Цифровой двойник – 3D-визуализация и цифровое управление цепочками поставок

Под «цифровой нитью» понимается «использование цифровых инструментов и средств представления информации для проектирования, оценки и управления жизненным циклом».

Термин «цифровая нить» впервые был использован в отчете Целевой группы ВВС США по глобальному научно-техническому видению «Глобальные горизонты 2013».

Термин «цифровая нить» был дополнительно уточнен Сингхом и Уиллкоксом из Массачусетского технологического института в их статье 2018 года под названием «Инженерное проектирование с использованием цифровой нити». В этой научной работе термин «цифровая нить» определяется как «архитектура, основанная на данных, которая связывает информацию на протяжении всего жизненного цикла продукта и предназначена для того, чтобы служить основной или авторитетной платформой данных и коммуникации для продуктов организации в любой момент времени»

В более узком смысле термин «цифровая нить» также используется для обозначения самого низкого уровня проектирования и спецификации цифрового представления физического объекта. Цифровая нить является важнейшей возможностью в системной инженерии на основе моделей (MBSE) и основой для цифрового двойника.

Термин «цифровая нить» также используется для описания прослеживаемости цифрового двойника до требований, компонентов и систем управления, составляющих физический объект.

«Умная фабрика» – применение актуальных для бизнеса концепций в Германии – Изображение: Xpert.Digital

На графике представлены результаты опроса руководителей немецких промышленных компаний, проведенного в 2017 году, относительно технологий, используемых сегодня и в будущем на «умных» заводах. 23% респондентов заявили, что в настоящее время используют цифровые двойники своей продукции на своих «умных» заводах. 43% указали, что планируют использовать цифровые двойники своей продукции в будущем.

Это также относится к автономной внутренней логистике: 17% заявили, что в настоящее время (2017 год) используют ее. 35% планируют внедрить ее к 2022 году.

Использование в течение пяти лет (2022 г.)

• Оптимизация ресурсов на основе данных – 77%
• Комплексное планирование – 61%
• Оптимизация процессов и качества на основе больших данных – 65%
• Модульные производственные активы – 36%
• Сетевое производство / Подключенное производство – 60%
• Прогнозируемое техническое обслуживание – 66%
• Визуализация/автоматизация процессов – 62%
• 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 – 35%
• Перенос производственных параметров – 32%
• Полностью автономная цифровая фабрика – 11%

Использование сегодня (2017 год)

• Оптимизация ресурсов на основе данных – 52%
• Комплексное планирование – 32%
• Оптимизация процессов и качества на основе больших данных – 30%
• Модульные производственные активы – 29%
• Сетевое производство / Подключенное производство – 29%
• Прогнозируемое техническое обслуживание – 28%
• Визуализация/автоматизация процессов – 28%
• 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 – 17%
• Перенос производственных параметров – 16%
• Полностью автономная цифровая фабрика – 5%

Был проведен опрос руководителей немецких промышленных компаний. Вопрос был сформулирован следующим образом: «Насколько актуальны следующие концепции для вашей компании?» Источник не предоставляет информации о методологии опроса или о результатах, превышающих 100 процентов.

Одним из примеров использования цифровых двойников для оптимизации работы машин является техническое обслуживание электростанций, таких как турбины, реактивные двигатели и локомотивы.

Еще один пример цифровых двойников — использование 3D-моделей для создания цифровых аналогов физических объектов. Это позволяет отображать состояние реального физического объекта, предоставляя способ проецирования физических объектов в цифровой мир. Например, если датчики собирают данные с подключенного устройства, эти данные могут быть использованы для обновления копии состояния устройства в виде «цифрового двойника» в режиме реального времени. Для обозначения концепции цифрового двойника также используется термин «теневой двойник устройства». Цифровой двойник призван быть актуальной 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 с целью оптимизации производительности и использования активов. В этой области данные с датчиков могут быть объединены с историческими данными, экспертными знаниями, а также результатами обучения на основе анализа автопарка и моделирования для улучшения результатов прогнозирования. Таким образом, платформы для комплексного прогнозирования и интеллектуального технического обслуживания могут использовать цифровые двойники для выявления первопричин проблем и повышения производительности.

