Digital Twin – Digital Twin: 3D-визуализация и цифровое управление цепочками поставок

Цифровой поток определяется как «использование цифровых инструментов и представлений для проектирования, оценки и управления жизненным циклом».

Термин «цифровой поток» впервые использовался в отчете «Global Horizons 2013» в целевой группе по Глобальной науке и технологии ВВС США.

Термин «Цифровая нить» был дополнительно усовершенствован в 2018 году Сингхом и Уилкоксом на своей статье под названием «Инженерная инженерия» с цифровой темой. В этом академическом документе термин цифровой поток определяется как «контролируемая данными архитектуру, которая связывала информацию со всего жизненного цикла продукта и предназначена для первичной или соответствующей платформы данных и коммуникации для продуктов компании».

В более узком смысле цифровая нить также используется для обозначения самого низкого уровня проектирования и спецификации цифрового представления физического объекта. Цифровой поток — это важнейшая возможность в системном проектировании на основе моделей (MBSE) и основа для цифрового двойника.

Термин «цифровая нить» также используется для описания прослеживаемости цифрового двойника к требованиям, частям и системам управления, из которых состоит физический объект.

Умная фабрика – Использование актуальных для компании концепций в Германии – Изображение: Xpert.Digital

На графике показаны результаты опроса, проведенного в 2017 году среди управляющих директоров немецких промышленных компаний, о технологиях, используемых на интеллектуальных предприятиях сегодня и в будущем. 23 процента опрошенных заявили, что в настоящее время используют цифрового двойника продукта на своем «умном» заводе. 43 процента заявили, что планируют использовать цифровых двойников продуктов в будущем.

Это касается и автономной внутренней логистики: 17% заявили, что сейчас ею пользуются (2017 г.). 35% планируют реализовать это к 2022 году.

Использование через пять лет (2022 г.)

• Оптимизация ресурсов с использованием данных – 77%
• Комплексное планирование – 61%
• Процесс, основанный на больших данных, и оптимизация качества – 65 %
• Модульные производственные системы/модульные производственные активы – 36%
• Сетевой завод/Подключенный завод – 60%
• Профилактическое обслуживание – 66%
• Визуализация/автоматизация процессов / Визуализация/автоматизация процессов – 62%
• Цифровой двойник продукта / Цифровой двойник продукта – 43%
• Цифровой двойник завода/Цифровой двойник завода – 44%
• Цифровой двойник производственного предприятия / Цифровой двойник производственного актива – 39%
• Гибкие методы производства/Гибкие методы производства – 34%
• Автономная внутризаводская логистика / Автономная внутризаводская логистика – 35%
• Передача параметров производства – 32%
• Полностью автономная цифровая фабрика – 11%

Использование сегодня (2017 г.)

• Оптимизация ресурсов с использованием данных – 52%
• Комплексное планирование – 32%
• Процесс, основанный на больших данных, и оптимизация качества – 30%
• Модульные производственные системы/модульные производственные активы – 29%
• Сетевой завод/Подключенный завод – 29%
• Профилактическое обслуживание – 28%
• Визуализация/автоматизация процессов / Визуализация/автоматизация процессов – 28%
• Цифровой двойник продукта / Цифровой двойник продукта – 23%
• Цифровой двойник завода/Цифровой двойник завода – 19%
• Цифровой двойник производственного предприятия / Цифровой двойник производственного актива – 18%
• Гибкие методы производства/Гибкие методы производства – 18%
• Автономная внутризаводская логистика / Автономная внутризаводская логистика – 17%
• Передача параметров производства – 16%
• Полностью автономная цифровая фабрика – 5%

Управляющий директор немецких промышленных компаний были опрошены. Этот вопрос был задан в опросе в следующей формулировке: «Насколько важны следующие концепции для вашей компании?». Источник не предоставляет никакой информации о типе опроса и более 100 процентов баллов.

Примером того, как цифровые двойники используются для оптимизации машин, является техническое обслуживание энергетического оборудования, такого как турбины, реактивные двигатели и локомотивы.

