Digital Twin – Digital Twin: 3D vizualizace a digitální řízení dodavatelského řetězce

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

Termín „digitální vlákno“ byl poprvé použit ve zprávě pracovní skupiny USAF Global Science and Technology Vision Task Force „Global Horizons 2013“.

Termín digitální vlákno dále upřesnili Singh a Willcox na MIT v roce 2018 ve svém článku nazvaném Engineering with a Digital Thread. V tomto akademickém článku je pojem Digital Thread definován jako „architektura řízená daty, která spojuje informace z celého životního cyklu produktu a má být primární nebo autoritativní datovou a komunikační platformou pro produkty společnosti v jakémkoli okamžiku“.

V užším slova smyslu se digitální vlákno také používá k označení nejnižší úrovně návrhu a specifikace pro digitální reprezentaci fyzické položky. Digitální vlákno je kritickou schopností v modelovém systémovém inženýrství (MBSE) a základem pro digitální dvojče.

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

Smart Factory – Využití firemních konceptů v Německu – Obrázek: Xpert.Digital

Graf ukazuje výsledky průzkumu provedeného v roce 2017 mezi výkonnými řediteli německých průmyslových podniků o technologiích používaných v inteligentních továrnách dnes a v budoucnu. 23 procent dotázaných uvedlo, že v současné době používá digitální dvojče produktu ve své chytré továrně. 43 procent uvedlo, že v budoucnu plánuje používat digitální dvojče produktů.

To platí i pro autonomní interní logistiku: 17 % uvedlo, že ji v současnosti využívá (2017). 35 % plánuje implementaci do roku 2022.

Spotřebujte za pět let (2022)

• Optimalizace zdrojů s podporou dat – 77 %
• Integrované plánování – 61 %
• Optimalizace procesu a kvality založené na velkých datech – 65 %
• Modulární výrobní systémy / modulární výrobní aktiva – 36 %
• Továrna připojená k síti / továrna připojená k síti – 60 %
• Prediktivní údržba – 66 %
• Vizualizace/automatizace procesů / Vizualizace/automatizace procesů – 62 %
• Digitální dvojče produktu / 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 vnitropodniková logistika / Autonomní vnitropodniková logistika – 35 %
• Přenos výrobních parametrů – 32 %
• Plně autonomní digitální továrna – 11 %

Využití dnes (2017)

• Optimalizace zdrojů s podporou dat – 52 %
• Integrované plánování – 32 %
• Optimalizace procesu a kvality založené na velkých datech – 30 %
• Modulární výrobní systémy / modulární výrobní aktiva – 29 %
• Továrna připojená k síti / továrna připojená k síti – 29 %
• Prediktivní údržba – 28 %
• Vizualizace/automatizace procesů / Vizualizace/automatizace procesů – 28 %
• Digitální dvojče produktu / 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 vnitropodniková logistika / Autonomní vnitropodniková logistika – 17 %
• Přenos výrobních parametrů – 16 %
• Plně autonomní digitální továrna – 5 %

Byli dotazováni generální ředitelé německých průmyslových podniků. Tato otázka byla v průzkumu položena následovně: „Jak relevantní jsou následující pojmy pro vaši společnost?“ Zdroj neuvádí žádné informace o typu průzkumu nebo bodech nad 100 procent.

Příkladem toho, jak se digitální dvojčata používají k optimalizaci strojů, je údržba zařízení pro výrobu energie, jako jsou turbíny, proudové motory a lokomotivy.

Dalším příkladem digitálních dvojčat je použití 3D modelů k vytvoření digitálních společníků pro fyzické objekty. To umožňuje zobrazit stav skutečného fyzického objektu, což poskytuje způsob, jak promítnout fyzické objekty do digitálního světa. Když například senzory shromažďují data z připojeného zařízení, lze data senzoru použít k aktualizaci kopie stavu zařízení v reálném čase jako „digitální dvojče“. Termín „stín zařízení“ se také používá pro koncept digitálního dvojčete. 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 predikci pro optimalizaci výkonu a využití majetku. V této oblasti mohou být senzorická data kombinována s historickými daty, lidskými znalostmi a flotilovým a simulačním učením pro zlepšení výsledků předpovědí. Proto mohou komplexní platformy pro předpovídání a inteligentní údržbu využít digitální dvojčata k nalezení hlavní příčiny problémů a ke zvýšení produktivity.

