Geamăn digital – Vizualizare 3D și management digital al lanțului de aprovizionare

Firul digital este definit ca „utilizarea instrumentelor și reprezentărilor digitale pentru proiectare, evaluare și managementul ciclului de viață”.

Termenul „Fir digital” a fost folosit pentru prima dată în raportul „Orizonturi globale 2013” ​​al Grupului de lucru pentru știință și tehnologie globală al USAF.

Termenul „fir digital” a fost rafinat în continuare de Singh și Willcox la MIT în lucrarea lor din 2018 intitulată „Inginerie cu un fir digital”. În această lucrare academică, termenul „fir digital” este definit ca „o arhitectură bazată pe date care leagă informații din întregul ciclu de viață al produsului și este destinată să servească drept platformă principală sau autoritară de date și comunicare pentru produsele unei organizații la un moment dat”

Într-un sens mai restrâns, termenul „fir digital” este folosit și pentru a se referi la cel mai scăzut nivel de proiectare și specificații pentru o reprezentare digitală a unui obiect fizic. Firul digital este o capacitate crucială în ingineria sistemelor bazate pe modele (MBSE) și fundamentul unui geamăn digital.

Termenul „Fir digital” este folosit și pentru a descrie trasabilitatea gemănului digital față de cerințele, piesele și sistemele de control care alcătuiesc obiectul fizic.

Fabrica Inteligentă – Utilizarea conceptelor relevante pentru afaceri în Germania – Imagine: Xpert.Digital

Graficul prezintă rezultatele unui sondaj din 2017 în rândul directorilor generali ai companiilor industriale germane cu privire la tehnologiile utilizate în fabricile inteligente astăzi și în viitor. 23% dintre respondenți au declarat că utilizează în prezent geamănul digital al produselor lor în fabrica lor inteligentă. 43% au indicat că intenționează să utilizeze geamănul digital al produselor lor în viitor.

Acest lucru este valabil și pentru logistica internă autonomă: 17% au declarat că o utilizează în prezent (2017). 35% intenționează să o implementeze până în 2022.

Utilizare în cinci ani (2022)

• Optimizarea resurselor bazată pe date – 77%
• Planificare integrată – 61%
• Optimizarea proceselor și a calității bazate pe Big Data – 65%
• Active de producție modulare – 36%
• Fabrică în rețea / Fabrică conectată – 60%
• Mentenanță predictivă – 66%
• Vizualizarea/automatizarea proceselor – 62%
• Geamăn digital al produsului – 43%
• Geamănul digital al fabricii / Geamănul digital al fabricii – 44%
• Geamăn digital al instalației de producție / Geamăn digital al activului de producție – 39%
• Metode de producție flexibile / Metode de producție flexibile – 34%
• Logistică autonomă intra-instalație – 35%
• Transferul parametrilor de producție – 32%
• Fabrică digitală complet autonomă – 11%

Utilizare astăzi (2017)

• Optimizarea resurselor bazată pe date – 52%
• Planificare integrată – 32%
• Optimizarea proceselor și a calității bazate pe Big Data – 30%
• Active de producție modulare – 29%
• Fabrică interconectată / Fabrică conectată – 29%
• Mentenanță predictivă – 28%
• Vizualizarea/automatizarea proceselor – 28%
• Geamăn digital al produsului – 23%
• Geamănul digital al fabricii / Geamănul digital al fabricii – 19%
• Geamăn digital al instalației de producție / Geamăn digital al activului de producție – 18%
• Metode de producție flexibile / Metode de producție flexibile – 18%
• Logistică autonomă intra-instalație – 17%
• Transferul parametrilor de producție – 16%
• Fabrică digitală complet autonomă – 5%

Directorii generali ai companiilor industriale germane au fost chestionați. Întrebarea a fost formulată astfel: „Cât de relevante sunt următoarele concepte pentru compania dumneavoastră?” Sursa nu oferă informații despre metodologia sondajului sau despre scorurile care depășesc 100%.