Другим примером цифровых близнецов является использование трехмерных моделей для создания цифровых компаньонов для физических объектов. Это позволяет отображать статус фактического физического объекта, который предлагает способ проецировать физические объекты в цифровой мир. Например, если датчики собирают данные с подключенного устройства, данные датчика можно использовать для обновления копии состояния устройства как «цифровой близнец» в режиме реального времени. Термин «оттенок устройства» также используется для концепции цифрового близнеца. Цифровой близнец должен быть текущей и точной копией свойств и условий физического объекта, включая форму, положение, жесты, статус и движение.

Цифровой двойник также может использоваться для мониторинга, диагностики и прогнозирования для оптимизации производительности и использования активов. В этой области сенсорные данные могут сочетаться с историческими данными, человеческим опытом, а также обучением автопарка и моделированием для улучшения результатов прогнозов. Таким образом, сложные платформы прогнозирования и интеллектуального обслуживания могут использовать цифровых двойников для поиска первопричин проблем и повышения производительности.

Цифровые двойники автономных транспортных средств и их датчики, встроенные в моделирование дорожного движения и окружающей среды, также были предложены в качестве средства преодоления серьезных проблем при разработке, тестировании и проверке приложений в автомобильной промышленности, особенно когда соответствующие алгоритмы основаны на подходах, основанных на искусственных технологиях. интеллект, который требует обширных наборов данных для обучения и проверки.

Физические производственные объекты виртуализируются и представляются в виде цифровых моделей-двойников (аватаров), которые бесшовно и тесно интегрированы как в физическом, так и в киберпространстве. Физические объекты и модели-близнецы взаимодействуют взаимовыгодным образом.

Динамика на отраслевом уровне

Цифровой близнец изменяет все управление жизненным циклом продукта (PLM), с черновика до производства до обслуживания и эксплуатации. В настоящее время PLM -это очень время с точки зрения эффективности, производства, интеллекта, этапов обслуживания и устойчивости в дизайне продукта. Цифровой близнец может объединить физическое и виртуальное пространство продукта. Цифровой близнец позволяет компаниям создавать цифровой след всех своих продуктов, от дизайна до разработки и на протяжении всего жизненного цикла продукта. В целом, отрасли, которые работают в производстве, сильно влияют на цифровые близнецы. В процессе производства цифровой близнец является виртуальной копией своевременных процессов на заводе. Тысячи датчиков размещаются во всем процессе физического производства, которые собирают все данные из разных измерений, например, Б. Условия окружающей среды, поведенческие свойства машины и выполненные работы. Все эти данные непрерывно передаются и собираются цифровым близнецом. Благодаря Интернету вещей цифровые близнецы стали более доступными и могут определить будущее производственной отрасли. Преимущество для инженеров - реальное использование продуктов, которые разработаны практически цифровым близнецом. Расширенные методы обслуживания и управления продуктом и систем находятся в пределах досягаемости, поскольку существует цифровой близнец реальной «вещи» с реальными возможностями.

Цифровые двойники открывают большой бизнес-потенциал, поскольку они предсказывают будущее, а не анализируют прошлое производственного процесса . Представление реальности, создаваемое цифровыми двойниками, позволяет производителям развиваться в направлении бизнес-практик ex-ante. Будущее производства основано на следующих 6 аспектах:

• масштабируемость,
• модульность,
• гибкость
• Автономия,
• Возможности подключения
• и цифровой двойник.

С ростом цифровизации отдельных этапов производственного процесса открываются возможности для достижения более высокой производительности. Это начинается с модульности и приводит к большей эффективности производственной системы. Кроме того, автономия позволяет производственной системе эффективно и разумно реагировать на непредвиденные события. Наконец, возможности подключения, такие как Интернет вещей, позволяют замкнуть цикл цифровизации, позволяя оптимизировать следующий цикл разработки и продвижения продукта для повышения производительности. Это может привести к повышению удовлетворенности и лояльности клиентов, поскольку продукты могут обнаружить проблему до того, как она действительно выйдет из строя. Поскольку затраты на хранение и обработку данных продолжают снижаться, возможности использования цифровых двойников также расширяются.

Цифровой двойник особенно важен для промышленности. Его существование и использование в процессах создания промышленной стоимости может стать решающим конкурентным преимуществом для компаний. Это особенно актуально с начала 2010-х годов, поскольку Интернет вещей позволил производить все виды сетевых продуктов с цифровым управлением и интегрированными услугами.

