Digitální dvojče – 3D vizualizace a digitální řízení dodavatelského řetězce

Digitální vlákno je definováno jako „použití digitálních nástrojů a reprezentací pro návrh, hodnocení a řízení životního cyklu“.

Termín „digitální vlákno“ byl poprvé použit ve zprávě pracovní skupiny USAF pro globální vědu a technologickou vizi s názvem „Globální horizonty 2013“.

Termín Digitální vlákno dále upřesnili Singh a Willcox na MIT ve svém článku z roku 2018 s názvem „Inženýrství s digitálním vláknem“. V tomto akademickém článku je termín Digitální vlákno definován jako „architektura řízená daty, která propojuje informace z celého životního cyklu produktu a má sloužit jako primární nebo autoritativní datová a komunikační platforma pro produkty organizace v daném okamžiku.“

V užším smyslu se termín „digitální vlákno“ používá také k označení nejnižší úrovně návrhu a specifikace pro digitální reprezentaci fyzického objektu. Digitální vlákno je klíčovou funkcí v systémovém inženýrství založeném na modelech (MBSE) a základem pro digitální dvojče.

Termín digitální vlákno se také používá k popisu sledovatelnosti digitálního dvojčete k požadavkům, dílům a řídicím systémům, které tvoří fyzický objekt.

Chytrá továrna – Využití konceptů relevantních pro podnikání v Německu – Obrázek: Xpert.Digital

Graf znázorňuje výsledky průzkumu mezi generálními řediteli německých průmyslových společností z roku 2017 týkajícího se technologií používaných v chytrých továrnách dnes a v budoucnu. 23 procent respondentů uvedlo, že v současné době ve své chytré továrně používají digitální dvojče svých produktů. 43 procent uvedlo, že digitální dvojče svých produktů plánuje používat i v budoucnu.

To platí i pro autonomní interní logistiku: 17 % uvedlo, že ji v současné době (2017) používá. 35 % ji plánuje zavést do roku 2022.

Využití za pět let (2022)

• Optimalizace zdrojů založená na datech – 77 %
• Integrované plánování – 61 %
• Optimalizace procesů a kvality řízená velkými daty – 65 %
• Modulární výrobní aktiva – 36 %
• Propojená továrna / Propojená továrna – 60 %
• Prediktivní údržba – 66 %
• Vizualizace/automatizace procesů – 62 %
• Digitální dvojče produktu – 43 %
• Digitální dvojče továrny / Digitální dvojče továrny – 44 %
• Digitální dvojče výrobního závodu / Digitální dvojče výrobního aktiva – 39 %
• Flexibilní výrobní metody / Flexibilní výrobní metody – 34 %
• Autonomní logistika v rámci závodu – 35 %
• Přenos výrobních parametrů – 32 %
• Plně autonomní digitální továrna – 11 %

Využití dnes (2017)

• Optimalizace zdrojů založená na datech – 52 %
• Integrované plánování – 32 %
• Optimalizace procesů a kvality řízená velkými daty – 30 %
• Modulární výrobní aktiva – 29 %
• Propojená továrna / Propojená továrna – 29 %
• Prediktivní údržba – 28 %
• Vizualizace/automatizace procesů – 28 %
• Digitální dvojče produktu – 23 %
• Digitální dvojče továrny / Digitální dvojče továrny – 19 %
• Digitální dvojče výrobního závodu / Digitální dvojče výrobního aktiva – 18 %
• Flexibilní výrobní metody / Flexibilní výrobní metody – 18 %
• Autonomní logistika v rámci závodu – 17 %
• Přenos výrobních parametrů – 16 %
• Plně autonomní digitální továrna – 5 %

Dotazováni byli generální ředitelé německých průmyslových společností. Otázka zněla takto: „Jak relevantní jsou pro vaši společnost následující koncepty?“ Zdroj neposkytuje žádné informace o metodologii průzkumu ani o skóre přesahujícím 100 procent.

Jedním z příkladů, jak se digitální dvojčata používají k optimalizaci strojů, je údržba elektráren na výrobu energie, jako jsou turbíny, proudové motory a lokomotivy.

Dalším příkladem digitálních dvojčat je použití 3D modelů k vytváření digitálních doprovodných prvků pro fyzické objekty. To umožňuje zobrazení stavu skutečného fyzického objektu a poskytuje tak způsob, jak promítat fyzické objekty do digitálního světa. Pokud například senzory shromažďují data z připojeného zařízení, lze tato data použít k aktualizaci kopie stavu zařízení jako „digitálního dvojčete“ v reálném čase. Pro koncept digitálního dvojčete se také používá termín „stín zařízení“. Digitální dvojče má být aktuální a přesnou kopií vlastností a stavů fyzického objektu, včetně tvaru, polohy, gest, stavu a pohybu.

