Сегодня в связи со всеобщей цифровизацией все чаще встречается термин «цифровой двойник». Сама концепция виртуального представления физического объекта используется уже не одно десятилетие. Однако за последние несколько лет развитие информационных технологий резко изменило ситуацию. «Цифровой двойник» не только превратился в один из ведущих трендов промышленности, но и находит применение в повседневной жизни.
Разбираемся, как применима эта технология на производстве и в медицине и сможет ли «цифровой близнец» предсказывать будущие болезни.
Концепцию цифровых двойников впервые представил публике в 2002 году Майкл Гривз, профессор Мичиганского университета. В своем докладе, посвященном управлению жизненным циклом продукта (PLM), он рассказал о возможностях, открывающихся при создании виртуального пространства, которое дублировало бы реальное пространство и обменивалось с ним информацией. Через год ученый опубликовал статью «Цифровые двойники: превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода». После этого термин «цифровой двойник» (англ. Digital Twin) прочно вошел в обиход и с каждым годом получает новое наполнение.
Итак, базовая концепция не сложна для понимания: цифровой двойник – это цифровая копия физического объекта или процесса. В принципе, сама идея не так нова, как кажется. Цифровые модели для производства новых изделий на предприятиях используются достаточно давно. Но раньше в большинстве случаев после получения готового продукта виртуальную модель отправляли в архив. В концепции «цифрового двойника» виртуальная модель не отбрасывается после создания изделия, а используется в связке со своим физическим двойником на протяжении всего жизненного цикла: на этапах тестирования, доработки, эксплуатации и утилизации.
Цифровой двойник – это обучаемая система, состоящая из комплекса математических моделей разного уровня сложности, уточняемая по результатам натурных экспериментов, позволяющая получить первый натурный образец изделия, соответствующий требованиям технического задания, а также предсказывающая его поведение на всем жизненном цикле.
Таким образом, важное свойство цифрового двойника заключается в том, что он должен быть постоянно обновляемым представлением реального физического продукта или процесса. Цифровой двойник – это динамическая, а не статическая модель реального объекта. При эксплуатации физического изделия информация с его датчиков, отчеты от пользователей и другие данные непрерывно передаются цифровому двойнику. Ответом из виртуального пространства в реальное становятся различные прогнозы и оценки, которые могут использоваться для улучшения работы и обслуживания реального объекта.
Вплоть до недавнего времени осуществить такое было сложно, но прорыв в развитии цифровых технологий (появление интернета вещей, сетей 5G, облачных вычислений) изменил ситуацию. Сегодня цифровые двойники – один из ведущих трендов технологического развития.
У цифрового двойника есть несколько видов, которые делятся по сфере применения:
1. Digital Twin Prototype – первый цифровой двойник в истории. В 1970-х он использовался компанией NASA для проектирования миссии Apollo 13. Он был создан для того, чтобы проверить, как будущий объект поведет себя в физическом мире. В дальнейшем, инженеры NASA обнаружили, что этот же двойник можно использовать для контроля уже существующего оборудования и предсказания что с ним произойдет. Однако, так как условия космоса в то время были плохо изученными, потребовалось создать постоянную связь в реальном времени между оборудованием и двойником, чтобы снимать реальные показания с датчиков. Это и привело к современным цифровым двойникам и их следующему типу.
2. Digital Twin Instance – цифровой двойник экземпляра. Фактически, это сбор информации с датчиков, установленных на оборудовании, и получение копии работающей единицы в системе. Это позволяет автоматически отслеживать и прогнозировать поведение этого оборудования, предсказывать аварийные остановы и создавать симуляции режимов работы.
3. Digital Twin Aggregate – модель серии оборудования. Это двойник существующего оборудования, которая в первую очередь применяется для обучения персонала и оптимизации процессов ТОиР. С такой моделью специалисту не нужно читать мануалы по эксплуатации оборудования, а можно сразу практиковаться и смотреть результаты действий на виртуальной модели.
Сегодня появляются новые виды двойников: некоторые из них кажутся фантастикой, а некоторые уже создаются и внедряются.
1. Цифровой двойник процесса
Двойник производственного процесса дает понимание того, какого качества продукт получается в конце. Если речь идет о более сложном явлении в компании, то в результате мы можем узнать результаты наших действий. Особенно это касается масштабных процессов, в которые сложно вносить изменения.
2. Цифровой двойник целой компании
Все процессы вместе взятые составят двойник компании. Это позволяет рассматривать общую картину и принимать решения на основе фактических данных.
