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

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

Термин «цифровая нить» впервые был использован в отчете Целевой группы по глобальной науке и технологиям ВВС США «Глобальные горизонты 2013».

Термин «цифровая нить» был дополнительно уточнен Сингхом и Уиллкоксом из Массачусетского технологического института в 2018 году в их статье под названием «Инжиниринг с цифровой нитью». В этой научной статье термин Digital Thread определяется как «архитектура, управляемая данными, которая связывает информацию на протяжении всего жизненного цикла продукта и призвана быть основной или авторитетной платформой данных и связи для продуктов компании в любой момент времени».

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%

Были опрошены управляющие директора немецких промышленных компаний. В опросе этот вопрос был задан следующим образом: «Насколько актуальны следующие концепции для вашей компании?» Источник не предоставляет никакой информации о типе опроса или баллах, превышающих 100 процентов.

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

Еще одним примером цифровых двойников является использование 3D-моделей для создания цифровых компаньонов физических объектов. Это позволяет отображать состояние реального физического объекта, предоставляя возможность проецировать физические объекты в цифровой мир. Например, когда датчики собирают данные с подключенного устройства, данные датчиков можно использовать для обновления копии состояния устройства в реальном времени в качестве «цифрового двойника». Термин «тень устройства» также используется для обозначения концепции цифрового двойника. Цифровой двойник призван быть текущей и точной копией свойств и состояний физического объекта, включая форму, положение, жесты, состояние 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 двойник меняет весь процесс управления жизненным циклом продукта (PLM): от проектирования до производства, обслуживания и эксплуатации. В настоящее время PLM требует очень много времени с точки зрения эффективности, производства, интеллекта, этапов обслуживания и устойчивости при разработке продукта. Цифровой двойник может объединить физическое и виртуальное пространство продукта. Цифровой двойник позволяет компаниям создавать цифровой след всех своих продуктов, от проектирования до разработки и на протяжении всего жизненного цикла продукта. В целом, отрасли, работающие в сфере производства, серьезно страдают от цифровых двойников. В производственном процессе цифровой двойник представляет собой виртуальную копию процессов на заводе в реальном времени. Тысячи датчиков размещаются на протяжении всего физического производственного процесса, и все они собирают данные из разных измерений, таких как: Б. Условия окружающей среды, поведенческие характеристики машины и выполняемые работы. Все эти данные непрерывно передаются и собираются цифровым двойником. Благодаря Интернету вещей цифровые двойники стали более доступными и могут определить будущее производства. Преимущество для инженеров заключается в реальном использовании продуктов, разработанных виртуально с помощью цифрового двойника. Передовые методы обслуживания и управления продуктами и активами доступны благодаря цифровому двойнику реальной «вещи» с возможностями работы в реальном времени.

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 строительной отрасли планирование, проектирование, строительство, эксплуатация и техническое обслуживание становятся все более цифровыми, в том числе за счет внедрения процессов BIM (информационного моделирования зданий), а цифровые двойники зданий рассматриваются как логическое продолжение – как на уровне как в отдельных зданиях, так и на национальном уровне. В Великобритании, например, Центр цифрового строительства Британии в ноябре 2018 года опубликовал «Принципы Близнецов», в которых изложены принципы разработки «национального цифрового двойника».

Один из первых примеров работающего «цифрового двойника» был реализован в 1996 году во время строительства комплекса Heathrow Express в Терминале 1 аэропорта Хитроу. Консультант Мотт Макдональд и пионер BIM Джонатан Ингрэм подключили датчики движения в перемычке и скважинах к цифровой модели объекта, чтобы отобразить движение в модели. Цифровой объект инъекции был создан для мониторинга эффектов закачки раствора в землю для стабилизации движений грунта.

Здравоохранение считается отраслью, которая трансформируется с помощью технологии цифровых двойников. Концепция цифрового двойника в сфере здравоохранения изначально была предложена и впервые использована для прогнозирования продуктов или устройств. Цифровой двойник может улучшить жизнь в сфере медицины, спорта и образования, применив более основанный на данных подход к здравоохранению. Наличие технологий позволяет создавать персонализированные модели для пациентов, которые можно постоянно корректировать на основе зафиксированных параметров здоровья и образа жизни. В конечном итоге это может привести к созданию виртуального пациента, который подробно описывает состояние здоровья отдельного пациента и не полагается исключительно на предыдущие записи. Кроме того, цифровой двойник позволяет сравнивать индивидуальные записи с данными населения, чтобы легче находить закономерности на высоком уровне детализации. Самым большим преимуществом цифрового двойника в здравоохранении является тот факт, что здравоохранение можно адаптировать к индивидуальным реакциям пациентов. Цифровые двойники не только приведут к более точному определению состояния здоровья отдельного пациента, но и изменят ожидаемый образ здорового пациента. «Здоровым» раньше считалось отсутствие признаков болезни. Теперь «здоровых» пациентов можно сравнивать с остальным населением, чтобы определить действительно здоровых . Однако появление цифрового двойника в здравоохранении имеет и некоторые недостатки. Цифровой двойник может привести к неравенству, поскольку технология может быть доступна не всем, увеличивая разрыв между богатыми и бедными. Кроме того, цифровой двойник будет выявлять среди населения закономерности, 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.