Дигитален близнак – 3D визуализация и дигитално управление на веригата за доставки

Дигиталната нишка се определя като „използване на дигитални инструменти и представяния за проектиране, оценка и управление на жизнения цикъл“.

Терминът „Цифрова нишка“ е използван за първи път в доклада на Работната група за глобална научна и технологична визия на ВВС на САЩ „Глобални хоризонти 2013“.

Терминът „Цифрова нишка“ е допълнително уточнен от Сингх и Уилкокс в MIT в тяхната статия от 2018 г., озаглавена „Инженеринг с цифрова нишка“. В тази академична статия терминът „Цифрова нишка“ е дефиниран като „архитектура, управлявана от данни, която свързва информация от целия жизнен цикъл на продукта и е предназначена да служи като основна или авторитетна платформа за данни и комуникация за продуктите на организацията във всеки един момент“

В по-тесен смисъл терминът „цифрова нишка“ се използва и за обозначаване на най-ниското ниво на проектиране и спецификация за цифрово представяне на физически обект. Цифровата нишка е ключова способност в системното инженерство, базирано на модели (MBSE), и основа за цифров близнак.

Терминът „Цифрова нишка“ се използва също за описание на проследимостта на цифровия близнак до изискванията, частите и системите за управление, които съставляват физическия обект.

Умна фабрика – Използване на бизнес-релевантни концепции в Германия – Изображение: Xpert.Digital

Графиката показва резултатите от проучване от 2017 г. сред управляващи директори на германски индустриални компании относно технологиите, използвани в интелигентните фабрики днес и в бъдеще. 23% от анкетираните заявяват, че в момента използват дигиталния близнак на продуктите си в своята интелигентна фабрика. 43% посочват, че планират да използват дигиталния близнак на продуктите си в бъдеще.

Това важи и за автономната вътрешна логистика: 17% заявяват, че в момента (2017 г.) я използват. 35% планират да я внедрят до 2022 г.

Употреба за пет години (2022 г.)

• Оптимизация на ресурсите, основана на данни – 77%
• Интегрирано планиране – 61%
• Оптимизация на процесите и качеството, основани на големи данни – 65%
• Модулни производствени активи – 36%
• Свързана фабрика / Свързана фабрика – 60%
• Прогнозна поддръжка – 66%
• Визуализация/автоматизация на процесите – 62%
• Дигитален близнак на продукта – 43%
• Дигитален близнак на фабриката / Дигитален близнак на фабриката – 44%
• Дигитален близнак на производственото предприятие / Дигитален близнак на производствения актив – 39%
• Гъвкави методи на производство / Гъвкави методи на производство – 34%
• Автономна вътрешнозаводска логистика – 35%
• Трансфер на производствени параметри – 32%
• Напълно автономна дигитална фабрика – 11%

Употреба днес (2017 г.)

• Оптимизация на ресурсите, основана на данни – 52%
• Интегрирано планиране – 32%
• Оптимизация на процесите и качеството, основани на големи данни – 30%
• Модулни производствени активи – 29%
• Свързана фабрика / Свързана фабрика – 29%
• Прогнозна поддръжка – 28%
• Визуализация/автоматизация на процесите – 28%
• Дигитален близнак на продукта – 23%
• Дигитален близнак на фабриката / Дигитален близнак на фабриката – 19%
• Дигитален близнак на производственото предприятие / Дигитален близнак на производствения актив – 18%
• Гъвкави методи на производство / Гъвкави методи на производство – 18%
• Автономна вътрешнозаводска логистика – 17%
• Трансфер на производствени параметри – 16%
• Напълно автономна дигитална фабрика – 5%

Бяха анкетирани управляващи директори на германски индустриални компании. Въпросът беше формулиран по следния начин: „Доколко следните понятия са релевантни за вашата компания?“ Източникът не предоставя информация за методологията на анкетата или за резултати над 100 процента.

Един пример за това как дигиталните близнаци се използват за оптимизиране на машините е поддръжката на инсталации за производство на енергия, като турбини, реактивни двигатели и локомотиви.

Друг пример за дигитални близнаци е използването на 3D модели за създаване на дигитални спътници за физически обекти. Това позволява показването на състоянието на действителния физически обект, предоставяйки начин за проектиране на физически обекти в дигиталния свят. Например, ако сензори събират данни от свързано устройство, данните от сензора могат да се използват за актуализиране на копие на състоянието на устройството като „дигитален близнак“ в реално време. Терминът „сянка на устройството“ също се използва за концепцията за дигитален близнак. Дигиталният близнак е предназначен да бъде актуално и точно копие на свойствата и състоянията на физическия обект, включително форма, позиция, жестове, състояние и движение.