Un exemplu al modului în care gemenii digitali sunt utilizați pentru a optimiza mașinile este mentenanța centralelor de generare a energiei, cum ar fi turbinele, motoarele cu reacție și locomotivele.

Un alt exemplu de gemeni digitali este utilizarea modelelor 3D pentru a crea însoțitori digitali pentru obiecte fizice. Aceasta permite afișarea stării obiectului fizic real, oferind o modalitate de a proiecta obiecte fizice în lumea digitală. De exemplu, dacă senzorii colectează date de la un dispozitiv conectat, datele senzorului pot fi utilizate pentru a actualiza o copie a stării dispozitivului ca „geamăn digital” în timp real. Termenul „umbră a dispozitivului” este folosit și pentru conceptul de geamăn digital. Geamănul digital este destinat a fi o copie actuală și exactă a proprietăților și stărilor obiectului fizic, inclusiv forma, poziția, gesturile, starea și mișcarea.

Un geamăn digital poate fi utilizat și pentru monitorizare, diagnosticare și prognoză pentru a optimiza performanța și utilizarea activelor. În acest domeniu, datele senzorilor pot fi combinate cu date istorice, expertiză umană și învățare prin simulare și flotă pentru a îmbunătăți rezultatele prognozei. Prin urmare, platformele complexe de prognoză și mentenanță inteligentă pot valorifica gemenii digitali pentru a identifica cauza principală a problemelor și a îmbunătăți productivitatea.

Gemenii digitali ai vehiculelor autonome și ai senzorilor acestora, încorporați într-o simulare de trafic și mediu, au fost, de asemenea, propuși ca mijloc de depășire a provocărilor semnificative în dezvoltarea, testarea și validarea aplicațiilor din industria auto, în special atunci când algoritmii relevanți se bazează pe abordări de inteligență artificială care necesită seturi extinse de date de instruire și validare.

Obiectele fizice fabricate sunt virtualizate și reprezentate ca modele digitale gemene (avatare) care sunt integrate perfect și strâns atât în ​​spațiul fizic, cât și în cel cibernetic. Obiectele fizice și modelele gemene interacționează într-un mod reciproc avantajos.

Dinamica la nivel de industrie

Geamănul digital transformă întregul proces de gestionare a ciclului de viață al produsului (PLM), de la proiectare și fabricație până la service și operare. În prezent, PLM necesită foarte mult timp în ceea ce privește eficiența, fabricația, inteligența, fazele de service și sustenabilitatea în proiectarea produsului. Un geamăn digital poate îmbina spațiile fizice și virtuale ale unui produs. Acesta permite companiilor să creeze o amprentă digitală a tuturor produselor lor, de la proiectare și dezvoltare, pe parcursul întregului ciclu de viață. În general, industriile implicate în producție sunt afectate semnificativ de gemenii digitali. În procesul de fabricație, geamănul digital este o replică virtuală a operațiunilor în timp real din fabrică. Mii de senzori sunt plasați pe tot parcursul procesului fizic de fabricație, colectând date din diverse dimensiuni, cum ar fi condițiile de mediu, comportamentul mașinii și lucrările efectuate. Toate aceste date sunt transmise și colectate continuu de geamănul digital. Datorită Internetului Lucrurilor (IoT), gemenii digitali au devenit mai accesibili și ar putea modela viitorul industriei de producție. Un avantaj pentru ingineri este utilizarea în lumea reală a produselor proiectate virtual folosind geamănul digital. Metodele avansate de întreținere și gestionare a produselor și a instalațiilor devin din ce în ce mai accesibile, deoarece este disponibil un geamăn digital al „lucrului” real, cu capacități în timp real.

Gemenii digitali oferă un potențial comercial semnificativ, deoarece aceștia prezic viitorul, mai degrabă decât analizează trecutul procesului de fabricație . Reprezentarea realității creată de gemenii digitali permite producătorilor să evolueze către practici comerciale ex ante. Viitorul industriei prelucrătoare se bazează pe următoarele șase aspecte:

• Scalabilitate,
• Modularitate,
• flexibilitate
• Autonomie,
• Conectivitate
• și geamăn digital.

