Digital Twin – 3D-visualisering og digital forsyningskædestyring

Digital tråd defineres som "brugen af ​​digitale værktøjer og repræsentationer til design, evaluering og livscyklusstyring".

Udtrykket "digital tråd" blev første gang brugt i USAF Global Science and Technology Vision Task Force-rapporten "Global Horizons 2013".

Begrebet Digital Thread blev yderligere forfinet af Singh og Willcox på MIT i deres artikel fra 2018 med titlen "Engineering with a Digital Thread". I denne akademiske artikel defineres udtrykket Digital Thread som "en datadrevet arkitektur, der forbinder information fra hele produktets livscyklus og er beregnet til at fungere som den primære eller autoritative data- og kommunikationsplatform for en organisations produkter på ethvert givet tidspunkt"

I en snævrere forstand bruges udtrykket "digital tråd" også til at henvise til det laveste design- og specifikationsniveau for en digital repræsentation af et fysisk objekt. Den digitale tråd er en afgørende funktion inden for modelbaseret systemteknik (MBSE) og fundamentet for en digital tvilling.

Begrebet digital tråd bruges også til at beskrive sporbarheden af ​​den digitale tvilling til de krav, dele og kontrolsystemer, der udgør det fysiske objekt.

Smart Factory – Brug af forretningsrelevante koncepter i Tyskland – Billede: Xpert.Digital

Grafikken viser resultaterne af en undersøgelse fra 2017 blandt administrerende direktører i tyske industrivirksomheder vedrørende de teknologier, der anvendes i smarte fabrikker i dag og i fremtiden. 23 procent af respondenterne angav, at de i øjeblikket bruger den digitale tvilling i deres produkter i deres smarte fabrik. 43 procent angav, at de planlægger at bruge den digitale tvilling i deres produkter i fremtiden.

Dette gælder også for autonom intern logistik: 17 % angav, at de i øjeblikket (2017) bruger det. 35 % planlægger at implementere det inden 2022.

Forbrug om fem år (2022)

• Datadrevet ressourceoptimering – 77%
• Integreret planlægning – 61%
• Big data-drevet proces- og kvalitetsoptimering – 65%
• Modulære produktionsaktiver – 36%
• Netværksforbundet fabrik / Forbundet fabrik – 60%
• Prædiktiv vedligeholdelse – 66%
• Procesvisualisering/automatisering – 62%
• Produktets digitale tvilling – 43%
• Fabrikkens digitale tvilling / Fabrikkens digitale tvilling – 44%
• Digital tvilling af produktionsanlægget / Digital tvilling af produktionsaktivet – 39%
• Fleksible produktionsmetoder / Fleksible produktionsmetoder – 34%
• Autonom intern logistik – 35%
• Overførsel af produktionsparametre – 32%
• Fuldt autonom digital fabrik – 11%

Brug i dag (2017)

• Datadrevet ressourceoptimering – 52%
• Integreret planlægning – 32%
• Big data-drevet proces- og kvalitetsoptimering – 30%
• Modulære produktionsaktiver – 29%
• Netværksforbundet fabrik / Forbundet fabrik – 29%
• Prædiktiv vedligeholdelse – 28%
• Procesvisualisering/automatisering – 28%
• Produktets digitale tvilling – 23%
• Fabrikkens digitale tvilling / Fabrikkens digitale tvilling – 19%
• Digital tvilling af produktionsanlægget / Digital tvilling af produktionsaktivet – 18%
• Fleksible produktionsmetoder / Fleksible produktionsmetoder – 18%
• Autonom intern logistik – 17%
• Overførsel af produktionsparametre – 16%
• Fuldt autonom digital fabrik – 5%

Administrerende direktører for tyske industrivirksomheder blev adspurgt. Spørgsmålet var formuleret som følger: "Hvor relevante er følgende koncepter for din virksomhed?" Kilden giver ingen oplysninger om undersøgelsens metode eller om scorer over 100 procent.