Digitální dvojčata autonomních vozidel a jejich senzory zabudované do simulace provozu a životního prostředí byly také navrženy jako prostředek k překonání významných výzev při vývoji, testování a ověřování aplikací v automobilovém průmyslu, zejména pokud jsou odpovídající algoritmy založeny na přístupech založených na umělých zpravodajství, což vyžaduje rozsáhlé školení a ověřovací soubory dat.

Fyzické výrobní objekty jsou virtualizovány a reprezentovány jako modely digitálních dvojčat (avatarů), které jsou bezproblémové a těsně integrované ve fyzickém i kyberprostoru. Fyzické objekty a modely dvojčat vzájemně prospívají.

Dynamika na průmyslové úrovni

Digitální dvojče mění celý management životního cyklu produktu (PLM), od návrhu přes výrobu až po servis a provoz. V dnešní době je PLM velmi časově náročné z hlediska efektivity, výroby, inteligence, servisních fází a udržitelnosti v designu produktu. Digitální dvojče může spojit fyzický a virtuální prostor produktu. Digitální dvojče umožňuje společnostem vytvořit digitální stopu všech svých produktů, od návrhu po vývoj a v průběhu celého životního cyklu produktu. Obecně platí, že průmyslová odvětví, která působí ve výrobě, jsou vážně zasažena digitálními dvojčaty. Ve výrobním procesu je digitální dvojče virtuální replikou procesů v reálném čase v továrně. V celém fyzickém výrobním procesu jsou umístěny tisíce senzorů, které všechny shromažďují data z různých dimenzí, jako jsou: B. Podmínky prostředí, charakteristiky chování stroje a prováděná práce. Všechna tato data jsou nepřetržitě přenášena a shromažďována digitálním dvojčetem. Díky internetu věcí se digitální dvojčata stala dostupnější a mohla by určovat budoucnost výroby. Výhoda pro inženýry spočívá v reálném využití produktů, které jsou navrženy virtuálně digitálním dvojčetem. Pokročilé metody údržby a správy produktů a majetku jsou na dosah díky digitálnímu dvojčeti skutečné „věci“ s funkcemi v reálném čase.

Digitální dvojčata nabízejí velký obchodní potenciál, protože předpovídají budoucnost namísto analýzy minulosti výrobního procesu . Reprezentace reality vytvořená digitálními dvojčaty umožňuje výrobcům vyvíjet se směrem k obchodním praktikám ex-ante. Budoucnost výroby je založena na následujících 6 aspektech:

• škálovatelnost,
• modularita,
• flexibilita
• Autonomie,
• Konektivita
• a digitální dvojče.

S rostoucí digitalizací jednotlivých fází výrobního procesu se otevírají možnosti k dosažení vyšší produktivity. To začíná modularitou a vede k větší efektivitě ve výrobním systému. Autonomie navíc umožňuje výrobnímu systému efektivně a inteligentně reagovat na neočekávané události. Konečně, konektivita, stejně jako internet věcí, umožňuje uzavřít smyčku digitalizace tím, že umožňuje optimalizaci následujícího cyklu návrhu a propagace produktu pro vyšší výkon. To může vést k vyšší spokojenosti a loajalitě zákazníků, když produkty dokážou detekovat problém dříve, než skutečně selže. Vzhledem k tomu, že náklady na ukládání a zpracování dat stále klesají, rozšiřují se i možnosti využití digitálních dvojčat.

Digitální dvojče je zvláště důležité pro průmysl. Jeho existence a využití v procesech tvorby průmyslové hodnoty může být pro firmy rozhodující konkurenční výhodou. To platí zejména od začátku roku 2010, protože internet věcí umožnil vyrábět všechny druhy digitálně řízených a propojených produktů s integrovanými službami.

V průmyslu existují digitální dvojčata například pro produkty, výrobní systémy, procesy a služby. Mohou existovat i před skutečným dvojčetem, například jako designové modely budoucích produktů. A mohou být použity k analýze a vyhodnocení dat z používání skutečných dvojčat. Mají širokou škálu účelů a funkcí.

Jejich zvláštní hodnota pro průmysl vyplývá z uložení fyzických prototypů a možnosti simulace chování, funkčnosti a kvality skutečného dvojčete ve všech relevantních aspektech. Tuto hodnotu lze použít pro všechny části tvorby hodnoty v průběhu celého životního cyklu produktů, systémů a služeb.