Digitální dvojče lze také použít pro monitorování, diagnostiku a prognózování s cílem optimalizovat výkon a využití aktiv. V této oblasti lze data ze senzorů kombinovat s historickými daty, lidskými znalostmi a učením z vozového parku a simulací za účelem zlepšení výsledků prognóz. Komplexní prognostické a inteligentní platformy pro údržbu proto mohou využít digitální dvojčata k identifikaci hlavní příčiny problémů a ke zvýšení produktivity.

Digitální dvojčata autonomních vozidel a jejich senzorů, zabudovaná do simulace dopravy a prostředí, byla také navržena jako prostředek k překonání významných výzev ve vývoji, testování a validaci aplikací v automobilovém průmyslu, zejména pokud jsou příslušné algoritmy založeny na přístupech umělé inteligence, které vyžadují rozsáhlé trénovací a validační datové sady.

Fyzicky vyrobené objekty jsou virtualizovány a reprezentovány jako digitální dvojčata (avatary), která jsou bezproblémově a těsně integrována do fyzického i kybernetického prostoru. Fyzické objekty a dvojčata vzájemně prospěšným způsobem interagují.

Dynamika na úrovni odvětví

Digitální dvojče transformuje celý proces řízení životního cyklu produktu (PLM), od návrhu a výroby až po servis a provoz. V současné době je PLM velmi časově náročné z hlediska efektivity, výroby, inteligence, servisních fází a udržitelnosti v designu produktu. Digitální dvojče dokáže sloučit fyzický a virtuální prostor produktu. Umožňuje společnostem vytvořit digitální stopu všech svých produktů, od návrhu a vývoje po celou dobu jejich životního cyklu. Obecně platí, že odvětví zabývající se výrobou jsou digitálními dvojčaty významně ovlivněna. Ve výrobním procesu je digitální dvojče virtuální replikou operací v reálném čase ve výrobní hale. V celém fyzickém výrobním procesu jsou umístěny tisíce senzorů, které shromažďují data z různých dimenzí, jako jsou podmínky prostředí, chování stroje a vykonaná práce. Všechna tato data jsou digitálním dvojčetem nepřetržitě přenášena a shromažďována. Díky internetu věcí (IoT) se digitální dvojčata stala dostupnějšími a mohla by utvářet budoucnost výrobního průmyslu. Jednou z výhod pro inženýry je reálné využití produktů navržených virtuálně pomocí digitálního dvojčete. Pokročilé metody údržby a řízení produktů a zařízení jsou stále dostupnější, protože je k dispozici digitální dvojče skutečné „věci“ s funkcemi pro práci v reálném čase.

Digitální dvojčata nabízejí významný obchodní potenciál, protože předpovídají budoucnost, spíše než aby analyzovala minulost výrobního procesu. Reprezentace reality vytvořená digitálními dvojčaty umožňuje výrobcům vyvíjet se směrem k ex-ante obchodním praktikám. Budoucnost výroby je založena na následujících šesti aspektech:

• Škálovatelnost,
• Modularita,
• flexibilita
• Autonomie,
• Konektivita
• a digitální dvojče.

S rostoucí digitalizací jednotlivých fází výrobního procesu se objevují příležitosti k dosažení vyšší produktivity. To začíná modularitou a vede k větší efektivitě výrobního systému. Autonomie navíc umožňuje výrobnímu systému efektivně a inteligentně reagovat na neočekávané události. A konečně, konektivita, jako je internet věcí, uzavírá cyklus digitalizace tím, že umožňuje optimalizaci následného cyklu návrhu a marketingu produktů pro vyšší výkon. To může vést k větší spokojenosti a loajalitě zákazníků, pokud produkty dokáží detekovat problém dříve, než skutečně selže. S tím, jak náklady na ukládání a zpracování dat nadále klesají, rozšiřují se i potenciální aplikace digitálních dvojčat.

Digitální dvojče má pro průmysl zvláštní význam. Jeho existence a využití v procesech tvorby průmyslové hodnoty může firmám poskytnout rozhodující konkurenční výhodu. To platí zejména od počátku roku 2010, kdy internet věcí (IoT) umožnil výrobu digitálně řízených a síťově propojených produktů všeho druhu spolu s integrovanými službami.

