Дигитални близанац – 3Д визуелизација и дигитално управљање ланцем снабдевања

Дигитална нит се дефинише као „коришћење дигиталних алата и репрезентација за дизајн, евалуацију и управљање животним циклусом“.

Термин „Дигитална нит“ први пут је употребљен у извештају Радне групе за визију глобалне науке и технологије Америчког ратног ваздухопловства „Глобални хоризонти 2013“.

Термин Дигитална нит су додатно усавршили Синг и Вилкокс на МИТ-у у свом раду из 2018. године под називом „Инжењеринг са дигиталном нити“. У овом академском раду, термин Дигитална нит је дефинисан као „архитектура вођена подацима која повезује информације из целог животног циклуса производа и намењена је да служи као примарна или ауторитативна платформа за податке и комуникацију за производе организације у било ком тренутку“

У ужем смислу, термин „дигитална нит“ се такође користи да означи најнижи ниво дизајна и спецификације за дигиталну репрезентацију физичког објекта. Дигитална нит је кључна способност у системском инжењерству заснованом на моделима (MBSE) и основа за дигиталног близанца.

Термин Дигитална нит се такође користи за описивање праћења дигиталног близанца до захтева, делова и система управљања који чине физички објекат.

Паметна фабрика – Коришћење пословно релевантних концепата у Немачкој – Слика: Xpert.Digital

Графикон приказује резултате анкете из 2017. године међу генералним директорима немачких индустријских компанија о технологијама које се користе у паметним фабрикама данас и у будућности. 23 одсто испитаника је изјавило да тренутно користи дигиталног близанца својих производа у својој паметној фабрици. 43 одсто је навело да планира да користи дигиталног близанца својих производа у будућности.

Ово се односи и на аутономну интерну логистику: 17% је изјавило да је тренутно (2017.) користи. 35% планира да је имплементира до 2022. године.

Употреба за пет година (2022)

• Оптимизација ресурса заснована на подацима – 77%
• Интегрисано планирање – 61%
• Оптимизација процеса и квалитета вођена великим подацима – 65%
• Модуларна производна средства – 36%
• Умрежена фабрика / Повезана фабрика – 60%
• Предиктивно одржавање – 66%
• Визуелизација/аутоматизација процеса – 62%
• Дигитални близанац производа – 43%
• Дигитални близанац фабрике / Дигитални близанац фабрике – 44%
• Дигитални близанац производног погона / Дигитални близанац производне имовине – 39%
• Флексибилне методе производње / Флексибилне методе производње – 34%
• Аутономна логистика унутар фабрике – 35%
• Пренос производних параметара – 32%
• Потпуно аутономна дигитална фабрика – 11%

Употреба данас (2017)

• Оптимизација ресурса заснована на подацима – 52%
• Интегрисано планирање – 32%
• Оптимизација процеса и квалитета вођена великим подацима – 30%
• Модуларна производна средства – 29%
• Умрежена фабрика / Повезана фабрика – 29%
• Предиктивно одржавање – 28%
• Визуелизација/аутоматизација процеса – 28%
• Дигитални близанац производа – 23%
• Дигитални близанац фабрике / Дигитални близанац фабрике – 19%
• Дигитални близанац производног погона / Дигитални близанац производне имовине – 18%
• Флексибилне методе производње / Флексибилне методе производње – 18%
• Аутономна логистика унутар фабрике – 17%
• Пренос производних параметара – 16%
• Потпуно аутономна дигитална фабрика – 5%

Анкетирани су генерални директори немачких индустријских компанија. Питање је формулисано на следећи начин: „Колико су следећи концепти релевантни за вашу компанију?“ Извор не пружа информације о методологији анкете или о резултатима који прелазе 100 процената.

Један пример како се дигитални близанци користе за оптимизацију машина је одржавање постројења за производњу енергије као што су турбине, млазни мотори и локомотиве.

Још један пример дигиталних близанаца је употреба 3Д модела за креирање дигиталних пратилаца за физичке објекте. Ово омогућава приказивање статуса стварног физичког објекта, пружајући начин пројектовања физичких објеката у дигитални свет. На пример, ако сензори прикупљају податке са повезаног уређаја, подаци сензора могу се користити за ажурирање копије стања уређаја као „дигиталног близанца“ у реалном времену. Термин „сенка уређаја“ се такође користи за концепт дигиталног близанца. Дигитални близанац је замишљен као тренутна и тачна копија својстава и стања физичког објекта, укључујући облик, положај, гестове, статус и кретање.