Digitální dvojče má různé podoby. Může být například založen na behaviorálním modelu vývoje systému, 3D modelu nebo funkčním modelu, který co nejrealističtěji a nejkomplexněji zobrazuje mechanické, elektronické a další vlastnosti a výkonnostní charakteristiky skutečného dvojčete v průběhu modelování. založený design.

Různá digitální dvojčata mohou být vzájemně propojena a také umožňují rozsáhlou komunikaci a interakci se skutečnými dvojčaty. To je také označováno jako digitální vlákno, které prochází celým životním cyklem produktu a může zahrnovat další informace související s produktem. Společnost má největší užitek z takto konzistentního digitálního vlákna, které umožňuje optimalizaci napříč různými procesy tvorby hodnoty a využívání široké škály digitálních obchodních modelů pro nabízené produkty nebo služby.

Výrobní technologie je jen jednou z mnoha průmyslových oblastí použití. Digitální dvojčata mapují systémy v celém jejich životním cyklu (návrh, tvorba, provoz a recyklace). I během 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 oblasti dopravy a skladování mezinárodní logistické společnosti jako DHL a UPS neustále vyvíjejí nové aplikace pro digitální dvojče, jako je track and trace nebo inteligentní řízení skladů a celých přístavních zařízení. Výrobci softwaru jako SAP nebo Oracle rozšiřují své ERP systémy a nabízejí nová IT řešení jako digitální dodavatelské řetězce pro řízení dodavatelského řetězce.

Koncept digitálního dvojčete se stále více používá v řízení výroby, logistice a nákupu. To znamená, že tento koncept lze úzce propojit s metodami a prostředky řídicí techniky a regulační techniky.

Geografická digitální dvojčata se stala populární v praxi městského plánování kvůli rostoucímu zájmu o digitální technologie v hnutí chytrých měst. Tato digitální dvojčata jsou často navrhována ve formě interaktivních platforem pro zachycování a zobrazování 3D a 4D prostorových dat v reálném čase pro modelování městského prostředí (měst) a dat, která obsahují.

Vizualizační technologie, jako jsou systémy rozšířené reality (AR), se používají jako nástroje pro spolupráci při navrhování a plánování ve vybudovaném prostředí a k integraci datových zdrojů z vestavěných senzorů ve městech a služeb API za účelem vytvoření digitálních dvojčat. AR například umožňuje promítat mapy, budovy a data rozšířené reality na stolní desky, aby je mohli společně prohlížet odborníci ve stavebnictví.

Ve stavebnictví se činnosti plánování, projektování, výstavby, provozu a údržby stále více digitalizují – mimo jiné zaváděním procesů BIM (Building Information Modeling) – a digitální dvojčata budov jsou považována za logické rozšíření – a to jak na úrovni jednotlivých budov i na národní úrovni. Například ve Spojeném království Center for Digital Built Britain zveřejnilo v listopadu 2018 Gemini Principles, které stanoví zásady pro rozvoj „národního digitálního dvojčete“.

Jeden z prvních příkladů fungujícího „digitálního dvojčete“ byl realizován v roce 1996 při výstavbě zařízení Heathrow Express na Terminálu 1 na letišti Heathrow. Konzultant Mott MacDonald a průkopník BIM Jonathan Ingram připojili pohybová čidla v koferdamu a vrtech k digitálnímu modelu objektu, aby zobrazovali pohyb v modelu. Byl vytvořen digitální injekční objekt pro sledování účinků čerpání malty do země za účelem stabilizace pohybů země.