Дигиталният близнак може да се използва и за мониторинг, диагностика и прогнозиране, за да се оптимизира производителността и използването на активите. В тази област данните от сензорите могат да се комбинират с исторически данни, човешки опит и обучение от автопарка и симулации, за да се подобрят резултатите от прогнозирането. Следователно, сложните платформи за прогнозиране и интелигентна поддръжка могат да използват дигиталните близнаци, за да идентифицират първопричината за проблемите и да подобрят производителността.

Цифровите близнаци на автономни превозни средства и техните сензори, вградени в симулация на трафика и околната среда, също са предложени като средство за преодоляване на значителните предизвикателства при разработването, тестването и валидирането на приложения в автомобилната индустрия, особено когато съответните алгоритми са базирани на подходи с изкуствен интелект, които изискват обширни набори от данни за обучение и валидиране.

Физически произведените обекти са виртуализирани и представени като дигитални модели близнаци (аватари), които са безпроблемно и тясно интегрирани както във физическото, така и в киберпространството. Физическите обекти и моделите близнаци взаимодействат по взаимноизгоден начин.

Динамика на индустриално ниво

Дигиталният близнак трансформира целия процес на управление на жизнения цикъл на продукта (PLM), от проектиране и производство до обслужване и експлоатация. В момента PLM е много времеемко по отношение на ефективност, производство, интелигентност, фази на обслужване и устойчивост в продуктовия дизайн. Дигиталният близнак може да обедини физическото и виртуалното пространство на даден продукт. Той позволява на компаниите да създадат дигитален отпечатък на всички свои продукти, от проектиране и разработка през целия им жизнен цикъл. Като цяло, индустриите, участващи в производството, са значително повлияни от дигиталните близнаци. В производствения процес дигиталният близнак е виртуално копие на операциите в реално време на фабричния етаж. Хиляди сензори са разположени в целия физически производствен процес, събирайки данни от различни измерения, като условия на околната среда, поведение на машините и извършена работа. Всички тези данни се предават и събират непрекъснато от дигиталния близнак. Благодарение на Интернет на нещата (IoT), дигиталните близнаци станаха по-достъпни и биха могли да оформят бъдещето на производствената индустрия. Едно предимство за инженерите е реалното използване на продукти, проектирани виртуално с помощта на дигиталния близнак. Усъвършенстваните методи за поддръжка и управление на продукти и инсталации стават все по-достъпни, тъй като е наличен дигитален двойник на истинското „нещо“ с възможности за работа в реално време.

Дигиталните близнаци предлагат значителен бизнес потенциал, защото те предсказват бъдещето, а не анализират миналото на производствения процес. Представянето на реалността, създадено от дигиталните близнаци, позволява на производителите да се развиват към ex-ante бизнес практики. Бъдещето на производството се основава на следните шест аспекта:

• Мащабируемост,
• Модулност,
• гъвкавост
• Автономия,
• Свързаност
• и дигитален близнак.

С нарастващата дигитализация на отделните фази на производствения процес възникват възможности за постигане на по-висока производителност. Това започва с модулността и води до по-голяма ефективност в производствената система. Освен това, автономността позволява на производствената система да реагира ефективно и интелигентно на неочаквани събития. И накрая, свързаността, като например Интернет на нещата, затваря цикъла на дигитализация, като позволява последващият цикъл на проектиране и маркетинг на продукти да бъде оптимизиран за по-висока производителност. Това може да доведе до по-голямо удовлетворение и лоялност на клиентите, ако продуктите могат да открият проблем, преди той действително да се повреди. Тъй като разходите за съхранение и обработка на данни продължават да намаляват, потенциалните приложения на цифровите близнаци също се разширяват.

Дигиталният близнак е от особено значение за индустрията. Неговото съществуване и използване в процесите на създаване на стойност в промишлеността може да осигури на компаниите решаващо конкурентно предимство. Това е особено вярно от началото на 2010-те години, когато Интернет на нещата (IoT) позволи производството на цифрово контролирани и мрежови продукти от всякакъв вид, заедно с интегрирани услуги.