V průmyslu existují digitální dvojčata například pro produkty, výrobní zařízení, procesy a služby. Mohou existovat dokonce před fyzickým dvojčetem, například jako konstrukční modely budoucích produktů. A lze je použít k analýze a vyhodnocování dat z používání fyzických dvojčat. Slouží široké škále účelů a funkcí.

Jejich zvláštní hodnota pro průmysl pramení z eliminace fyzických prototypů a schopnosti simulovat chování, funkčnost a kvalitu reálného dvojčete v každém relevantním aspektu. Tuto hodnotu lze využít ve všech částech hodnotového řetězce v průběhu celého životního cyklu produktů, systémů a služeb.

Digitální dvojče má mnoho různých podob. Může být například založeno na behaviorálním modelu vývoje systému, 3D modelu nebo funkčním modelu, který realisticky a komplexně zobrazuje mechanické, elektronické a další vlastnosti a výkonnostní charakteristiky skutečného dvojčete během procesu návrhu založeného na modelu.

Různá digitální dvojčata lze propojit a zároveň umožnit rozsáhlou komunikaci a interakci s jejich fyzickými protějšky. Tomu se také říká digitální vlákno, které prochází celým životním cyklem produktu a může zahrnovat další informace relevantní pro produkt. Největší užitek společnost získává z takového nepřetržitého digitálního vlákna, které umožňuje optimalizaci napříč různými procesy tvorby hodnoty a využití široké škály digitálních obchodních modelů pro nabízené produkty nebo služby.

Výrobní inženýrství je jen jednou z mnoha průmyslových aplikací. Digitální dvojčata mapují systémy v celém jejich životním cyklu (návrh, konstrukce, provoz a recyklace). I během fáze plánování mohou inženýři používat simulační modely k optimalizaci procesů. Jakmile je systém v provozu, lze stejné simulační modely použít k další optimalizaci procesů a transformaci výroby.

V odvětví dopravy a skladování mezinárodní logistické společnosti jako DHL a UPS neustále vyvíjejí nové aplikace pro digitální dvojčata, jako je sledování zásilek nebo inteligentní řízení skladů a celých přístavních zařízení. Výrobci softwaru jako SAP a Oracle rozšiřují své ERP systémy a nabízejí nová IT řešení jako digitální dodavatelské řetězce pro řízení dodavatelského řetězce.

Koncept digitálního dvojčete se stále častěji uplatňuje v řízení výroby, logistice a nákupu. To umožňuje úzce propojit tento koncept s metodami a nástroji řídicí techniky a automatizační techniky.

Geografická digitální dvojčata se stala populární v praxi urbanistického plánování díky rostoucímu zájmu o digitální technologie v rámci hnutí chytrých měst. Tato digitální dvojčata jsou často navrhována ve formě interaktivních platforem pro zachycení a vizualizaci 3D a 4D prostorových dat v reálném čase za účelem modelování městského prostředí (měst) a dat, která obsahuje.

Vizualizační technologie, jako jsou systémy rozšířené reality (AR), se používají jak jako nástroje pro spolupráci při navrhování a plánování v zastavěném prostředí, tak i pro integraci datových kanálů z integrovaných senzorů ve městech a služeb API pro vytváření digitálních dvojčat. AR například umožňuje promítání map, budov a dat s rozšířenou realitou na stoly pro společné prohlížení stavebními profesionály.

Ve stavebnictví se plánovací, projektovací, stavební, provozní a údržbářské činnosti stále více digitalizují – částečně díky zavádění procesů BIM (Building Information Modeling) – a digitální dvojčata budov jsou vnímána jako logické rozšíření – a to jak na úrovni jednotlivých budov, tak na národní úrovni. Například ve Spojeném království zveřejnilo Centrum pro digitálně postavenou Británii v listopadu 2018 dokument Gemini Principles, který nastiňuje zásady pro vývoj „národního digitálního dvojčete“.

Jeden z prvních příkladů funkčního „digitálního dvojčete“ byl implementován v roce 1996 během výstavby zařízení Heathrow Express v Terminálu 1 letiště Heathrow. Konzultant Mott MacDonald a průkopník BIM Jonathan Ingram propojili pohybové senzory v kesonu a vrtech s digitálním objektovým modelem, aby zobrazovali pohyb v modelu. Byl vytvořen digitální injektážní objekt pro sledování účinků čerpání malty do země za účelem stabilizace pohybů zeminy.