Zdravotnictví je považováno za průmysl, který je transformován technologií digitálního dvojčete. Koncept digitálního dvojčete ve zdravotnickém průmyslu byl původně navržen a poprvé použit pro prognózy produktů nebo zařízení. Digitální dvojče může zlepšit životy v oblasti medicíny, sportu a vzdělávání tím, že ke zdravotní péči přijme více datový přístup. Dostupnost technologií umožňuje vytvářet pro pacienty personalizované modely, které lze průběžně upravovat na základě zaznamenaných parametrů zdraví a životního stylu. Výsledkem může být virtuální pacient, který podrobně popisuje zdravotní stav jednotlivého pacienta a nespoléhá se pouze na předchozí záznamy. Digitální dvojče navíc umožňuje porovnávat záznamy jednotlivce s populací, aby bylo snazší najít vzory na velké úrovni detailů. Největší výhodou digitálního dvojčete pro zdravotnictví je skutečnost, že zdravotní péči lze přizpůsobit individuálním reakcím pacientů. Digitální dvojčata povedou nejen k lepšímu rozlišení při definování zdraví jednotlivého pacienta, ale také změní očekávaný obraz zdravého pacienta. „Zdravý“ byl považován za nepřítomnost známek nemoci. Nyní lze „zdravé“ pacienty porovnat se zbytkem populace a definovat tak skutečně zdravé . Vznik digitálního dvojčete ve zdravotnictví však přináší i některé nevýhody. Digitální dvojče může vést k nerovnosti, protože technologie nemusí být dostupná pro každého, čímž se prohlubuje propast mezi bohatými a chudými. Digitální dvojče navíc identifikuje vzorce v populaci, které mohou vést k diskriminaci.

Myšlenka digitálního dvojčete se také stále více rozšiřuje v medicíně tím, že vytváří virtuální obraz pacienta pro simulaci lékařských aplikací. Lékař tak může před ošetřením řešit specifickou situaci daného pacienta a při chirurgických výkonech prefabrikovat a přesně zavádět vložky specifické pro pacienta (např. umělé klouby), což umožňuje lepší operační výsledek a rychlejší proces obnovy.

Automobilový průmysl byl zdokonalen technologií digitálního dvojčete. Digitální dvojčata v automobilovém průmyslu jsou implementována využitím existujících dat ke zjednodušení procesů a snížení mezních nákladů. Automobiloví designéři v současné době rozšiřují stávající fyzickou materiálnost začleněním digitálních funkcí založených na softwaru. Konkrétním příkladem technologie digitálního dvojčete v automobilovém průmyslu je to, že automobiloví inženýři používají technologii digitálního dvojčete v kombinaci s analytickým nástrojem společnosti k analýze toho, jak se konkrétní auto řídí. Mohou tak navrhovat zabudování nových prvků do vozu, které mohou snížit počet nehod na silnicích, což dříve v tak krátké době nebylo možné.

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

Konektivita

Jednou z klíčových vlastností technologie digitálního dvojčete je její konektivita. Nedávný rozvoj internetu věcí (IoT) přináší řadu nových technologií. Rozvoj internetu věcí také pokročil ve vývoji technologie digitálního dvojčete. Tato technologie má mnoho vlastností, které jsou v souladu s charakterem IoT, konkrétně jeho propojovacím charakterem. Technologie v první řadě umožňuje konektivitu mezi fyzickou komponentou a jejím digitálním protějškem. Základ digitálního dvojčete spočívá na tomto spojení, bez kterého by technologie digitálního dvojčete neexistovala. Jak je popsáno v předchozí části, této konektivity je dosaženo pomocí senzorů na fyzickém produktu, které shromažďují data a integrují a sdělují tato data prostřednictvím různých integračních technologií. Technologie digitálního dvojčete umožňuje zvýšenou konektivitu mezi společnostmi, produkty a zákazníky. Konektivitu mezi partnery v dodavatelském řetězci lze například zvýšit tím, že členům tohoto dodavatelského řetězce umožníte ověřit digitální dvojče produktu nebo aktiva. Tito partneři pak mohou kontrolovat stav tohoto produktu pouhým ovládáním digitálního dvojčete.

Zvýšit lze také konektivitu se zákazníky.

Servitizace je proces, kterým společnosti přidávají hodnotu ke své hlavní nabídce prostřednictvím služeb. V případě příkladu motoru je výroba motoru hlavní nabídkou této organizace, která pak přidává hodnotu tím, že poskytuje služby kontroly a údržby motoru.

Servitizace

Servitizace je inovace obchodního modelu, která je relevantní pro výrobní společnosti a týká se změny v dosavadním nabídkovém portfoliu od pouhého materiálního zboží ke kombinaci materiálního zboží a služeb. Odráží tak celkový ekonomický trend směrem ke společnosti služeb na úrovni společnosti.