Odată cu digitalizarea tot mai mare a fazelor individuale ale unui proces de fabricație, apar oportunități pentru a obține o productivitate mai mare. Aceasta începe cu modularitatea și duce la o eficiență sporită în sistemul de producție. În plus, autonomia permite sistemului de producție să reacționeze eficient și inteligent la evenimente neașteptate. În cele din urmă, conectivitatea, cum ar fi Internetul Lucrurilor, închide ciclul de digitalizare, permițând optimizarea ciclului ulterior de proiectare și marketing al produsului pentru performanțe mai mari. Acest lucru poate duce la o satisfacție și o loialitate sporite ale clienților dacă produsele pot detecta o problemă înainte ca aceasta să se defecteze efectiv. Pe măsură ce costurile de stocare și procesare a datelor continuă să scadă, aplicațiile potențiale ale gemenilor digitali se extind și ele.

Geamănul digital are o importanță deosebită pentru industrie. Existența și utilizarea sa în procesele de creare a valorii industriale pot oferi companiilor un avantaj competitiv decisiv. Acest lucru este valabil mai ales de la începutul anilor 2010, când Internetul Lucrurilor (IoT) a permis producția de produse de toate tipurile controlate digital și conectate în rețea, împreună cu servicii integrate.

În industrie, gemenii digitali există, de exemplu, pentru produse, instalații de producție, procese și servicii. Aceștia pot exista chiar și înainte de geamănul fizic, cum ar fi modelele de proiectare ale produselor viitoare. Și pot fi utilizați pentru a analiza și evalua datele obținute prin utilizarea gemenilor fizici. Aceștia servesc unei game largi de scopuri și funcții.

Valoarea lor deosebită pentru industrie provine din eliminarea prototipurilor fizice și din capacitatea de a simula comportamentul, funcționalitatea și calitatea gemenilor din lumea reală în fiecare aspect relevant. Această valoare poate fi valorificată pentru toate etapele lanțului valoric pe parcursul întregului ciclu de viață al produselor, sistemelor și serviciilor.

Un geamăn digital ia multe forme diferite. De exemplu, se poate baza pe un model comportamental al dezvoltării sistemului, un model 3D sau un model funcțional care descrie în mod realist și cuprinzător proprietățile mecanice, electronice și de altă natură, precum și caracteristicile de performanță ale gemănului real în timpul unui proces de proiectare bazat pe model.

Diferiții gemeni digitali pot fi conectați între ei și permit, de asemenea, o comunicare și o interacțiune extinsă cu omologii lor fizici. Acesta este denumit și un fir digital care traversează întregul ciclu de viață al produsului și poate include informații suplimentare relevante pentru produs. O companie obține cel mai mare beneficiu de pe urma unui astfel de fir digital continuu, care permite optimizarea în cadrul diferitelor procese de creare a valorii și exploatarea unei game largi de modele de afaceri digitale pentru produsele sau serviciile oferite.

Ingineria de producție este doar una dintre numeroasele aplicații industriale. Gemenii digitali cartografiază sistemele pe întregul lor ciclu de viață (proiectare, construcție, operare și reciclare). Chiar și în faza de planificare, inginerii pot utiliza modele de simulare pentru a optimiza procesele. Odată ce sistemul este operațional, aceleași modele de simulare pot fi utilizate pentru a optimiza în continuare procesele și a transforma producția.

În sectoarele transporturilor și depozitării, companiile internaționale de logistică precum DHL și UPS dezvoltă continuu noi aplicații pentru gemenii digitali, cum ar fi urmărirea și trasabilitatea mărfurilor sau controlul inteligent al depozitelor și al întregii instalații portuare. Producătorii de software precum SAP și Oracle își extind sistemele ERP și oferă noi soluții IT sub formă de lanțuri de aprovizionare digitale pentru managementul lanțului de aprovizionare.

Conceptul de gemăne digital este aplicat din ce în ce mai mult în controlul producției, logistică și achiziții. Acest lucru permite ca acest concept să fie strâns legat de metodele și instrumentele ingineriei de control și ale tehnologiei de automatizare.