3. Цифровой двойник изделия
Крыло самолета, винт и другие составные части, перенесенные в цифровую плоскость, можно испытывать и тестировать бесконечно. Для этого вида цифрового двойника требуется очень четкое физическое моделирование, поскольку каждое изделие создается в новых индивидуальных условиях.
Если такая модель станет реальность, то можно будет убрать контроль качества, специальные стенды и бесконечные испытания. Также, мы будем получать больше информации о том, какого качества изготовленные нами продукты. Это, также, решит проблемы крупных отраслей: построение ракет, самолетов и т.д.
В целом цифровые двойники в промышленности уже приносят свою пользу. Например, цифровые двойники оборудования и предиктивная аналитика приводят к сокращению его простоев до 12%, при проектировании цифровые двойники снижают затраты времени на процесс до 30%, а скорость обучения персонала с применением технологии цифровых двойников увеличивается на 50%. В результате предприятия, использующие данную инновацию, быстрее адаптируются к стремительно меняющимся трендам и событиям, повышают производительность и начинают эффективнее управлять ресурсами, что напрямую влияет на их конкурентоспособность.
Цифровые двойники, бесспорно, стали очень полезным инструментом для промышленных компаний. И статистика это подтверждает. К 2021 году половина всех крупных промышленных компаний, по прогнозу консалтинговой компании Gartner, будет использовать цифровых двойников. Deloitte прогнозирует, что к 2023 году мировой рынок цифровых двойников достигнет 16 млрд долларов.
«Цифровые двойники способны значительно усилить способность предприятий принимать проактивные решения на базе данных, повысить эффективность их деятельности и избавить от потенциальных проблем. Они также могут предоставить возможность безопасным и экономным образом прорабатывать сценарии «что если», то есть, по сути дела, экспериментировать с будущим», – говорится в отчете Deloitte.
Эксперты предсказывают, что пользоваться цифровым двойником можно будет и в повседневной жизни. Например, автовладелец сможет просто навести мобильный телефон на машину и получить данные об уровне масла в двигателе, информацию о работе систем автомобиля или о сроках очередного техобслуживания.
Будет ли цифровой двойник иметь отношение только к технике или реально станет ближе к человеку? Специалисты утверждают, что цифровые двойники способны улучшить качество и продлить человеческую жизнь.
Сегодня ученые уже ведут работы по созданию цифровой копии человека. Такой «близнец» сможет контролировать физическое состояние пациента, предсказывать заболевания и предупреждать риски их развития, позволит сделать лечение для каждого человека индивидуальным. В перспективе применение таких виртуальных моделей человеческого организма или органов позволит врачам в онлайн-режиме отслеживать данные о здоровье пациентов.
Технология цифровых двойников находит применение и в городской среде. Сегодня многие города обзаводятся своими цифровыми двойниками. Одними из первых были Сингапур, французский Ренн и индийский Джайпур. Виртуальная копия всех физических объектов города позволяет управлять им удаленно, а также решать городские проблемы. Например, в Сингапуре основная задача, которая решается с помощью цифровых двойников, – это управление водой. Для этого были оцифрованы все системы водоснабжения, контроля за количеством воды, счетчики и так далее.
Цифровой двойник города – это такая сложная комплексная вещь, которая будет внедряться этапами. Для начала нужно будет выбрать ту городскую проблему, которую необходимо решить, которую невозможно решить традиционными способами. Первым этапом начинает формироваться двойник. Двойник начинает собирать информацию об объекте, накапливать эту информацию. Дальше к цифровому двойнику прибавляется интеллект, прибавляются различные сервисы, и он растет, развивается до целевой модели, когда он уже полностью повторяет физический объект, и на его основе уже можно производить анализ, мониторинг и управление.
Технология цифровых двойников уже широко применяется в промышленности, но она не менее важна для производителей. Рассмотрим преимущества использования цифровой модели двойников и факторы, на которые следует обратить внимание перед ее внедрением.
Преимущества использования цифровых двойников
1. Оперативная оценка рисков и времени производства
С помощью цифрового двойника компании могут контролировать качество продукта еще до его появления в реальном мире. Так как цифровой двойник – это копия запланированного производственного процесса, специалисты могут так замечать любые сбои в процессе еще до того, как продукт поступит в производство. Благодаря цифровым двойникам можно увеличить интенсивность тестирования в 10 раз и на 85% сократить трудовые ресурсы, задействованные в процессах проектирования конструкций. В целом, инженеры могут перестраивать работу системы, генерируя неожиданные сценарии, изучая реакцию системы и создавая стратегии смягчения последствий. Таким образом, новая технология позволяет более качественно оценивать риски, ускорять разработку новых продуктов и повышать надежность производственных линий.