Цифровые двойники автономных транспортных средств и их датчиков, встроенные в систему моделирования дорожного движения и окружающей среды, также были предложены в качестве средства преодоления значительных проблем при разработке, тестировании и проверке приложений в автомобильной промышленности, особенно когда соответствующие алгоритмы основаны на подходах искусственного интеллекта, требующих обширных обучающих и проверочных наборов данных.

Физические объекты, созданные человеком, виртуализируются и представляются в виде цифровых двойников (аватаров), которые органично и тесно интегрированы как в физическое, так и в киберпространство. Физические объекты и модели-двойники взаимодействуют взаимовыгодным образом.

Динамика на отраслевом уровне

Цифровой двойник трансформирует весь процесс управления жизненным циклом продукта (PLM), от проектирования и производства до обслуживания и эксплуатации. В настоящее время PLM очень трудоемок с точки зрения эффективности, производства, интеллектуальных функций, этапов обслуживания и устойчивости в проектировании продукта. Цифровой двойник может объединить физическое и виртуальное пространство продукта. Он позволяет компаниям создавать цифровой след всех своих продуктов, от проектирования и разработки до всего их жизненного цикла. В целом, отрасли, связанные с производством, значительно затронуты цифровыми двойниками. В производственном процессе цифровой двойник представляет собой виртуальную копию операций в реальном времени на заводском цехе. Тысячи датчиков размещены по всему физическому производственному процессу, собирая данные из различных измерений, таких как условия окружающей среды, поведение оборудования и выполняемая работа. Все эти данные непрерывно передаются и собираются цифровым двойником. Благодаря Интернету вещей (IoT) цифровые двойники стали более доступными и могут сформировать будущее обрабатывающей промышленности. Одним из преимуществ для инженеров является практическое применение продуктов, разработанных виртуально с помощью цифрового двойника. Благодаря появлению цифровых двойников реальных объектов с возможностями работы в режиме реального времени, передовые методы технического обслуживания и управления продукцией и оборудованием становятся все более доступными.

Цифровые двойники открывают значительные возможности для бизнеса, поскольку они предсказывают будущее, а не анализируют прошлое производственного процесса. Представление реальности, создаваемое цифровыми двойниками, позволяет производителям развиваться в направлении внедрения бизнес-практик, учитывающих будущие потребности. Будущее производства основано на следующих шести аспектах:

• Масштабируемость,
• Модульность,
• гибкость
• Автономия,
• Подключение
• и цифровой двойник.

С ростом цифровизации отдельных этапов производственного процесса открываются возможности для повышения производительности. Это начинается с модульности и приводит к большей эффективности производственной системы. Кроме того, автономность позволяет производственной системе эффективно и интеллектуально реагировать на непредвиденные события. Наконец, взаимосвязь, например, Интернет вещей, замыкает цикл цифровизации, позволяя оптимизировать последующий цикл проектирования и маркетинга продукта для повышения его производительности. Это может привести к большей удовлетворенности и лояльности клиентов, если продукты смогут обнаруживать проблемы до того, как они фактически выйдут из строя. Поскольку стоимость хранения и обработки данных продолжает снижаться, потенциальные области применения цифровых двойников также расширяются.

Цифровой двойник имеет особое значение для промышленности. Его существование и использование в процессах создания добавленной стоимости в промышленности может обеспечить компаниям решающее конкурентное преимущество. Это особенно актуально с начала 2010-х годов, когда Интернет вещей (IoT) позволил производить цифровые управляемые и сетевые продукты всех видов, а также интегрированные услуги.

В промышленности цифровые двойники существуют, например, для продуктов, производственных мощностей, процессов и услуг. Они могут даже существовать до физического двойника, например, в виде проектных моделей будущих продуктов. И их можно использовать для анализа и оценки данных, полученных с помощью физических двойников. Они служат самым разнообразным целям и функциям.