Gemenii digitali geografici au devenit populari în practica urbană datorită interesului tot mai mare pentru tehnologia digitală în cadrul mișcării orașelor inteligente. Acești gemeni digitali sunt adesea propuși sub forma unor platforme interactive pentru capturarea și vizualizarea datelor spațiale 3D și 4D în timp real, pentru a modela mediile urbane (orașele) și datele pe care le conțin.

Tehnologiile de vizualizare, cum ar fi sistemele de realitate augmentată (RA), sunt utilizate atât ca instrumente de colaborare pentru proiectare și planificare în mediul construit, cât și pentru integrarea fluxurilor de date de la senzorii încorporați în orașe și serviciile API pentru a crea gemeni digitali. De exemplu, RA permite proiectarea hărților, clădirilor și datelor în realitate augmentată pe tablete pentru vizualizare colaborativă de către profesioniștii din construcții.

În industria construcțiilor, activitățile de planificare, proiectare, construcție, operare și întreținere devin din ce în ce mai digitalizate – parțial prin introducerea proceselor BIM (Building Information Modeling) – iar gemenii digitali ai clădirilor sunt văzuți ca o extensie logică – atât la nivelul clădirilor individuale, cât și la nivel național. În Regatul Unit, de exemplu, Centrul pentru Construcții Digitale din Marea Britanie a publicat Principiile Gemini în noiembrie 2018, care conturează principiile pentru dezvoltarea unui „geamăn digital național”.

Unul dintre primele exemple de „geamăn digital” funcțional a fost implementat în 1996, în timpul construcției facilităților Heathrow Express de la Terminalul 1 al Aeroportului Heathrow. Consultantul Mott MacDonald și pionierul BIM Jonathan Ingram au conectat senzorii de mișcare din cofferdam și din puțuri la modelul de obiecte digitale pentru a afișa mișcarea în cadrul modelului. Un obiect de injecție digitală a fost creat pentru a monitoriza efectele pompării mortarului în pământ pentru a stabiliza mișcările solului.

Asistența medicală este considerată o industrie transformată de tehnologia gemenilor digitali. Conceptul de gemeni digitali în domeniul sănătății a fost inițial propus și implementat pentru prima dată pentru analiza predictivă a produselor sau dispozitivelor. Cu un gemen digital, viața în medicină, sport și educație poate fi îmbunătățită prin adoptarea unei abordări a asistenței medicale bazate mai mult pe date. Disponibilitatea tehnologiei face posibilă crearea de modele personalizate de pacienți, care pot fi actualizate continuu pe baza parametrilor de sănătate și stil de viață colectați. Acest lucru poate duce în cele din urmă la un pacient virtual care descrie în detaliu starea de sănătate a unui individ, în loc să se bazeze exclusiv pe înregistrările anterioare. În plus, geamănul digital permite compararea înregistrărilor unui individ cu cele ale populației pentru a identifica mai ușor tipare cu un grad ridicat de precizie. Cel mai mare beneficiu al gemenilor digitali pentru asistența medicală este capacitatea de a adapta asistența medicală la răspunsurile individuale ale pacientului. Gemenii digitali nu numai că vor duce la definiții mai precise ale sănătății unui pacient individual, dar vor schimba și imaginea percepută a unui pacient sănătos. Anterior, „sănătos” era definit ca absența oricăror semne de boală. Acum, pacienții „sănătoși” pot fi comparați cu restul populației pentru a defini adevărata sănătate . Cu toate acestea, apariția gemenilor digitali în domeniul sănătății aduce și unele dezavantaje. Gemenii digitali pot duce la inegalitate, deoarece tehnologia poate să nu fie accesibilă tuturor și ar putea mări decalajul dintre bogați și săraci. În plus, gemenii digitali vor detecta tipare în cadrul unei populații care ar putea duce la discriminare.