Дигитални близанац се такође може користити за праћење, дијагностику и прогнозирање како би се оптимизовале перформансе и коришћење средстава. У овој области, подаци сензора могу се комбиновати са историјским подацима, људским стручним знањем и учењем возног парка и симулације како би се побољшали резултати прогнозирања. Стога, сложене платформе за прогнозирање и интелигентно одржавање могу искористити дигиталне близанце да идентификују узрок проблема и побољшају продуктивност.

Дигитални близанци аутономних возила и њихових сензора, уграђених у симулацију саобраћаја и окружења, такође су предложени као средство за превазилажење значајних изазова у развоју, тестирању и валидацији апликација у аутомобилској индустрији, посебно када су релевантни алгоритми засновани на приступима вештачке интелигенције који захтевају опсежне скупове података за обуку и валидацију.

Физички произведени објекти су виртуелизовани и представљени као дигитални модели близанаца (аватари) који су беспрекорно и чврсто интегрисани и у физички и у сајбер простор. Физички објекти и модели близанаца међусобно делују на обострано користан начин.

Динамика на нивоу индустрије

Дигитални близанац трансформише цео процес управљања животним циклусом производа (PLM), од дизајна и производње до сервиса и рада. Тренутно, PLM одузима много времена у погледу ефикасности, производње, интелигенције, фаза сервиса и одрживости у дизајну производа. Дигитални близанац може спојити физички и виртуелни простор производа. Омогућава компанијама да креирају дигитални отисак свих својих производа, од дизајна и развоја током целог њиховог животног циклуса. Генерално, индустрије које се баве производњом значајно су под утицајем дигиталних близанаца. У процесу производње, дигитални близанац је виртуелна реплика операција у реалном времену на фабричком погону. Хиљаде сензора су постављене током физичког процеса производње, прикупљајући податке из различитих димензија, као што су услови околине, понашање машине и обављени рад. Све ове податке континуирано преноси и прикупља дигитални близанац. Захваљујући Интернету ствари (IoT), дигитални близанци су постали приступачнији и могли би обликовати будућност производне индустрије. Једна предност за инжењере је употреба производа виртуелно дизајнираних помоћу дигиталног близанца у стварном свету. Напредне методе одржавања и управљања производима и постројењима постају све приступачније, јер је доступан дигитални близанац праве „ствари“ са могућностима рада у реалном времену.

Дигитални близанци нуде значајан пословни потенцијал јер предвиђају будућност уместо да анализирају прошлост производног процеса . Репрезентација стварности коју креирају дигитални близанци омогућава произвођачима да еволуирају ка ex ante пословним праксама. Будућност производње заснива се на следећих шест аспеката:

• Скалабилност,
• Модуларност,
• флексибилност
• Аутономија,
• Повезивање
• и дигитални близанац.

Са све већом дигитализацијом појединачних фаза производног процеса, јављају се могућности за постизање веће продуктивности. Ово почиње модуларношћу и доводи до веће ефикасности у производном систему. Штавише, аутономија омогућава производном систему да ефикасно и интелигентно реагује на неочекиване догађаје. Коначно, повезивање, као што је Интернет ствари, затвара циклус дигитализације омогућавајући да се накнадни циклус дизајна производа и маркетинга оптимизује за веће перформансе. Ово може довести до већег задовољства и лојалности купаца ако производи могу да открију проблем пре него што он заиста откаже. Како трошкови складиштења и обраде података настављају да се смањују, потенцијалне примене дигиталних близанаца се такође шире.

Дигитални близанац је од посебног значаја за индустрију. Његово постојање и употреба у процесима стварања индустријске вредности могу компанијама пружити одлучујућу конкурентску предност. Ово је посебно тачно од почетка 2010-их, када је Интернет ствари (IoT) омогућио производњу дигитално контролисаних и умрежених производа свих врста, заједно са интегрисаним услугама.