Например, в промышленности существуют цифровые двойники продуктов, производственных систем, процессов и услуг. Они также могут существовать до настоящего двойника, например, как модели дизайна будущих продуктов. И их можно использовать для анализа и оценки данных использования настоящих близнецов. Они имеют самые разнообразные назначения и функции.

Их особая ценность для отрасли заключается в сохранении физических прототипов и возможности моделирования поведения, функциональности и качества реального двойника во всех соответствующих аспектах. Эту ценность можно использовать для всех этапов создания стоимости на протяжении всего жизненного цикла продуктов, систем и услуг.

Цифровой двойник принимает различные формы. Например, в его основе может лежать поведенческая модель развития системы, 3D-модель или функциональная модель, максимально реалистично и полно отображающая в ходе моделирования механические, электронные и другие свойства и эксплуатационные характеристики реального двойника. основанный дизайн.

Различные цифровые двойники могут быть связаны друг с другом, а также обеспечивать широкое общение и взаимодействие с реальными двойниками. Это также называется цифровой нитью, которая проходит на протяжении всего жизненного цикла продукта и может включать другую информацию, относящуюся к продукту. Компания получает наибольшую выгоду от такого последовательного цифрового потока, который позволяет оптимизировать различные процессы создания стоимости и использовать широкий спектр цифровых бизнес-моделей для предлагаемых продуктов или услуг.

Технология производства — лишь одна из многих областей промышленного применения. Цифровые двойники картографируют системы на протяжении всего их жизненного цикла (проектирование, создание, эксплуатация и переработка). Даже во время планирования инженеры могут использовать имитационные модели для оптимизации процессов. После ввода системы в эксплуатацию те же имитационные модели можно использовать для дальнейшей оптимизации процессов и преобразования производства.

В сфере транспорта и складирования международные логистические компании, такие как DHL и UPS, постоянно разрабатывают новые приложения для цифрового двойника, такие как отслеживание или интеллектуальный контроль складов и целых портовых сооружений. Производители программного обеспечения, такие как SAP или Oracle, расширяют свои ERP-системы и предлагают новые ИТ-решения в виде цифровых цепочек поставок для управления цепочками поставок.

Концепция цифрового двойника все чаще используется в управлении производством, логистике и закупках. Это означает, что данное понятие может быть тесно связано с методами и средствами техники управления и регулирования.

Географические цифровые двойники стали популярны в практике городского планирования из-за растущего интереса к цифровым технологиям в движении умных городов. Эти цифровые двойники часто предлагаются в виде интерактивных платформ для сбора и отображения пространственных 3D и 4D данных в реальном времени для моделирования городской среды (городов) и содержащихся в них данных.

Технологии визуализации, такие как системы дополненной реальности (AR), используются как в качестве инструментов для совместной работы при проектировании и планировании в искусственной среде, так и для интеграции потоков данных от встроенных датчиков в городах и служб API для формирования цифровых двойников. Например, AR позволяет проецировать карты, здания и данные дополненной реальности на столы для совместного просмотра профессионалами строительной отрасли.

В строительном промышленном промышленности, среди прочего, путем внедрения процессов BIM (моделирование информации о здании)-планирование, проектирование, строительство, эксплуатационное и обслуживание Распродажа отдельных зданий, а также на национальном уровне. Например, в ноябре 2018 года Центр цифрового построенного в Британии опубликовал принципы Близнецов в Соединенном Королевстве, в котором представлены принципы развития «национального цифрового близнеца».

Один из самых ранних примеров функционирующего «цифрового близнеца» был реализован в 1996 году, когда средства экспресса Хитроу были построены в терминале 1 аэропорта Хитроу. Консультант Мотт Макдональд и пионер BIM Джонатан Ингрэм объединили датчики движения в плотине чемодана и в отверстиях с цифровой моделью объекта для отображения движений в модели. Был создан цифровой объект впрыска для мониторинга воздействия перекачки раствора в Землю для стабилизации движений земли.