Et eksempel på, hvordan digitale tvillinger bruges til at optimere maskiner, er vedligeholdelsen af ​​energiproduktionsanlæg såsom turbiner, jetmotorer og lokomotiver.

Et andet eksempel på digitale tvillinger er brugen af ​​3D-modeller til at skabe digitale ledsagere til fysiske objekter. Dette gør det muligt at vise status for det faktiske fysiske objekt, hvilket giver en måde at projicere fysiske objekter ind i den digitale verden. Hvis sensorer f.eks. indsamler data fra en tilsluttet enhed, kan sensordataene bruges til at opdatere en kopi af enhedens tilstand som en "digital tvilling" i realtid. Udtrykket "enhedsskygge" bruges også om konceptet med den digitale tvilling. Den digitale tvilling er beregnet til at være en aktuel og nøjagtig kopi af det fysiske objekts egenskaber og tilstande, herunder form, position, bevægelser, status og bevægelse.

En digital tvilling kan også bruges til overvågning, diagnosticering og prognoser for at optimere aktivernes ydeevne og udnyttelse. Inden for dette område kan sensordata kombineres med historiske data, menneskelig ekspertise og flåde- og simuleringslæring for at forbedre prognoseresultaterne. Derfor kan komplekse prognoser og intelligente vedligeholdelsesplatforme udnytte digitale tvillinger til at identificere den grundlæggende årsag til problemer og forbedre produktiviteten.

Digitale tvillinger af autonome køretøjer og deres sensorer, indlejret i en trafik- og miljøsimulering, er også blevet foreslået som et middel til at overvinde de betydelige udfordringer i udvikling, testning og validering af applikationer i bilindustrien, især når de relevante algoritmer er baseret på kunstig intelligens-tilgange, der kræver omfattende trænings- og valideringsdatasæt.

De fysisk fremstillede objekter virtualiseres og repræsenteres som digitale tvillingemodeller (avatarer), der er problemfrit og tæt integreret i både det fysiske rum og cyberspace. Fysiske objekter og tvillingemodeller interagerer på en gensidigt fordelagtig måde.

Dynamik på brancheniveau

Den digitale tvilling transformerer hele PLM-processen (Product Lifecycle Management), fra design og fremstilling til service og drift. I øjeblikket er PLM meget tidskrævende med hensyn til effektivitet, fremstilling, intelligens, servicefaser og bæredygtighed i produktdesign. En digital tvilling kan flette et produkts fysiske og virtuelle rum sammen. Det giver virksomheder mulighed for at skabe et digitalt fodaftryk af alle deres produkter, fra design og udvikling gennem hele deres livscyklus. Generelt er industrier involveret i fremstilling betydeligt påvirket af digitale tvillinger. I fremstillingsprocessen er den digitale tvilling en virtuel kopi af realtidsoperationer på fabriksgulvet. Tusindvis af sensorer er placeret i hele den fysiske fremstillingsproces og indsamler data fra forskellige dimensioner, såsom miljøforhold, maskinadfærd og udført arbejde. Alle disse data transmitteres og indsamles kontinuerligt af den digitale tvilling. Takket være Tingenes Internet (IoT) er digitale tvillinger blevet mere overkommelige og kan forme fremstillingsindustriens fremtid. En fordel for ingeniører er den praktiske brug af produkter designet virtuelt ved hjælp af den digitale tvilling. Avancerede metoder til vedligeholdelse og styring af produkter og anlæg bliver mere tilgængelige, efterhånden som en digital tvilling af den virkelige "ting" med realtidsfunktioner er tilgængelig.