Zdravotnictví je považováno za odvětví, které transformuje technologie digitálních dvojčat. Koncept digitálních dvojčat ve zdravotnictví byl původně navržen a poprvé implementován pro prediktivní analýzu produktů nebo zařízení. Díky digitálnímu dvojčati lze zlepšit životy v medicíně, sportu a vzdělávání přijetím datově orientovaného přístupu ke zdravotní péči. Dostupnost technologií umožňuje vytvářet personalizované modely pacientů, které lze průběžně aktualizovat na základě shromážděných parametrů zdraví a životního stylu. To může v konečném důsledku vést k virtuálnímu pacientovi, který podrobně popisuje zdravotní stav jednotlivce, spíše než aby se spoléhal pouze na minulé záznamy. Digitální dvojče dále umožňuje porovnávat záznamy jednotlivce se záznamy populace, aby se snáze identifikovaly vzorce s vysokou mírou přesnosti. Největším přínosem digitálních dvojčat pro zdravotnictví je schopnost přizpůsobit zdravotní péči individuálním reakcím pacientů. Digitální dvojčata nejen povedou k přesnějším definicím zdraví jednotlivého pacienta, ale také změní vnímaný obraz zdravého pacienta. Dříve bylo „zdravé“ definováno jako absence jakýchkoli známek nemoci. Nyní lze „zdravé“ pacienty porovnávat se zbytkem populace, aby se definovalo skutečné zdraví. Nástup digitálních dvojčat ve zdravotnictví však s sebou přináší i určité nevýhody. Digitální dvojčata mohou vést k nerovnosti, protože technologie nemusí být dostupná pro každého a mohla by prohloubit propast mezi bohatými a chudými. Digitální dvojčata navíc odhalí vzorce v populaci, které by mohly vést k diskriminaci.

Koncept digitálního dvojčete získává na popularitě i v medicíně, kde se vytváří virtuální reprezentace pacienta pro simulaci lékařských zákroků. To umožňuje lékařům seznámit se s jeho specifickou situací před léčbou a při chirurgických operacích lze prefabrikovat a přesně zavést implantáty specifické pro pacienta (např. umělé klouby), což vede k lepším chirurgickým výsledkům a rychlejšímu zotavení.

Automobilový průmysl byl vylepšen technologií digitálních dvojčat. Digitální dvojčata v automobilovém průmyslu se implementují využitím stávajících dat ke zjednodušení procesů a snížení marginálních nákladů. V současné době automobiloví inženýři rozšiřují stávající fyzickou materiálnost začleněním softwarových digitálních funkcí. Konkrétním příkladem technologie digitálních dvojčat v automobilovém průmyslu je, že automobiloví inženýři používají technologii digitálních dvojčat v kombinaci s analytickými nástroji společnosti k analýze toho, jak je konkrétní vůz řízen. To jim umožňuje navrhovat nové funkce pro vůz, které mohou snížit počet nehod na silnicích, což bylo dříve nemožné dosáhnout v tak krátkém čase.

Digitální technologie mají určité vlastnosti, které je odlišují od ostatních technologií. Tyto vlastnosti mají zase specifické důsledky. Digitální dvojčata vykazují následující vlastnosti.

Konektivita

Jednou z klíčových vlastností technologie digitálních dvojčat je její konektivita. Nedávný rozvoj internetu věcí (IoT) vede ke vzniku řady nových technologií. Rozvoj IoT také pohání rozvoj technologie digitálních dvojčat. Tato technologie sdílí mnoho charakteristik s povahou IoT, konkrétně její konektivitu. Technologie v první řadě umožňuje propojení mezi fyzickou komponentou a jejím digitálním protějškem. Toto propojení tvoří základ digitálního dvojčete, bez kterého by technologie digitálních dvojčat neexistovala. Jak je popsáno v předchozí části, toto propojení je navázáno pomocí senzorů na fyzickém produktu, které shromažďují data a integrují a sdělují tato data prostřednictvím různých integračních technologií. Technologie digitálních dvojčat umožňuje vylepšené propojení mezi společnostmi, produkty a zákazníky. Například propojení mezi partnery v dodavatelském řetězci lze zvýšit tím, že se těmto partnerům umožní kontrolovat digitální dvojče produktu nebo aktiva. Tito partneři pak mohou ověřit stav daného produktu pouhým přístupem k digitálnímu dvojčeti.

Lze také zvýšit propojení se zákazníky.

Servitizace označuje proces, kterým společnosti zvyšují hodnotu své hlavní nabídky prostřednictvím služeb. V případě motorů je výroba motoru hlavní nabídkou této organizace, která následně poskytuje přidanou hodnotu nabídkou služeb v oblasti kontroly a údržby motoru.

Servitizace

Servitizace je inovace obchodního modelu relevantní pro výrobní společnosti, která se týká posunu v jejich stávajícím produktovém portfoliu od čistě hmotného zboží ke kombinaci zboží a služeb. Odráží tak celkový ekonomický trend směrem ke společnosti založené na službách na úrovni podniku.