В индустрията, дигиталните близнаци съществуват например за продукти, производствени съоръжения, процеси и услуги. Те могат да съществуват дори преди физическия близнак, като например дизайнерски модели на бъдещи продукти. И могат да се използват за анализ и оценка на данни от използването на физическите близнаци. Те обслужват голямо разнообразие от цели и функции.

Тяхната особена стойност за индустрията произтича от елиминирането на физически прототипи и възможността да се симулира поведението, функционалността и качеството на реалния близнак във всеки важен аспект. Тази стойност може да се използва за всички части от веригата за създаване на стойност през целия жизнен цикъл на продуктите, системите и услугите.

Дигиталният близнак приема много различни форми. Например, той може да се основава на поведенчески модел на разработката на системата, 3D модел или функционален модел, който реалистично и изчерпателно изобразява механичните, електронните и други свойства и характеристики на производителността на реалния близнак по време на процес на проектиране, базиран на модел.

Различните дигитални близнаци могат да бъдат свързани помежду си и също така да позволят обширна комуникация и взаимодействие с техните физически еквиваленти. Това се нарича още дигитална нишка, която преминава през целия жизнен цикъл на продукта и може да включва допълнителна информация, свързана с продукта. Една компания извлича най-голяма полза от такава непрекъсната дигитална нишка, която позволява оптимизация в различни процеси на създаване на стойност и използване на широк спектър от дигитални бизнес модели за предлагани продукти или услуги.

Производственото инженерство е само едно от многото индустриални приложения. Цифровите близнаци картографират системите през целия им жизнен цикъл (проектиране, строителство, експлоатация и рециклиране). Дори по време на фазата на планиране инженерите могат да използват симулационни модели за оптимизиране на процесите. След като системата заработи, същите симулационни модели могат да се използват за по-нататъшно оптимизиране на процесите и трансформиране на производството.

В транспортния и складовия сектор, международни логистични компании като DHL и UPS непрекъснато разработват нови приложения за дигитални близнаци, като например проследяване или интелигентно управление на складове и цели пристанищни съоръжения. Производители на софтуер като SAP и Oracle разширяват своите ERP системи и предлагат нови ИТ решения като дигитални вериги за доставки за управление на веригата за доставки.

Концепцията за дигитален близнак се прилага все по-често в производствения контрол, логистиката и снабдяването. Това позволява тясно свързване на концепцията с методите и инструментите на контролното инженерство и технологиите за автоматизация.

Географските дигитални близнаци станаха популярни в практиката на градското планиране поради нарастващия интерес към дигиталните технологии в рамките на движението за интелигентни градове. Тези дигитални близнаци често се предлагат под формата на интерактивни платформи за заснемане и визуализиране на 3D и 4D пространствени данни в реално време за моделиране на градска среда (градове) и данните, които те съдържат.

Технологиите за визуализация, като например системите с добавена реалност (AR), се използват както като инструменти за съвместна работа при проектиране и планиране в застроена среда, така и за интегриране на данни от вградени сензори в градовете и API услуги за създаване на цифрови близнаци. Например, AR позволява карти, сгради и данни с добавена реалност да се проектират върху плотове за съвместно гледане от строителни специалисти.

В строителната индустрия дейностите по планиране, проектиране, строителство, експлоатация и поддръжка стават все по-дигитализирани – отчасти чрез въвеждането на BIM (Building Information Modeling) процеси – и цифровите близнаци на сградите се разглеждат като логично продължение – както на ниво отделни сгради, така и на национално ниво. В Обединеното кралство например Центърът за дигитално построена Великобритания публикува Принципите на Gemini през ноември 2018 г., които очертават принципите за разработване на „национален дигитален близнак“.

Един от най-ранните примери за работещ „цифров близнак“ е внедрен през 1996 г. по време на строителството на съоръженията на Heathrow Express на Терминал 1 на летище Хийтроу. Консултантът Мот Макдоналд и пионерът на BIM Джонатан Инграм свързват сензори за движение в кесона и сондажите към цифровия обектен модел, за да покажат движението в него. Създаден е цифров инжекционен обект, за да се следят ефектите от изпомпването на фугиращ разтвор в земята за стабилизиране на движенията на почвата.