У индустрији, дигитални близанци постоје, на пример, за производе, производне погоне, процесе и услуге. Они могу постојати чак и пре физичког близанца, као што су модели дизајна будућих производа. И могу се користити за анализу и процену података добијених употребом физичких близанаца. Они служе широком спектру сврха и функција.

Њихова посебна вредност за индустрију проистиче из елиминације физичких прототипова и могућности симулације понашања, функционалности и квалитета близанца из стварног света у сваком релевантном аспекту. Ова вредност се може искористити за све делове ланца вредности током целог животног циклуса производа, система и услуга.

Дигитални близанац има много различитих облика. На пример, може бити заснован на моделу понашања развоја система, 3Д моделу или функционалном моделу који реалистично и свеобухватно приказује механичка, електронска и друга својства и карактеристике перформанси стварног близанца током процеса пројектовања заснованог на моделу.

Различити дигитални близанци могу бити повезани заједно и такође омогућавају опсежну комуникацију и интеракцију са својим физичким панданима. Ово се такође назива дигиталном нити која пролази кроз цео животни циклус производа и може да садржи додатне информације релевантне за производ. Компанија извлачи највећу корист од такве континуиране дигиталне нити, која омогућава оптимизацију у различитим процесима стварања вредности и коришћење широког спектра дигиталних пословних модела за производе или услуге које се нуде.

Производно инжењерство је само једна од многих индустријских примена. Дигитални близанци мапирају системе током целог њиховог животног циклуса (пројектовање, изградња, рад и рециклажа). Чак и током фазе планирања, инжењери могу користити симулационе моделе за оптимизацију процеса. Када систем буде оперативан, исти симулациони модели могу се користити за даљу оптимизацију процеса и трансформацију производње.

У секторима транспорта и складиштења, међународне логистичке компаније попут DHL-а и UPS-а континуирано развијају нове апликације за дигиталне близанце, као што су праћење и трагирање или интелигентна контрола складишта и целих лучких објеката. Произвођачи софтвера попут SAP-а и Oracle-а проширују своје ERP системе и нуде нова ИТ решења као дигиталне ланце снабдевања за управљање ланцем снабдевања.

Концепт дигиталног близанца се све више примењује у контроли производње, логистици и набавци. Ово омогућава да се концепт уско повеже са методама и алатима инжењерства управљања и технологије аутоматизације.

Географски дигитални близанци постали су популарни у пракси урбанистичког планирања због све већег интересовања за дигиталну технологију у оквиру покрета паметних градова. Ови дигитални близанци се често предлажу у облику интерактивних платформи за снимање и визуелизацију 3Д и 4Д просторних података у реалном времену ради моделирања урбаних средина (градова) и података које садрже.

Технологије визуелизације, као што су системи проширене стварности (AR), користе се и као алати за сарадњу у пројектовању и планирању у изграђеном окружењу и за интеграцију података из уграђених сензора у градовима и API услуга за креирање дигиталних близанаца. На пример, AR омогућава пројектовање мапа, зграда и података проширене стварности на столове ради заједничког гледања од стране грађевинских стручњака.

У грађевинској индустрији, активности планирања, пројектовања, изградње, рада и одржавања постају све више дигитализоване – делимично кроз увођење BIM (Building Information Modeling) процеса – а дигитални близанци зграда се виде као логичан наставак – како на нивоу појединачних зграда, тако и на националном нивоу. У Уједињеном Краљевству, на пример, Центар за дигитално изграђену Британију објавио је Gemini принципе у новембру 2018. године, који описују принципе за развој „националног дигиталног близанца“.

Један од најранијих примера функционалног „дигиталног близанца“ имплементиран је 1996. године током изградње објеката Хитроу Експреса на Терминалу 1 аеродрома Хитроу. Консултант Мот Макдоналд и пионир БИМ-а Џонатан Инграм повезали су сензоре покрета у кесону и бушотинама са дигиталним објектним моделом како би приказали кретање унутар модела. Креиран је дигитални објекат за убризгавање како би се пратили ефекти пумпања малтера у земљу ради стабилизације кретања тла.