Их особая ценность для промышленности заключается в отказе от физических прототипов и возможности имитировать поведение, функциональность и качество реального аналога во всех соответствующих аспектах. Эта ценность может быть использована на всех этапах цепочки создания стоимости на протяжении всего жизненного цикла продуктов, систем и услуг.

Цифровой двойник может принимать множество различных форм. Например, он может быть основан на поведенческой модели разработки системы, 3D-модели или функциональной модели, которая реалистично и всесторонне отображает механические, электронные и другие свойства и характеристики производительности реального двойника в процессе проектирования на основе модели.

Различные цифровые двойники могут быть связаны между собой, а также обеспечивать обширную коммуникацию и взаимодействие со своими физическими аналогами. Это также называется цифровой нитью, которая проходит через весь жизненный цикл продукта и может включать в себя дополнительную информацию, относящуюся к продукту. Компания получает наибольшую выгоду от такой непрерывной цифровой нити, которая позволяет оптимизировать различные процессы создания ценности и использовать широкий спектр цифровых бизнес-моделей для предлагаемых продуктов или услуг.

Производственная инженерия — лишь одно из многих промышленных применений. Цифровые двойники отображают системы на протяжении всего их жизненного цикла (проектирование, строительство, эксплуатация и утилизация). Даже на этапе планирования инженеры могут использовать имитационные модели для оптимизации процессов. После ввода системы в эксплуатацию те же самые имитационные модели могут быть использованы для дальнейшей оптимизации процессов и преобразования производства.

В транспортно-складском секторе международные логистические компании, такие как DHL и UPS, постоянно разрабатывают новые приложения для цифровых двойников, например, системы отслеживания грузов или интеллектуальное управление складами и целыми портовыми сооружениями. Производители программного обеспечения, такие как SAP и Oracle, расширяют свои ERP-системы и предлагают новые ИТ-решения в качестве цифровых цепочек поставок для управления цепочками поставок.

Концепция цифрового двойника все чаще применяется в управлении производством, логистике и закупках. Это позволяет тесно связать данную концепцию с методами и инструментами теории управления и автоматизации.

Географические цифровые двойники стали популярными в практике городского планирования благодаря растущему интересу к цифровым технологиям в рамках движения «умных городов». Эти цифровые двойники часто предлагаются в виде интерактивных платформ для сбора и визуализации трехмерных и четырехмерных пространственных данных в реальном времени с целью моделирования городской среды (городов) и содержащихся в них данных.

Технологии визуализации, такие как системы дополненной реальности (AR), используются как инструменты для совместной работы над проектированием и планированием в строительной отрасли, так и для интеграции потоков данных со встроенных датчиков в городах и API-сервисов для создания цифровых двойников. Например, AR позволяет проецировать карты, здания и данные в дополненной реальности на столы для совместного просмотра специалистами строительной отрасли.

В строительной отрасли планирование, проектирование, строительство, эксплуатация и техническое обслуживание все больше цифровизируются – отчасти за счет внедрения процессов BIM (информационного моделирования зданий) – и цифровые двойники зданий рассматриваются как логическое продолжение этого процесса – как на уровне отдельных зданий, так и на национальном уровне. Например, в Соединенном Королевстве Центр цифрового строительства Великобритании в ноябре 2018 года опубликовал Принципы Gemini, в которых изложены принципы разработки «национального цифрового двойника».

Один из первых примеров работающей «цифровой модели-двойника» был реализован в 1996 году во время строительства объектов Heathrow Express в Терминале 1 аэропорта Хитроу. Консультант Mott MacDonald и пионер BIM-технологий Джонатан Ингрэм подключили датчики движения в кессоне и скважинах к цифровой модели объекта, чтобы отображать движение внутри модели. Был создан цифровой объект для инъекций, позволяющий отслеживать эффекты закачки цементного раствора в грунт для стабилизации движений грунта.