Příklady servitizace existují již více než 100 let. Toto téma však v posledních zhruba 20 letech rychle nabylo na významu, protože v důsledku globalizace jej firmy ve státech s vysokými mzdami, jako je Německo, vnímají jako způsob, jak se chránit před konkurencí ze zemí s nízkými mzdami. V akademické sféře se servitizace etablovala jako samostatné výzkumné téma díky výzkumnému článku Sandry Vandermerwe a Juana Rady.

Homogenizace

Digitální dvojčata lze charakterizovat jako digitální technologii, která je důsledkem i prostředkem homogenizace dat. Vzhledem k tomu, že jakýkoli typ informací nebo obsahu lze nyní ukládat a přenášet ve stejné digitální formě, lze vytvořit virtuální reprezentaci produktu (ve formě digitálního dvojčete), čímž se oddělí informace od jejich fyzické formy. Homogenizace dat a oddělení informací od jejich fyzického artefaktu tak umožnily vznik digitálních dvojčat. Digitální dvojčata také umožňují digitálně ukládat stále větší množství informací o fyzických produktech a oddělovat je od samotného produktu.

S rostoucí digitalizací dat je možné je přenášet, ukládat a zpracovávat rychle a nákladově efektivně. Podle Mooreova zákona bude výpočetní výkon v nadcházejících letech dále exponenciálně růst, zatímco náklady na zpracování dat se výrazně sníží. To by proto vedlo k nižším mezním nákladům na vývoj digitálních dvojčat a značně by zlevnilo testování, predikci a řešení problémů pomocí virtuálních reprezentací, než jejich testování na fyzických modelech a čekání na rozpad fyzických produktů před provedením akcí.

Dalším důsledkem homogenizace a oddělení informací je konvergence uživatelské zkušenosti. Jak jsou informace z fyzických objektů digitalizovány, jeden artefakt může nabídnout množství nových možností. Technologie digitálních dvojčat umožňuje sdílení podrobných informací o fyzickém objektu s větším počtem agentů bez ohledu na místo nebo čas. Michael Grieves ve své bílé knize o technologii digitálních dvojčat ve výrobním průmyslu uvádí následující ohledně důsledků homogenizace umožněné digitálními dvojčaty:

V minulosti měli manažeři továren své kanceláře s výhledem na továrnu, což jim umožňovalo získat představu o tom, co se děje ve výrobní hale. Díky digitálnímu dvojčeti může mít nejen vedoucí továrny, ale všichni zapojení do výroby ve výrobě stejné virtuální okno nejen do jedné továrny, ale do všech továren po celém světě.

Přeprogramovatelné a inteligentní

Jak již bylo zmíněno, digitální dvojče umožňuje specifickým způsobem přeprogramovat fyzický produkt. Digitální dvojče lze navíc automaticky přeprogramovat pomocí senzorů na fyzickém produktu, technologií umělé inteligence a prediktivní analytiky. Jedním z důsledků této přeprogramovatelnosti je vznik nových funkcí. Vezměme si opět příklad motoru, digitální dvojčata lze použít ke sběru dat o jeho výkonu a v případě potřeby k jeho úpravě a vytvoření novější verze produktu. Servitaci lze také vnímat jako důsledek přeprogramovatelnosti. Výrobci mohou být zodpovědní za monitorování digitálního dvojčete, provádění úprav nebo přeprogramování podle potřeby a mohou to nabízet jako doplňkovou službu.

Digitální stopy

Další charakteristikou je skutečnost, že technologie digitálních dvojčat zanechávají digitální stopy. Tyto stopy mohou inženýři využít například ke kontrole historie digitálního dvojčete v případě poruchy stroje, aby diagnostikovali, kde problém vznikl. V budoucnu mohou tyto diagnózy využít i výrobci těchto strojů ke zlepšení svých konstrukcí, a tím ke snížení frekvence stejných poruch.

Modularita

V kontextu výrobního průmyslu lze modularitu popsat jako návrh a adaptaci produktů a výrobních modulů. Přidáním modularity do výrobních modelů získávají výrobci možnost optimalizovat modely a stroje. Technologie digitálních dvojčat umožňuje výrobcům sledovat používané stroje a identifikovat potenciální oblasti pro zlepšení. S modulárními stroji mohou výrobci pomocí technologie digitálních dvojčat identifikovat, které komponenty ovlivňují výkon stroje, a nahradit je vhodnějšími komponenty pro zlepšení výrobního procesu.