Здравство се сматра индустријом коју трансформише технологија дигиталних близанаца. Концепт дигиталних близанаца у здравству је првобитно предложен и први пут имплементиран за предиктивну аналитику производа или уређаја. Са дигиталним близанцем, животи у медицини, спорту и образовању могу се побољшати усвајањем приступа здравству који је више заснован на подацима. Доступност технологије омогућава креирање персонализованих модела пацијената који се могу континуирано ажурирати на основу прикупљених параметара здравља и начина живота. Ово на крају може довести до виртуелног пацијента који детаљно описује здравствено стање појединца, уместо да се ослања искључиво на прошле записе. Штавише, дигитални близанац омогућава поређење записа појединца са записима популације како би се лакше идентификовали обрасци са високим степеном тачности. Највећа предност дигиталних близанаца за здравство је могућност прилагођавања здравствене заштите индивидуалним одговорима пацијената. Дигитални близанци неће само довести до прецизнијих дефиниција здравља појединачног пацијента, већ ће променити и перципирану слику здравог пацијента. Раније се „здраво“ дефинисало као одсуство било каквих знакова болести. Сада се „здрави“ пацијенти могу упоредити са остатком популације како би се дефинисало право здравље . Међутим, појава дигиталних близанаца у здравству доноси и неке недостатке. Дигитални близанци могу довести до неједнакости, јер технологија можда није доступна свима и могла би проширити јаз између богатих и сиромашних. Штавише, дигитални близанци ће открити обрасце унутар популације који би могли довести до дискриминације.

Концепт дигиталног близанца такође добија на замаху у медицини, где се креира виртуелни приказ пацијента како би се симулирале медицинске процедуре. Ово омогућава лекарима да се упознају са специфичном ситуацијом пацијента пре лечења, а код хируршких операција, имплантати специфични за пацијента (нпр. вештачки зглобови) могу бити префабриковани и прецизно уметнути, што доводи до побољшаних хируршких исхода и бржег опоравка.

Аутомобилска индустрија је унапређена технологијом дигиталних близанаца. Дигитални близанци у аутомобилској индустрији се имплементирају коришћењем постојећих података како би се поједноставили процеси и смањили маргинални трошкови. Тренутно, аутомобилски инжењери проширују постојећу физичку материјалност укључивањем софтверских дигиталних могућности. Конкретан пример технологије дигиталних близанаца у аутомобилској индустрији је да аутомобилски инжењери користе технологију дигиталних близанаца у комбинацији са аналитичким алатима компаније како би анализирали како се одређени аутомобил вози. Ово им омогућава да предложе нове карактеристике за аутомобил које могу смањити број несрећа на путу, нешто што је раније било немогуће постићи за тако кратко време.

Дигиталне технологије поседују одређене карактеристике које их разликују од других технологија. Ове карактеристике, заузврат, имају специфичне последице. Дигитални близанци показују следеће карактеристике.

Повезивање

Једна од кључних карактеристика технологије дигиталних близанаца је њена повезаност. Недавни развој Интернета ствари (IoT) доводи до бројних нових технологија. Развој IoT-а такође покреће развој технологије дигиталних близанаца. Ова технологија дели многе карактеристике са природом IoT-а, наиме његову повезаност. Пре свега, технологија омогућава повезаност између физичке компоненте и њеног дигиталног пандана. Ова веза чини основу дигиталног близанца, без које технологија дигиталних близанаца не би постојала. Као што је описано у претходном одељку, ова повезаност се успоставља путем сензора на физичком производу који прикупљају податке и интегришу и комуницирају ове податке путем различитих технологија интеграције. Технологија дигиталних близанаца омогућава побољшану повезаност између компанија, производа и купаца. На пример, повезаност између партнера у ланцу снабдевања може се повећати омогућавањем овим партнерима да провере дигиталног близанца производа или средства. Ови партнери затим могу да провере статус тог производа једноставним приступом дигиталном близанцу.

Повезаност са купцима такође се може повећати.

Сервитизација се односи на процес којим компаније додају вредност својој основној понуди кроз услуге. У случају мотора, производња мотора је основна понуда ове организације, која затим пружа додатну вредност нудећи услугу за преглед и одржавање мотора.

Сервитизација

Сервитизација је иновација пословног модела релевантна за производне компаније, која се односи на померање њиховог постојећег портфолија производа са искључиво опипљивих добара на комбинацију добара и услуга. Стога одражава општи економски тренд ка друштву заснованом на услугама на нивоу компаније.