Digitale tvillinger tilbyder et betydeligt forretningspotentiale, fordi de forudsiger fremtiden snarere end at analysere fremstillingsprocessens fortid . Repræsentationen af ​​virkeligheden skabt af digitale tvillinger gør det muligt for producenter at udvikle sig mod forudgående forretningspraksis. Fremtiden for fremstilling er baseret på følgende seks aspekter:

• Skalerbarhed,
• Modularitet,
• fleksibilitet
• Autonomi,
• Forbindelse
• og digital tvilling.

Med den stigende digitalisering af individuelle faser i en fremstillingsproces opstår der muligheder for at opnå højere produktivitet. Dette begynder med modularitet og fører til større effektivitet i produktionssystemet. Desuden gør autonomi det muligt for produktionssystemet at reagere effektivt og intelligent på uventede begivenheder. Endelig lukker konnektivitet, såsom Internet of Things, digitaliseringscyklussen ved at give mulighed for at optimere den efterfølgende produktdesign- og marketingcyklus for højere ydeevne. Dette kan føre til større kundetilfredshed og loyalitet, hvis produkter kan opdage et problem, før det rent faktisk fejler. Efterhånden som omkostningerne til lagring og databehandling fortsætter med at falde, udvides de potentielle anvendelser af digitale tvillinger også.

Den digitale tvilling har særlig betydning for industrien. Dens eksistens og anvendelse i industrielle værdiskabelsesprocesser kan give virksomheder en afgørende konkurrencefordel. Dette har især været tilfældet siden begyndelsen af ​​2010'erne, hvor Tingenes Internet (IoT) muliggjorde produktion af digitalt styrede og netværksforbundne produkter af alle slags, sammen med integrerede tjenester.

I industrien findes digitale tvillinger for eksempel til produkter, produktionsfaciliteter, processer og tjenester. De kan endda eksistere før den fysiske tvilling, såsom designmodeller af fremtidige produkter. Og de kan bruges til at analysere og evaluere data fra brugen af ​​de fysiske tvillinger. De tjener en bred vifte af formål og funktioner.

Deres særlige værdi for industrien stammer fra elimineringen af ​​fysiske prototyper og evnen til at simulere adfærd, funktionalitet og kvalitet af den virkelige tvilling i alle relevante aspekter. Denne værdi kan udnyttes til alle dele af værdikæden gennem hele livscyklussen for produkter, systemer og tjenester.

En digital tvilling kan tage mange forskellige former. For eksempel kan den være baseret på en adfærdsmodel af systemudviklingen, en 3D-model eller en funktionel model, der realistisk og omfattende skildrer de mekaniske, elektroniske og andre egenskaber og ydeevnekarakteristika for den virkelige tvilling under en modelbaseret designproces.

De forskellige digitale tvillinger kan forbindes og muliggøre omfattende kommunikation og interaktion med deres fysiske modparter. Dette kaldes også en digital tråd, der løber gennem hele produktets livscyklus og kan omfatte yderligere produktrelevant information. En virksomhed får størst gavn af en sådan kontinuerlig digital tråd, som muliggør optimering på tværs af forskellige værdiskabelsesprocesser og udnyttelse af en bred vifte af digitale forretningsmodeller for udbudte produkter eller tjenester.

Produktionsteknik er blot én af mange industrielle anvendelser. Digitale tvillinger kortlægger systemer gennem hele deres livscyklus (design, konstruktion, drift og genbrug). Selv i planlægningsfasen kan ingeniører bruge simuleringsmodeller til at optimere processer. Når systemet er operationelt, kan de samme simuleringsmodeller bruges til yderligere at optimere processer og transformere produktionen.

Inden for transport- og lagersektoren udvikler internationale logistikvirksomheder som DHL og UPS løbende nye applikationer til digitale tvillinger, såsom track and trace eller intelligent styring af lagre og hele havnefaciliteter. Softwareproducenter som SAP og Oracle udvider deres ERP-systemer og tilbyder nye IT-løsninger som digitale forsyningskæder til supply chain management.