Conceptul de gemeș digital câștigă teren și în medicină, unde se creează o reprezentare virtuală a unui pacient pentru a simula procedurile medicale. Acest lucru permite medicilor să se familiarizeze cu situația specifică a pacientului înainte de tratament, iar în operațiile chirurgicale, implanturile specifice pacientului (de exemplu, articulațiile artificiale) pot fi prefabricate și inserate cu precizie, ceea ce duce la rezultate chirurgicale îmbunătățite și la o recuperare mai rapidă.

Industria auto a fost îmbunătățită de tehnologia geamănului digital. Gemenii digitali din industria auto sunt implementați prin valorificarea datelor existente pentru a simplifica procesele și a reduce costurile marginale. În prezent, inginerii auto își completează materialitatea fizică existentă prin încorporarea capabilităților digitale bazate pe software. Un exemplu concret al tehnologiei geamănului digital în industria auto este acela că inginerii auto utilizează tehnologia geamănului digital în combinație cu instrumentele de analiză ale companiei pentru a analiza modul în care este condusă o anumită mașină. Acest lucru le permite să propună noi caracteristici pentru mașină care pot reduce numărul de accidente rutiere, lucru care anterior era imposibil de realizat într-un timp atât de scurt.

Tehnologiile digitale posedă anumite caracteristici care le disting de alte tehnologii. Aceste caracteristici, la rândul lor, au consecințe specifice. Gemenii digitali prezintă următoarele caracteristici.

Conectivitate

Una dintre caracteristicile cheie ale tehnologiei gemenilor digitali este conectivitatea sa. Dezvoltarea recentă a Internetului Lucrurilor (IoT) dă naștere la numeroase tehnologii noi. Dezvoltarea IoT stimulează, de asemenea, dezvoltarea tehnologiei gemenilor digitali. Această tehnologie are multe caracteristici comune cu natura IoT, și anume conectivitatea sa. În principal, tehnologia permite conectivitatea între componenta fizică și omologul său digital. Această conexiune formează baza gemenilor digitali, fără de care tehnologia gemenilor digitali nu ar exista. Așa cum s-a descris în secțiunea anterioară, această conectivitate este stabilită prin intermediul senzorilor de pe produsul fizic care colectează date și integrează și comunică aceste date prin diverse tehnologii de integrare. Tehnologia gemenilor digitali permite o conectivitate îmbunătățită între companii, produse și clienți. De exemplu, conectivitatea dintre partenerii dintr-un lanț de aprovizionare poate fi sporită prin permiterea acestor parteneri să verifice gemenul digital al unui produs sau activ. Acești parteneri pot apoi verifica starea produsului respectiv pur și simplu accesând gemenul digital.

Conectivitatea cu clienții poate fi, de asemenea, crescută.

Servitizarea se referă la procesul prin care companiile adaugă valoare ofertei lor principale prin intermediul serviciilor. În cazul motoarelor, fabricarea motorului este oferta principală a acestei organizații, care oferă apoi valoare adăugată prin oferirea unui serviciu de inspecție și întreținere a motorului.

Servitizare

Servitizarea este o inovație a modelului de afaceri relevantă pentru companiile producătoare, referindu-se la schimbarea portofoliului lor de produse existent, de la bunuri exclusiv tangibile către o combinație de bunuri și servicii. Astfel, aceasta reflectă tendința economică generală către o societate bazată pe servicii la nivel de companie.

Exemple de servitizare există de peste 100 de ani. Cu toate acestea, subiectul a câștigat rapid importanță în ultimii 20 de ani, deoarece, datorită globalizării, companiile din țările cu salarii mari, precum Germania, îl văd ca pe o modalitate de a se proteja împotriva concurenței din țările cu salarii mici. În mediul academic, servitizarea s-a impus ca un subiect de cercetare independent datorită unui articol de cercetare scris de Sandra Vandermerwe și Juan Rada.