Здравеопазването се счита за индустрия, трансформирана от технологията на дигиталните близнаци. Концепцията за дигитални близнаци в здравеопазването първоначално е предложена и внедрена за първи път за прогнозен анализ на продукти или устройства. С дигитален близнак животът в медицината, спорта и образованието може да бъде подобрен чрез възприемане на подход към здравеопазването, основан на данни. Наличието на технологии позволява създаването на персонализирани модели на пациенти, които могат да се актуализират непрекъснато въз основа на събраните параметри за здравето и начина на живот. Това в крайна сметка може да доведе до виртуален пациент, който описва подробно здравословното състояние на индивида, вместо да се разчита единствено на минали записи. Освен това, дигиталният близнак позволява сравняване на записи на индивида с тези на населението, за да се идентифицират по-лесно модели с висока степен на точност. Най-голямото предимство на дигиталните близнаци за здравеопазването е възможността за адаптиране на здравеопазването към индивидуалните реакции на пациента. Дигиталните близнаци не само ще доведат до по-точни дефиниции за здравето на отделния пациент, но и ще променят възприемания образ на здрав пациент. Преди „здрав“ се определяше като липса на каквито и да е признаци на заболяване. Сега „здравите“ пациенти могат да бъдат сравнени с останалата част от населението, за да се определи истинското здраве. Появата на дигитални близнаци в здравеопазването обаче носи и някои недостатъци. Дигиталните близнаци могат да доведат до неравенство, тъй като технологията може да не е достъпна за всички и би могла да разшири разликата между богати и бедни. Освен това, дигиталните близнаци ще открият модели в рамките на дадено население, които биха могли да доведат до дискриминация.

Концепцията за дигитален близнак набира скорост и в медицината, където се създава виртуално представяне на пациент, за да се симулират медицински процедури. Това позволява на лекарите да се запознаят със специфичната ситуация на пациента преди лечението, а при хирургически операции, специфични за пациента импланти (напр. изкуствени стави) могат да бъдат предварително изработени и прецизно поставени, което води до подобрени хирургични резултати и по-бързо възстановяване.

Автомобилната индустрия е подобрена от технологията на цифровите близнаци. Цифровите близнаци в автомобилната индустрия се внедряват чрез използване на съществуващи данни за опростяване на процесите и намаляване на пределните разходи. В момента автомобилните инженери разширяват съществуващата физическа материалност чрез включване на софтуерно-базирани цифрови възможности. Конкретен пример за технологията на цифровите близнаци в автомобилната индустрия е, че автомобилните инженери използват технологията на цифровите близнаци в комбинация с аналитичните инструменти на компанията, за да анализират как се управлява даден автомобил. Това им позволява да предложат нови функции за автомобила, които могат да намалят броя на произшествията на пътя, нещо, което преди беше невъзможно да се постигне за толкова кратко време.

Цифровите технологии притежават определени характеристики, които ги отличават от другите технологии. Тези характеристики от своя страна имат специфични последици. Цифровите близнаци проявяват следните характеристики.

Свързаност

Една от ключовите характеристики на технологията за цифрови близнаци е нейната свързаност. Неотдавнашното развитие на Интернет на нещата (IoT) води до появата на множество нови технологии. Развитието на Интернет на нещата (IoT) също така стимулира развитието на технологията за цифрови близнаци. Тази технология споделя много характеристики с природата на IoT, а именно нейната свързаност. Основно, технологията позволява свързаност между физическия компонент и неговия дигитален еквивалент. Тази връзка формира основата на цифровия близнак, без който технологията за цифрови близнаци не би съществувала. Както е описано в предишния раздел, тази свързаност се установява чрез сензори на физическия продукт, които събират данни, интегрират ги и ги предават чрез различни технологии за интеграция. Технологията за цифрови близнаци позволява подобрена свързаност между компании, продукти и клиенти. Например, свързаността между партньори във веригата за доставки може да се увеличи, като се даде възможност на тези партньори да проверят цифровия близнак на продукт или актив. След това тези партньори могат да проверят състоянието на този продукт, просто като получат достъп до цифровия близнак.

Свързаността с клиентите също може да се подобри.

Сервитизацията се отнася до процеса, чрез който компаниите добавят стойност към основното си предлагане чрез услуги. В случая с двигателите, производството на двигателя е основното предлагане на тази организация, която след това осигурява добавена стойност чрез предлагане на услуга за проверка и поддръжка на двигатели.

Сервитизация

Сервитизацията е иновация в бизнес модела, свързана с производствените компании, отнасяща се до изместването на съществуващото им продуктово портфолио от изцяло материални стоки към комбинация от стоки и услуги. По този начин тя отразява общата икономическа тенденция към общество, основано на услуги, на ниво компания.