Система здравоохранения считается отраслью, которая изменяется технологией цифрового близнеца. Концепция цифрового близнеца в индустрии здравоохранения была первоначально предложена и использовалась впервые для прогноза продукта или устройств. Благодаря цифровому близнецу жизнь в области медицины, спорта и образования может быть улучшена, используя более контролируемый данными подход в здравоохранении. Доступность технологий позволяет создавать персонализированные модели для пациентов, которые могут постоянно адаптироваться на основе записанных параметров здоровья и образа жизни. В конечном счете, это может привести к виртуальному пациенту, который подробно описывает здоровье одного пациента и не только основан на предыдущих записях. Кроме того, цифровой близнец позволяет отдельным записям сравниваться с популяцией, чтобы легче найти закономерности с большими деталями. Самым большим преимуществом цифрового близнеца для системы здравоохранения является тот факт, что здравоохранение может быть адаптировано к реакциям отдельных пациентов. Цифровые близнецы не только приведут к лучшим разрешениям при определении здоровья одного пациента, но и изменят ожидаемый образ здорового пациента. В прошлом «здоровый» был «здоровым», чем отсутствие признаков болезни. Теперь «здоровых» пациентов можно сравнить с остальной частью населения, чтобы определить действительно здоровые . Тем не менее, появление цифрового близнеца в системе здравоохранения также приносит с собой некоторые недостатки. Цифровой близнец может привести к неравенству, поскольку технология может быть недоступна для всех и разрыва между богатыми и бедными. Кроме того, цифровой близнец будет распознавать закономерности в популяции, которые могут привести к дискриминации.

Идея цифрового двойника также получает все большее распространение в медицине за счет создания виртуального образа пациента для моделирования медицинских приложений. Таким образом, врач может учитывать конкретную ситуацию соответствующего пациента до лечения, а во время хирургических операций можно заранее изготовить и точно вставить индивидуальные вставки для пациента (например, искусственные суставы), что позволяет улучшить хирургический результат и ускорить его. процесс восстановления.

Автомобильная промышленность была улучшена благодаря технологии цифровых двойников. Цифровые двойники в автомобильной промышленности внедряются путем использования существующих данных для упрощения процессов и снижения предельных затрат. В настоящее время автомобильные дизайнеры расширяют существующую физическую материальность за счет включения цифровых возможностей на основе программного обеспечения. Конкретным примером технологии цифровых двойников в автомобильной промышленности является то, что автомобильные инженеры используют технологию цифровых двойников в сочетании с аналитическим инструментом компании для анализа того, как управляется конкретный автомобиль. Таким образом, они могут предложить внедрить в автомобиль новые функции, которые смогут снизить количество аварий на дорогах, что раньше было невозможно за столь короткое время.

Цифровые технологии имеют определенные характеристики, которые отличают их от других технологий. Эти характеристики, в свою очередь, имеют определенные последствия. Цифровые двойники имеют следующие характеристики.

Возможности подключения

Одной из ключевых особенностей технологии цифровых двойников является ее возможность подключения. Недавнее развитие Интернета вещей (IoT) привело к появлению множества новых технологий. Развитие Интернета вещей также способствует развитию технологии цифровых двойников. Эта технология обладает многими характеристиками, соответствующими характеру Интернета вещей, а именно ее связующему характеру. Прежде всего, эта технология обеспечивает связь между физическим компонентом и его цифровым аналогом. В основе цифрового двойника лежит эта связь, без которой технология цифровых двойников не существовала бы. Как описано в предыдущем разделе, эта связь достигается с помощью датчиков на физическом продукте, которые собирают данные, интегрируют и передают эти данные с помощью различных технологий интеграции. Технология цифровых двойников обеспечивает более тесную связь между компаниями, продуктами и клиентами. Например, связь между партнерами в цепочке поставок можно улучшить, дав возможность участникам этой цепочки поставок проверять цифрового двойника продукта или актива. Затем эти партнеры смогут проверить статус этого продукта, просто управляя цифровым двойником.

Связь с клиентами также может быть увеличена.

Сервитизация — это процесс, посредством которого компании повышают ценность своего основного предложения посредством услуг. В случае с двигателем производство двигателя является основным предложением этой организации, которая затем увеличивает ценность, предоставляя услуги по проверке и техническому обслуживанию двигателя.

Сервитизация

Сервитизация — это инновационная бизнес-модель, которая актуальна для производственных компаний и относится к изменению предыдущего портфеля предложений от только материальных товаров к комбинации материальных товаров и услуг. Таким образом, это отражает общую экономическую тенденцию к обществу обслуживания на уровне компании.