Omogenizare

Gemenii digitali pot fi caracterizați ca o tehnologie digitală care este atât o consecință, cât și un factor de facilitare a omogenizării datelor. Întrucât orice tip de informație sau conținut poate fi acum stocat și transmis în aceeași formă digitală, se poate crea o reprezentare virtuală a produsului (sub forma unui gemen digital), decuplând astfel informația de forma sa fizică. Omogenizarea datelor și decuplarea informațiilor de artefactul lor fizic au permis astfel apariția gemenilor digitali. Gemenii digitali fac posibilă, de asemenea, stocarea digitală a unor cantități tot mai mari de informații despre produsele fizice și decuplarea acestora de produsul în sine.

Pe măsură ce datele devin din ce în ce mai digitalizate, acestea pot fi transferate, stocate și procesate rapid și eficient din punct de vedere al costurilor. Conform Legii lui Moore, puterea de calcul va continua să crească exponențial în următorii ani, în timp ce costul procesării datelor va scădea semnificativ. Prin urmare, acest lucru ar duce la costuri marginale mai mici pentru dezvoltarea gemenilor digitali și ar face, comparativ, mult mai ieftină testarea, prezicerea și rezolvarea problemelor folosind reprezentări virtuale, în loc să le testezi pe modele fizice și să aștepți ca produsele fizice să se defecteze înainte de a lua măsuri.

O altă consecință a omogenizării și decuplării informațiilor este convergența experienței utilizatorului. Pe măsură ce informațiile din obiectele fizice sunt digitalizate, un singur artefact poate oferi o multitudine de noi posibilități. Tehnologia geamănului digital permite ca informațiile detaliate despre un obiect fizic să fie partajate cu un număr mai mare de agenți, indiferent de locație sau timp. În lucrarea sa despre tehnologia geamănului digital în industria prelucrătoare, Michael Grieves notează următoarele cu privire la consecințele omogenizării permise de gemenii digitali:

În trecut, managerii de fabrici aveau birourile cu vedere la fabrică, permițându-le să își facă o idee despre ce se întâmplă în atelier. Cu ajutorul gemenilor digitali, nu doar managerul de fabrică, ci toți cei implicați în producția din fabrică pot avea aceeași fereastră virtuală nu doar către o singură fabrică, ci către toate fabricile din întreaga lume.

Reprogramabil și inteligent

Așa cum am menționat anterior, un geamăn digital permite reprogramarea unui produs fizic într-un mod specific. În plus, geamănul digital poate fi reprogramat automat folosind senzori de pe produsul fizic, tehnologii de inteligență artificială și analiză predictivă. O consecință a acestei reprogramabilități este apariția unor noi funcționalități. Luând din nou exemplul unui motor, gemenii digitali pot fi utilizați pentru a colecta date despre performanța motorului și, dacă este necesar, pentru a regla motorul și a crea o versiune mai nouă a produsului. Servitarea poate fi, de asemenea, văzută ca o consecință a reprogramabilității. Producătorii pot fi responsabili de monitorizarea geamănului digital, de efectuarea de ajustări sau de reprogramarea acestuia după cum este necesar și pot oferi acest lucru ca serviciu suplimentar.

Urme digitale

O altă caracteristică este faptul că tehnologiile gemenilor digitali lasă urme digitale. Aceste urme pot fi folosite de ingineri, de exemplu, pentru a verifica istoricul gemenilor digitali în cazul unei defecțiuni a mașinii, pentru a diagnostica originea problemei. În viitor, aceste diagnostice pot fi folosite și de producătorii acestor mașini pentru a-și îmbunătăți designul, reducând astfel frecvența acelorași defecțiuni.

Modularitate

În contextul industriei prelucrătoare, modularitatea poate fi descrisă ca fiind proiectarea și adaptarea produselor și modulelor de producție. Prin adăugarea de modularitate la modelele de fabricație, producătorii dobândesc capacitatea de a optimiza modelele și mașinile. Tehnologia geamănului digital permite producătorilor să urmărească mașinile în uz și să identifice potențialele domenii de îmbunătățire. Cu mașinile modulare, producătorii pot utiliza tehnologia geamănului digital pentru a identifica componentele care au impact asupra performanței mașinilor și le pot înlocui cu componente mai potrivite pentru a îmbunătăți procesul de fabricație.