Примери за сервитизация съществуват от над 100 години. Темата обаче бързо придоби значение през последните 20 години, тъй като поради глобализацията компаниите в страни с високи заплати като Германия я виждат като начин да се защитят от конкуренцията от страни с ниски заплати. В академичните среди сервитизацията се утвърди като самостоятелна изследователска тема благодарение на изследователска статия на Сандра Вандермерве и Хуан Рада.

Хомогенизация

Дигиталните близнаци могат да се характеризират като дигитална технология, която е едновременно следствие и средство за хомогенизиране на данните. Тъй като всякакъв вид информация или съдържание вече може да се съхранява и предава в една и съща дигитална форма, може да се създаде виртуално представяне на продукта (под формата на дигитален близнак), като по този начин се отделя информацията от физическата ѝ форма. Хомогенизирането на данните и отделянето на информацията от физическия ѝ артефакт позволиха появата на дигитални близнаци. Дигиталните близнаци също така правят възможно дигиталното съхранение на нарастващи количества информация за физически продукти и отделянето ѝ от самия продукт.

С нарастващата дигитализация на данните, те могат да се прехвърлят, съхраняват и обработват бързо и рентабилно. Според закона на Мур, изчислителната мощност ще продължи да се увеличава експоненциално през следващите години, докато разходите за обработка на данни ще намалеят значително. Това би довело до по-ниски пределни разходи за разработване на цифрови близнаци и би направило сравнително много по-евтино тестването, прогнозирането и решаването на проблеми с помощта на виртуални представяния, вместо да се тестват върху физически модели и да се чака физическите продукти да се повредят, преди да се предприемат действия.

Друго следствие от хомогенизирането и разделянето на информацията е конвергенцията на потребителското изживяване. С дигитализирането на информацията от физически обекти, един-единствен артефакт може да предложи множество нови възможности. Технологията на цифровите близнаци позволява споделянето на подробна информация за физически обект с по-голям брой агенти, независимо от местоположението или времето. В своята бяла книга за технологията на цифровите близнаци в производствената индустрия, Майкъл Грийвс отбелязва следното относно последствията от хомогенизацията, осигурена от цифровите близнаци:

В миналото офисите на управителите на фабрики бяха с изглед към фабриката, което им позволяваше да добият представа какво се случва в производствения цех. С дигиталния близнак не само управителят на фабриката, но и всички, участващи във фабричното производство, могат да имат един и същ виртуален прозорец не само към една фабрика, а към всички фабрики по света.

Препрограмируем и интелигентен

Както бе споменато по-рано, дигиталният близнак позволява физическият продукт да бъде препрограмиран по специфичен начин. Освен това, дигиталният близнак може да се препрограмира автоматично, използвайки сензори на физическия продукт, технологии за изкуствен интелект и прогнозен анализ. Едно от последствията от тази препрограмируемост е появата на нови функционалности. Вземайки отново пример с двигателя, дигиталните близнаци могат да се използват за събиране на данни за работата на двигателя и, ако е необходимо, за регулиране на двигателя и създаване на по-нова версия на продукта. Сервитацията също може да се разглежда като следствие от препрограмируемостта. Производителите могат да бъдат отговорни за наблюдението на дигиталния близнак, за извършване на корекции или препрограмирането му, ако е необходимо, и могат да предлагат това като допълнителна услуга.

Цифрови следи

Друга характеристика е фактът, че технологиите за цифрови близнаци оставят цифрови следи. Тези следи могат да бъдат използвани от инженери, например, за да проверят историята на цифровия близнак в случай на неизправност в машината, за да диагностицират откъде е възникнал проблемът. В бъдеще тези диагнози могат да бъдат използвани и от производителите на тези машини за подобряване на техните проекти, като по този начин се намали честотата на същите неизправности.

Модулност

В контекста на производствената индустрия, модулността може да се опише като проектиране и адаптиране на продукти и производствени модули. Чрез добавяне на модулност към производствените модели, производителите получават възможността да оптимизират моделите и машините. Технологията на цифровите близнаци позволява на производителите да проследяват използваните машини и да идентифицират потенциални области за подобрение. С модулните машини производителите могат да използват технологията на цифровите близнаци, за да идентифицират кои компоненти влияят върху производителността на машините и да ги заменят с по-подходящи компоненти, за да подобрят производствения процес.