Konceptet med den digitale tvilling anvendes i stigende grad inden for produktionsstyring, logistik og indkøb. Dette gør det muligt at forbinde konceptet tæt med metoder og værktøjer inden for styringsteknik og automationsteknologi.

Geografiske digitale tvillinger er blevet populære i byplanlægningspraksis på grund af den stigende interesse for digital teknologi inden for smart cities-bevægelsen. Disse digitale tvillinger foreslås ofte i form af interaktive platforme til at indfange og visualisere 3D- og 4D-rumdata i realtid for at modellere bymiljøer (byer) og de data, de indeholder.

Visualiseringsteknologier som augmented reality (AR)-systemer bruges både som samarbejdsværktøjer til design og planlægning i det byggede miljø og til at integrere datafeeds fra indlejrede sensorer i byer og API-tjenester for at skabe digitale tvillinger. For eksempel giver AR mulighed for at projicere augmented reality-kort, bygninger og data på bordplader til fælles visning af byggefagfolk.

I byggebranchen bliver planlægning, design, konstruktion, drift og vedligeholdelse i stigende grad digitaliseret – dels gennem introduktionen af ​​BIM-processer (bygningsinformationsmodellering) – og digitale tvillinger af bygninger ses som en logisk forlængelse – både på niveau med de enkelte bygninger og på nationalt niveau. I Storbritannien udgav Centre for Digital Built Britain for eksempel Gemini-principperne i november 2018, som skitserer principperne for udvikling af en "national digital tvilling".

Et af de tidligste eksempler på en fungerende "digital tvilling" blev implementeret i 1996 under opførelsen af ​​Heathrow Express-faciliteterne i Heathrow Lufthavns Terminal 1. Konsulent Mott MacDonald og BIM-pioneren Jonathan Ingram forbandt bevægelsessensorer i kassen og borehullerne til den digitale objektmodel for at vise bevægelse i modellen. Et digitalt injektionsobjekt blev oprettet for at overvåge virkningerne af at pumpe fugemasse ned i jorden for at stabilisere jordbevægelser.

Sundhedsvæsenet betragtes som en branche, der transformeres af digital tvillingteknologi. Konceptet med digitale tvillinger inden for sundhedsvæsenet blev oprindeligt foreslået og først implementeret til prædiktiv analyse af produkter eller enheder. Med en digital tvilling kan liv inden for medicin, sport og uddannelse forbedres ved at anvende en mere datadrevet tilgang til sundhedsvæsenet. Tilgængeligheden af ​​teknologi gør det muligt at skabe personlige patientmodeller, der løbende kan opdateres baseret på indsamlede sundheds- og livsstilsparametre. Dette kan i sidste ende føre til en virtuel patient, der beskriver en persons sundhedstilstand i detaljer i stedet for udelukkende at stole på tidligere journaler. Desuden giver den digitale tvilling mulighed for at sammenligne en persons journaler med befolkningens for lettere at identificere mønstre med en høj grad af nøjagtighed. Den største fordel ved digitale tvillinger for sundhedsvæsenet er muligheden for at skræddersy sundhedsvæsenet til individuelle patientresponser. Digitale tvillinger vil ikke kun føre til mere præcise definitioner af en individuel patients helbred, men vil også ændre det opfattede billede af en sund patient. Tidligere blev "sund" defineret som fravær af tegn på sygdom. Nu kan "sunde" patienter sammenlignes med resten af ​​befolkningen for at definere ægte helbred . Fremkomsten af ​​digitale tvillinger i sundhedsvæsenet medfører dog også nogle ulemper. Digitale tvillinger kan føre til ulighed, da teknologien muligvis ikke er tilgængelig for alle og kan øge kløften mellem rig og fattig. Derudover vil digitale tvillinger opdage mønstre i en befolkning, der kan føre til diskrimination.