2. Предиктивное обслуживание
Поскольку IoT-датчики системы цифровых двойников генерируют большие данные в реальном времени, предприятия смогут анализировать внутреннюю статистику и заранее выявлять любые сбои в системе. Это позволяет компаниям перейти к предиктивному обслуживанию, вместе с этим повышая эффективность производственной линии и снижая эксплуатационные расходы.
3. Удаленный мониторинг в режиме реального времени
Если вы работаете с большой системой, проверить какой-то ее элемент прямо сейчас бывает просто невозможно. Однако, доступ к цифровому двойнику можно получить в любом месте, что позволяет пользователям удаленно следить за производительностью системы и контролировать ее.
4. Улучшение взаимодействия внутри команд
Автоматизация процессов и круглосуточный доступ к системной информации позволяет повысить производительность и эффективность работы. Так в команде разработчики могут больше уделять внимание созданию новых элементов, а не контролировать и перепроверять уже запущенные.
5. Усовершенствование процесса принятия финансовых решений
В виртуальной модели можно также указать стоимость материалов и трудозатраты. Благодаря этому компании могут принимать более быстрые и эффективные решения в финансовом плане: правильно ли рассчитывается стоимость, что может на нее повлиять и прочее. Также с помощью цифровых двойников можно избежать финансовых потерь вследствие снижения производительности.
Что нужно учесть перед внедрением цифровых двойников
1. Обновите протоколы безопасности данных
Согласно оценке Gartner, к 2023 году 75% цифровых двойников для OEM-продуктов, подключенных к IoT, будут использовать как минимум пять различных типов конечных точек интеграции. Объем данных, собранных с многочисленных конечных точек, огромен, и каждая из них потенциально уязвима. Поэтому прежде чем внедрять технологию цифровых двойников, компаниям необходимо проанализировать и обновить свои протоколы безопасности. Стоит обратить особенное внимание на: шифрование данных, права доступа, включая четкое определение ролей пользователей, принципы наименьших привилегий, устранение известных уязвимостей устройства, регулярные проверки безопасности.
2. Управляйте качеством данных
Цифровые модели-двойники используют данные, поступающие от тысяч удаленных датчиков через незащищенные соединения. Компании должны иметь возможность исключать нерелевантные данные и управлять пробелами в потоках данных.
3. Тренируйте свою команду
Компании должны убедиться, что их персонал обладает необходимыми навыками и инструментами для работы с цифровыми моделями-двойниками.
Новые технологии помогают компаниям снизить расходы, повысить производительность и эффективность работы, а также оптимизировать техническое обслуживание.
В частности, именно технология цифровых двойников в сочетании с инструментами машинного обучения и искусственного интеллекта позволяет этого достигнуть без вреда рабочим процессам. Нет необходимости останавливать линии, чтобы протестировать новый элемент. Поэтому для производителей продукции технология цифровых двойников важна и не только для улучшения эффективности, но и для более быстрого вывода продукта на рынок.
Чем полезны цифровые двойники? На них можно ставить любые эксперименты. При внесении каких-либо условий, двойник реагирует так же, как отреагировал бы на это настоящий физический объект. Поэтому можно оценить его возможности, проверить свои ожидания, проиграть несколько сценариев развития событий и выбрать самый оптимальный.
Однако, цифровой двойник требует огромных вложений. Даже для создания двойника объекта, полностью оснащенного датчиками, необходима большая междисциплинарная команда и колоссальные возможности для сбора и хранения больших данных. Такой цифровой двойник «в чистом виде» нужен только тем, кто хочет быть, как Железный Человек.
Малым и средним компаниям достаточно будет только цифровой модели или 3D-модели, которая в отличие от двойника, статична и не отражает состояние объекта в режиме реального времени. Или наоборот, детальное отражение текущего состояния объекта на довольно схематичном визуальном ряде.
В зависимости от решаемых задач, стоит сконцентрироваться на тех параметрах, которые действительно важны в модели. Например, в дизайне интерьера важнее посмотреть, как будут сочетаться цвета и текстуры материалов в одной комнате. А в обучении пилотов на симуляторе самолета важнее воссоздать возможные условия полета и технические особенности машины. Этот подход означает, что вы используете 20% усилий для того, чтобы добиться 80% результатов. За значительно меньшие деньги.
| 