Примеры сервитизации существуют уже более 100 лет. Однако за последние 20 лет эта тема быстро стала более важной, потому что из-за глобализации компании в странах с высокой заработной платой, таких как Германия, рассматривают ее как средство защиты от конкуренции со стороны стран с низкой заработной платой. В науке сервитизация зарекомендовала себя как самостоятельная тема исследования благодаря специальной статье Сандры Вандермерве и Хуана Рады.

Гомогенизация

Цифровых двойников можно охарактеризовать как цифровую технологию, которая является одновременно следствием и средством гомогенизации данных. Поскольку теперь любой тип информации или контента может храниться и передаваться в одной и той же цифровой форме, можно создать виртуальное представление продукта (в виде цифрового двойника), тем самым отделив информацию от ее физической формы. Гомогенизация данных и отделение информации от ее физического артефакта позволили создать цифровых двойников. Цифровые двойники также позволяют хранить все больше и больше информации о физических продуктах в цифровом виде и отделять ее от самого продукта.

Поскольку данные становятся все более оцифрованными, их можно передавать, хранить и рассчитывать быстро и с минимальными затратами. Согласно закону Мура, вычислительная мощность будет продолжать расти в геометрической прогрессии в течение следующих нескольких лет, а затраты на обработку данных значительно снизятся. Таким образом, это приведет к снижению предельных затрат на разработку цифровых двойников и сделает сравнительно гораздо дешевле тестирование, прогнозирование и решение проблем с использованием виртуальных представлений, а не тестирование их на физических моделях и ожидание, пока физические продукты сломаются, прежде чем пытаться вмешаться.

Еще одним последствием гомогенизации и разделения информации является конвергенция пользовательского опыта. Поскольку информация от физических объектов становится оцифрованной, один артефакт может предложить множество новых возможностей. Технология цифровых двойников позволяет передавать подробную информацию о физическом объекте большему числу агентов, независимо от местоположения и времени. В своем официальном документе о технологии цифровых двойников в производстве Майкл Гривс заявляет следующее о последствиях гомогенизации, обеспечиваемой цифровыми двойниками:

Раньше у руководителей заводов был офис с видом на завод, чтобы они могли почувствовать, что происходит в заводских цехах. Благодаря цифровому двойнику не только руководитель завода, но и все, кто участвует в заводском производстве, могут иметь одно и то же виртуальное окно не только для одного завода, но и для всех заводов по всему миру.

Перепрограммируемый и интеллектуальный

Как упоминалось ранее, цифровой двойник позволяет перепрограммировать физический продукт определенным образом. Кроме того, цифрового двойника можно перепрограммировать и автоматически. С помощью датчиков на физическом продукте, технологий искусственного интеллекта и прогнозной аналитики. Одним из последствий этой перепрограммируемости является появление функциональных возможностей. Опять же, на примере двигателя: цифровые двойники можно использовать для сбора данных о работе двигателя и, при необходимости, его корректировки и создания более новой версии продукта. Сервитизацию также можно рассматривать как следствие перепрограммируемости. Производители могут нести ответственность за мониторинг цифрового двойника, внесение корректировок или перепрограммирование цифрового двойника, если это необходимо, и могут предлагать это в качестве дополнительной услуги.

Цифровые следы

Еще одной особенностью является то, что технологии цифровых двойников оставляют цифровые следы. Эти следы могут быть использованы инженерами, например, для Например, в случае неисправности машины проверка следов цифрового двойника для диагностики места возникновения проблемы. Эта диагностика также может быть использована в будущем производителями этих машин для улучшения их конструкции, чтобы в будущем одни и те же неисправности возникали реже.

Модульность

С точки зрения обрабатывающей промышленности модульность можно охарактеризовать как проектирование и настройку продуктов и производственных модулей. Добавление модульности к производственным моделям дает производителям возможность оптимизировать модели и машины. Технология цифровых двойников позволяет производителям отслеживать используемые машины и определять возможные области улучшения машин. Когда эти машины являются модульными, производители могут использовать технологию цифровых двойников, чтобы определить, какие компоненты влияют на производительность машины, и заменить их более подходящими компонентами для улучшения производственного процесса.