Konceptet med den digitale tvilling vinder også frem inden for medicin, hvor en virtuel repræsentation af en patient skabes for at simulere medicinske procedurer. Dette giver læger mulighed for at sætte sig ind i patientens specifikke situation før behandling, og i kirurgiske operationer kan patientspecifikke implantater (f.eks. kunstige led) præfabrikeres og indsættes præcist, hvilket fører til forbedrede kirurgiske resultater og hurtigere helbredelse.

Bilindustrien er blevet forbedret af digital tvillingteknologi. Digitale tvillinger i bilindustrien implementeres ved at udnytte eksisterende data til at forenkle processer og reducere marginalomkostninger. I øjeblikket udvider bilingeniører eksisterende fysisk materialitet ved at inkorporere softwarebaserede digitale muligheder. Et konkret eksempel på digital tvillingteknologi i bilindustrien er, at bilingeniører bruger digital tvillingteknologi i kombination med virksomhedens analyseværktøjer til at analysere, hvordan en bestemt bil køres. Dette giver dem mulighed for at foreslå nye funktioner til bilen, der kan reducere antallet af ulykker på vejene, noget der tidligere var umuligt at opnå på så kort tid.

Digitale teknologier har visse karakteristika, der adskiller dem fra andre teknologier. Disse karakteristika har til gengæld specifikke konsekvenser. Digitale tvillinger udviser følgende karakteristika.

Forbindelse

En af nøglefunktionerne ved digital tvillingteknologi er dens konnektivitet. Den nylige udvikling af Tingenes Internet (IoT) giver anledning til adskillige nye teknologier. Udviklingen af ​​IoT driver også udviklingen af ​​digital tvillingteknologi. Denne teknologi deler mange karakteristika med IoT's natur, nemlig dens konnektivitet. Teknologien muliggør primært konnektivitet mellem den fysiske komponent og dens digitale modstykke. Denne forbindelse danner grundlaget for den digitale tvilling, uden hvilken digital tvillingteknologi ikke ville eksistere. Som beskrevet i det foregående afsnit etableres denne konnektivitet gennem sensorer på det fysiske produkt, der indsamler data og integrerer og kommunikerer disse data via forskellige integrationsteknologier. Digital tvillingteknologi muliggør forbedret konnektivitet mellem virksomheder, produkter og kunder. For eksempel kan konnektiviteten mellem partnere i en forsyningskæde øges ved at give disse partnere mulighed for at kontrollere den digitale tvilling for et produkt eller aktiv. Disse partnere kan derefter verificere status for det pågældende produkt blot ved at tilgå den digitale tvilling.

Forbindelsen med kunderne kan også øges.

Servitisering refererer til den proces, hvorved virksomheder tilfører værdi til deres kernetilbud gennem tjenester. I tilfælde af motorer er fremstillingen af ​​motoren organisationens kernetilbud, som derefter tilfører merværdi ved at tilbyde en service til motorinspektion og vedligeholdelse.

Servitisering

Servitisering er en forretningsmodelinnovation, der er relevant for produktionsvirksomheder, og refererer til skiftet i deres eksisterende produktportefølje væk fra udelukkende håndgribelige varer og hen imod en kombination af varer og tjenester. Det afspejler således den overordnede økonomiske tendens mod et servicebaseret samfund på virksomhedsniveau.

Eksempler på servitisering har eksisteret i over 100 år. Emnet har dog hurtigt vundet betydning i de sidste 20 år eller deromkring, fordi virksomheder i højtlønslande som Tyskland på grund af globaliseringen ser det som en måde at beskytte sig mod konkurrence fra lavtlønslande. I den akademiske verden har servitisering etableret sig som et uafhængigt forskningsemne takket være en forskningsartikel af Sandra Vandermerwe og Juan Rada.