Примери сервитизације постоје већ преко 100 година. Међутим, тема је брзо добила на значају у последњих 20-ак година, јер због глобализације компаније у земљама са високим платама попут Немачке виде то као начин да се заштите од конкуренције из земаља са ниским платама. У академским круговима, сервитизација се етаблирала као независна истраживачка тема захваљујући истраживачком чланку Сандре Вандермерве и Хуана Раде.

Хомогенизација

Дигитални близанци се могу окарактерисати као дигитална технологија која је и последица и омогућавач хомогенизације података. Пошто се било која врста информација или садржаја сада може чувати и преносити у истом дигиталном облику, може се креирати виртуелни приказ производа (у облику дигиталног близанца), чиме се информација одваја од њеног физичког облика. Хомогенизација података и одвајање информација од њеног физичког артефакта омогућили су појаву дигиталних близанаца. Дигитални близанци такође омогућавају дигитално складиштење све веће количине информација о физичким производима и њихово одвајање од самог производа.

Како се подаци све више дигитализују, могу се брзо и исплативо преносити, чувати и обрађивати. Према Муровом закону, рачунарска снага ће наставити експоненцијално да расте у наредним годинама, док ће трошкови обраде података значајно опадати. То би стога довело до нижих маргиналних трошкова за развој дигиталних близанаца и учинило би релативно много јефтинијим тестирање, предвиђање и решавање проблема коришћењем виртуелних репрезентација, уместо тестирања на физичким моделима и чекања да се физички производи покваре пре него што се предузму мере.

Још једна последица хомогенизације и раздвајања информација је конвергенција корисничког искуства. Како се информације из физичких објеката дигитализују, један артефакт може понудити мноштво нових могућности. Технологија дигиталних близанаца омогућава дељење детаљних информација о физичком објекту са већим бројем агената, без обзира на локацију или време. У својој белој књизи о технологији дигиталних близанаца у производној индустрији, Мајкл Гривс напомиње следеће у вези са последицама хомогенизације коју омогућавају дигитални близанци:

У прошлости, руководиоци фабрика су имали своје канцеларије са погледом на фабрику, што им је омогућавало да стекну утисак о томе шта се дешава у производном погону. Са дигиталним близанцем, не само руководилац фабрике, већ сви који су укључени у фабричку производњу могу имати исти виртуелни прозор не само ка једној фабрици, већ ка свим фабрикама широм света.

Репрограмабилно и интелигентно

Као што је раније поменуто, дигитални близанац омогућава репрограмирање физичког производа на одређени начин. Штавише, дигитални близанац се такође може аутоматски репрограмирати коришћењем сензора на физичком производу, технологија вештачке интелигенције и предиктивне аналитике. Једна од последица ове репрограмираности је појава нових функционалности. Узимајући поново пример мотора, дигитални близанци се могу користити за прикупљање података о перформансама мотора и, ако је потребно, за подешавање мотора и креирање новије верзије производа. Сервитација се такође може посматрати као последица репрограмираности. Произвођачи могу бити одговорни за праћење дигиталног близанца, вршење подешавања или репрограмирање по потреби, и то могу понудити као додатну услугу.

Дигитални трагови

Још једна карактеристика је чињеница да технологије дигиталних близанаца остављају дигиталне трагове. Ове трагове инжењери могу користити, на пример, да провере историју дигиталног близанца у случају квара машине, како би дијагностиковали одакле је проблем настао. У будућности, ове дијагнозе могу користити и произвођачи ових машина за побољшање својих дизајна, чиме се смањује учесталост истих кварова.

Модуларност

У контексту производне индустрије, модуларност се може описати као дизајн и адаптација производа и производних модула. Додавањем модуларности производним моделима, произвођачи добијају могућност оптимизације модела и машина. Технологија дигиталних близанаца омогућава произвођачима да прате машине које се користе и идентификују потенцијална подручја за побољшање. Са модуларним машинама, произвођачи могу да користе технологију дигиталних близанаца да идентификују које компоненте утичу на перформансе машина и да их замене боље прилагођеним компонентама како би побољшали производни процес.