Здравоохранение считается отраслью, трансформирующейся благодаря технологии цифровых двойников. Концепция цифровых двойников в здравоохранении первоначально была предложена и впервые реализована для прогнозной аналитики продуктов или устройств. С помощью цифрового двойника можно улучшить жизнь в медицине, спорте и образовании, внедрив более основанный на данных подход к здравоохранению. Доступность технологии позволяет создавать персонализированные модели пациентов, которые могут постоянно обновляться на основе собранных параметров здоровья и образа жизни. В конечном итоге это может привести к созданию виртуального пациента, который подробно описывает состояние здоровья человека, а не полагается исключительно на прошлые записи. Кроме того, цифровой двойник позволяет сравнивать записи отдельного человека с записями населения, чтобы легче и с высокой степенью точности выявлять закономерности. Наибольшее преимущество цифровых двойников для здравоохранения заключается в возможности адаптировать лечение к индивидуальным реакциям пациента. Цифровые двойники не только приведут к более точному определению здоровья отдельного пациента, но и изменят представление о здоровом пациенте. Ранее «здоровый» определялся как отсутствие каких-либо признаков болезни. Теперь «здоровых» пациентов можно сравнивать с остальным населением, чтобы определить истинное здоровье. Однако появление цифровых двойников в здравоохранении также влечет за собой некоторые недостатки. Цифровые двойники могут привести к неравенству, поскольку эта технология может быть недоступна для всех и может увеличить разрыв между богатыми и бедными. Кроме того, цифровые двойники будут выявлять закономерности в популяции, которые могут привести к дискриминации.

Концепция цифрового двойника также набирает популярность в медицине, где создается виртуальное представление пациента для имитации медицинских процедур. Это позволяет врачам ознакомиться с конкретной ситуацией пациента до начала лечения, а в хирургических операциях можно предварительно изготовить и точно установить имплантаты, изготовленные с учетом индивидуальных особенностей пациента (например, искусственные суставы), что приводит к улучшению результатов операции и более быстрому выздоровлению.

Технология цифровых двойников значительно усовершенствовала автомобильную промышленность. В автомобильной отрасли цифровые двойники внедряются за счет использования существующих данных для упрощения процессов и снижения предельных издержек. В настоящее время автомобильные инженеры дополняют существующую физическую материальность, внедряя программные цифровые возможности. Конкретным примером применения технологии цифровых двойников в автомобильной промышленности является использование инженерами технологии цифровых двойников в сочетании с аналитическими инструментами компании для анализа стиля вождения конкретного автомобиля. Это позволяет им предлагать новые функции для автомобиля, которые могут снизить количество аварий на дорогах, чего ранее было невозможно достичь за столь короткое время.

Цифровые технологии обладают определенными характеристиками, отличающими их от других технологий. Эти характеристики, в свою очередь, имеют специфические последствия. Цифровые двойники обладают следующими характеристиками.

Подключение

Одной из ключевых особенностей технологии цифровых двойников является её взаимосвязь. Недавнее развитие Интернета вещей (IoT) порождает множество новых технологий. Развитие IoT также стимулирует развитие технологии цифровых двойников. Эта технология имеет много общих черт с природой IoT, а именно, свою взаимосвязь. В первую очередь, технология обеспечивает связь между физическим компонентом и его цифровым аналогом. Эта связь составляет основу цифрового двойника, без которой технология цифровых двойников не существовала бы. Как описано в предыдущем разделе, эта взаимосвязь устанавливается с помощью датчиков на физическом продукте, которые собирают данные, интегрируют и передают эти данные с помощью различных интеграционных технологий. Технология цифровых двойников обеспечивает расширенную связь между компаниями, продуктами и клиентами. Например, связь между партнерами в цепочке поставок может быть расширена за счет предоставления этим партнерам возможности проверять цифровой двойник продукта или актива. Затем эти партнеры могут проверить состояние этого продукта, просто получив доступ к цифровому двойнику.

Также можно улучшить взаимодействие с клиентами.

Сервитизация — это процесс, в ходе которого компании повышают ценность своего основного предложения за счет предоставления услуг. В случае с двигателями, производство двигателя является основным предложением данной организации, которая затем обеспечивает дополнительную ценность, предлагая услуги по осмотру и техническому обслуживанию двигателя.