Homogenisering

Digitale tvillinger kan karakteriseres som en digital teknologi, der både er en konsekvens af og en muliggørende faktor for datahomogenisering. Da enhver form for information eller indhold nu kan lagres og transmitteres i samme digitale form, kan der skabes en virtuel repræsentation af produktet (i form af en digital tvilling), hvorved informationen afkobles fra dens fysiske form. Homogeniseringen af ​​data og afkoblingen af ​​information fra dens fysiske artefakt har således muliggjort fremkomsten af ​​digitale tvillinger. Digitale tvillinger gør det også muligt digitalt at lagre stigende mængder information om fysiske produkter og afkoble den fra selve produktet.

Efterhånden som data bliver mere og mere digitaliseret, kan de overføres, lagres og behandles hurtigt og omkostningseffektivt. Ifølge Moores lov vil computerkraften fortsætte med at stige eksponentielt i de kommende år, mens omkostningerne til databehandling vil falde betydeligt. Dette vil derfor føre til lavere marginalomkostninger for udvikling af digitale tvillinger og gøre det forholdsvis meget billigere at teste, forudsige og løse problemer ved hjælp af virtuelle repræsentationer i stedet for at teste dem på fysiske modeller og vente på, at fysiske produkter går i stykker, før man handler.

En anden konsekvens af homogeniseringen og afkoblingen af ​​information er konvergensen af ​​brugeroplevelsen. Efterhånden som information fra fysiske objekter digitaliseres, kan en enkelt artefakt tilbyde en lang række nye muligheder. Digital tvillingteknologi gør det muligt at dele detaljerede oplysninger om et fysisk objekt med et større antal agenter, uanset placering eller tid. I sin hvidbog om digital tvillingteknologi i fremstillingsindustrien bemærker Michael Grieves følgende vedrørende konsekvenserne af den homogenisering, som digitale tvillinger muliggør:

Tidligere havde fabriksledernes kontorer udsigt over fabrikken, hvilket gav dem en fornemmelse af, hvad der skete på fabriksgulvet. Med den digitale tvilling kan ikke kun fabrikslederen, men alle involverede i fabriksproduktionen have det samme virtuelle vindue, ikke kun til en enkelt fabrik, men til alle fabrikker verden over.

Omprogrammerbar og intelligent

Som tidligere nævnt tillader en digital tvilling at omprogrammere et fysisk produkt på en specifik måde. Derudover kan den digitale tvilling også omprogrammeres automatisk ved hjælp af sensorer på det fysiske produkt, kunstig intelligens-teknologier og prædiktiv analyse. En konsekvens af denne omprogrammerbarhed er fremkomsten af ​​nye funktionaliteter. Hvis vi tager eksemplet med en motor igen, kan digitale tvillinger bruges til at indsamle data om motorens ydeevne og om nødvendigt justere motoren og skabe en nyere version af produktet. Servitation kan også ses som en konsekvens af omprogrammerbarhed. Producenter kan være ansvarlige for at overvåge den digitale tvilling, foretage justeringer eller omprogrammere den efter behov, og de kan tilbyde dette som en ekstra service.

Digitale spor

Et andet kendetegn er, at digitale tvillingteknologier efterlader digitale spor. Disse spor kan bruges af ingeniører til f.eks. at kontrollere den digitale tvillings historik i tilfælde af en maskinfejl for at diagnosticere, hvor problemet stammer fra. I fremtiden kan disse diagnoser også bruges af producenterne af disse maskiner til at forbedre deres design og dermed reducere hyppigheden af ​​de samme fejl.

Modularitet

I forbindelse med fremstillingsindustrien kan modularitet beskrives som design og tilpasning af produkter og produktionsmoduler. Ved at tilføje modularitet til fremstillingsmodeller får producenter mulighed for at optimere modeller og maskiner. Digital tvillingteknologi gør det muligt for producenter at spore de maskiner, der er i brug, og identificere potentielle forbedringsområder. Med modulære maskiner kan producenter bruge digital tvillingteknologi til at identificere, hvilke komponenter der påvirker maskinens ydeevne, og erstatte dem med bedre egnede komponenter for at forbedre fremstillingsprocessen.