цифровых двойников позволяет передавать подробную информацию о физическом объекте большему количеству агентов, не ограниченных физическим местоположением или временем. В своем официальном документе о технологии цифровых двойников в обрабатывающей промышленности Майкл Гривс отметил следующее о последствиях гомогенизации, обеспечиваемой цифровыми двойниками:

Раньше у руководителей заводов был офис с видом на завод, чтобы они могли почувствовать, что происходит на заводе. С цифровым двойником не только руководитель фабрики, но и все, кто связан с производством фабрики, могут иметь то же самое виртуальное окно не только на одну фабрику, но и на все фабрики по всему миру. (Горюет, 2014, с. 5)

Перепрограммируемый и умный

Как указано выше, цифровой двойник позволяет определенным образом перепрограммировать физический продукт. Кроме того, цифровой двойник также можно перепрограммировать автоматически. Благодаря датчикам на физическом продукте, технологиям искусственного интеллекта и прогнозной аналитике , следствием такого перепрограммируемого характера является появление функциональных возможностей. Если мы снова возьмем пример движка, цифровых двойников можно будет использовать для сбора данных о производительности движка и, при необходимости, настройки движка, создавая более новую версию продукта. Кроме того, сервитизация также может рассматриваться как следствие перепрограммируемости. Производители могут нести ответственность за наблюдение за цифровым двойником, внесение корректировок или перепрограммирование цифрового двойника, когда это необходимо, и они могут предложить это в качестве дополнительной услуги.

Цифровые следы

Другой характерной чертой, которую можно наблюдать, является тот факт, что технологии цифровых двойников оставляют цифровые следы. Эти следы могут быть использованы инженерами, например, при выходе из строя машины, чтобы вернуться и проверить следы цифрового двойника, чтобы диагностировать, где возникла проблема. Эти диагностические данные могут в будущем также использоваться производителем этих машин для улучшения их конструкции, чтобы такие же неисправности в будущем возникали реже.

Модульность

В контексте обрабатывающей промышленности модульность можно описать как проектирование и настройку продуктов и производственных модулей. Добавляя модульность к производственным моделям, производители получают возможность настраивать модели и машины. Технология цифрового двойника позволяет производителям отслеживать используемые машины и замечать возможные области улучшения машин. Когда эти машины сделаны модульными, с использованием технологии цифрового двойника, производители могут видеть, какие компоненты ухудшают работу машины, и заменять их более подходящими компонентами для улучшения производственного процесса.

Связанные технологии

внешние ссылки

  • Двойник цифрового управления и цепочка поставок [1]
  • IEEE - Цифровой двойник: благоприятные технологии, проблемы и открытые исследования [2]
  • ISO / DIS 23247-1 Системы автоматизации и интеграция - Структура цифрового двойника для производства - Часть 1: Обзор и общие принципы [3]

использованная литература