Сервитизация

Сервитизация — это инновация в бизнес-модели, актуальная для производственных компаний, подразумевающая переход от исключительно материальных товаров к сочетанию товаров и услуг в их существующем продуктовом портфеле. Таким образом, она отражает общую экономическую тенденцию к созданию общества, основанного на услугах, на уровне компаний.

Примеры сервитизации существуют уже более 100 лет. Однако за последние 20 лет эта тема быстро приобрела важное значение, поскольку в условиях глобализации компании в странах с высоким уровнем заработной платы, таких как Германия, рассматривают это как способ защиты от конкуренции со стороны стран с низким уровнем заработной платы. В академических кругах сервитизация утвердилась как самостоятельная тема исследований благодаря научной статье Сандры Вандермерве и Хуана Рады.

Гомогенизация

Цифровые двойники можно охарактеризовать как цифровую технологию, которая является одновременно следствием и фактором, способствующим гомогенизации данных. Поскольку любой тип информации или контента теперь 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 воплощения, таким образом, позволили появиться цифровым двойникам. Цифровые двойники также позволяют хранить в цифровом виде все большие объемы информации о физических продуктах и ​​отделять ее от самого продукта.

По мере того как данные все больше оцифровываются, их можно передавать, хранить и обрабатывать быстро и экономично. Согласно закону Мура, вычислительная мощность будет продолжать экспоненциально расти в ближайшие годы, в то время как стоимость обработки данных значительно снизится. Это, следовательно, приведет к снижению предельных издержек на разработку цифровых двойников и сделает тестирование, прогнозирование и решение проблем с использованием виртуальных представлений сравнительно дешевле, чем тестирование на физических моделях и ожидание поломки физических изделий перед принятием мер.

Еще одним следствием гомогенизации и разделения информации является конвергенция пользовательского опыта. По мере оцифровки информации о физических объектах один и тот же артефакт может открывать множество новых возможностей. Технология цифровых двойников позволяет делиться подробной информацией о физическом объекте с большим количеством агентов, независимо от местоположения или времени. В своем аналитическом докладе о технологии цифровых двойников в обрабатывающей промышленности Майкл Гривз отмечает следующие последствия гомогенизации, обеспечиваемой цифровыми двойниками:

Раньше кабинеты руководителей заводов располагались напротив производственных помещений, что позволяло им видеть, что происходит в цехе. Благодаря цифровому двойнику, не только руководитель завода, но и все, кто участвует в производстве, могут иметь доступ к виртуальному окну не только одного завода, но и всех заводов по всему миру.

Перепрограммируемый и интеллектуальный

Как уже упоминалось, цифровой двойник позволяет перепрограммировать физический продукт определенным образом. Более того, цифровой двойник может быть перепрограммирован автоматически с использованием датчиков на физическом продукте, технологий искусственного интеллекта и прогнозной аналитики. Одним из следствий такой возможности перепрограммирования является появление новых функций. Возвращаясь к примеру с двигателем, цифровые двойники могут использоваться для сбора данных о его производительности и, при необходимости, для его настройки и создания новой версии продукта. Сервис также можно рассматривать как следствие возможности перепрограммирования. Производители могут нести ответственность за мониторинг цифрового двойника, внесение необходимых корректировок или его перепрограммирование, и они могут предлагать это в качестве дополнительной услуги.

Цифровые следы

Еще одна особенность заключается в том, что технологии цифровых двойников оставляют цифровые следы. Эти следы могут быть использованы инженерами, например, для проверки истории цифрового двойника в случае неисправности оборудования, чтобы определить источник проблемы. В будущем эти данные могут быть использованы производителями оборудования для улучшения его конструкции, что позволит снизить частоту подобных неисправностей.

Модульность

В контексте обрабатывающей промышленности модульность можно описать как проектирование и адаптацию продукции и производственных модулей. Внедрение модульности в производственные модели позволяет производителям оптимизировать модели и оборудование. Технология цифровых двойников позволяет производителям отслеживать используемое оборудование и выявлять потенциальные области для улучшения. Благодаря модульным машинам производители могут использовать технологию цифровых двойников для определения компонентов, влияющих на производительность оборудования, и замены их на более подходящие компоненты для улучшения производственного процесса.