Příklady servitizace existují již více než 100 let. Toto téma se však za posledních 20 let rychle stalo důležitějším, protože v důsledku globalizace v něm společnosti v zemích s vysokými mzdami, jako je Německo, vidí prostředek, jak se chránit před konkurencí ze zemí s nízkými mzdami. Ve vědě se servitizace etablovala jako nezávislé výzkumné téma na základě odborného článku Sandry Vandermerwe a Juana Rady.

Homogenizace

Digitální dvojčata lze charakterizovat jako digitální technologii, která je důsledkem a zároveň umožňuje homogenizaci dat. Vzhledem k tomu, že jakýkoli typ informace nebo obsahu lze nyní ukládat a přenášet ve stejné digitální podobě, je možné vytvořit virtuální reprezentaci produktu (ve formě digitálního dvojčete), čímž se informace oddělí od fyzické podoby. Homogenizace dat a oddělení informací od jejich fyzického artefaktu umožnilo vytvoření digitálních dvojčat. Digitální dvojčata také umožňují ukládat stále více informací o fyzických produktech digitálně a oddělovat je od samotného produktu.

Jak se data stále více digitalizují, lze je rychle a levně přenášet, ukládat a vypočítat. Podle Moorova zákona bude výpočetní výkon v příštích několika letech nadále exponenciálně narůstat, přičemž náklady na zpracování dat výrazně klesnou. To by tedy vedlo k nižším mezním nákladům na vývoj digitálních dvojčat a srovnatelně mnohem levnějším testování, předpovídání a řešení problémů pomocí virtuálních reprezentací namísto jejich testování na fyzických modelech a čekání, až se fyzické produkty rozbijí, než se pokusí zasáhnout.

Dalším důsledkem homogenizace a oddělení informací je konvergence uživatelské zkušenosti. Jak se informace z fyzických objektů digitalizují, jediný artefakt může nabídnout řadu nových možností. Technologie digitálního dvojčete umožňuje sdílet podrobné informace o fyzickém objektu s větším počtem agentů bez ohledu na místo nebo čas. Michael Grieves ve své bílé knize o technologii digitálních dvojčat ve výrobě uvádí následující o důsledcích homogenizace, kterou umožňují digitální dvojčata:

V minulosti měli manažeři továrny svou kancelář s výhledem na továrnu, aby měli přehled o tom, co se děje v továrně. S digitálním dvojčetem může mít nejen manažer továrny, ale každý, kdo se podílí na tovární výrobě, stejné virtuální okno nejen do jediné továrny, ale do všech továren po celém světě.

Přeprogramovatelné a inteligentní

Jak již bylo zmíněno, digitální dvojče umožňuje přeprogramování fyzického produktu specifickým způsobem. Digitální dvojče lze navíc automaticky přeprogramovat. S pomocí senzorů na fyzickém produktu, technologií umělé inteligence a prediktivní analýzy. Jedním z důsledků této přeprogramovatelnosti je vznik funkcí. Vezmeme-li opět příklad motoru, digitální dvojčata lze použít ke sběru dat o výkonu motoru a v případě potřeby motor upravit a vytvořit novější verzi produktu. Servitizaci lze také považovat za důsledek přeprogramovatelnosti. Výrobci mohou být odpovědní za sledování digitálního dvojčete, provádění úprav nebo přeprogramování digitálního dvojčete, pokud je to nutné, a mohou to nabízet jako doplňkovou službu.

Digitální stopy

Dalším rysem je fakt, že technologie digitálního dvojčete zanechávají digitální stopy. Tyto stopy mohou inženýři využít např. Například v případě poruchy stroje kontrola stop digitálního dvojčete za účelem diagnostiky, kde k problému došlo. Tuto diagnostiku mohou v budoucnu využít i výrobci těchto strojů pro vylepšení svých konstrukcí tak, aby se stejné poruchy v budoucnu vyskytovaly méně často.

Modularita

Z hlediska zpracovatelského průmyslu lze modularitu popsat jako návrh a přizpůsobení produktů a výrobních modulů. Přidání modularity do výrobních modelů dává výrobcům příležitost optimalizovat modely a stroje. Technologie digitálního dvojčete umožňuje výrobcům sledovat používané stroje a identifikovat možné oblasti zlepšení na strojích. Když jsou tyto stroje modulární, mohou výrobci pomocí technologie digitálního dvojčete identifikovat, které komponenty ovlivňují výkon stroje, a nahradit je lépe padnoucími komponenty, aby se zlepšil výrobní proces.