Digital Twin - Digital Twin: 3D -visualisering och den digitala leveranskedjanhanteringen

Digital tråd definieras som "användningen av digitala verktyg och representationer för design, utvärdering och livscykelhantering".

Termen ”digital tråd” användes först i USAF:s rapport ”Global Horizons 2013” ​​från Global Science and Technology Vision Task Force.

Termen Digital Thread förfinades ytterligare av Singh och Willcox vid MIT i deras artikel från 2018 med titeln "Engineering with a Digital Thread". I denna akademiska artikel definieras termen Digital Thread som "en datadriven arkitektur som länkar information från hela produktens livscykel och är avsedd att fungera som den primära eller auktoritativa data- och kommunikationsplattformen för en organisations produkter vid varje given tidpunkt".

I en snävare bemärkelse används termen "digital tråd" också för att hänvisa till den lägsta design- och specifikationsnivån för en digital representation av ett fysiskt objekt. Den digitala tråden är en avgörande funktion inom modellbaserad systemteknik (MBSE) och grunden för en digital tvilling.

Termen digital tråd används också för att beskriva spårbarheten av den digitala tvillingen till de krav, delar och styrsystem som utgör det fysiska objektet.

Smart Factory – Användning av affärsrelevanta koncept i Tyskland – Bild: Xpert.Digital

Grafiken visar resultaten av en undersökning från 2017 bland VD:ar för tyska industriföretag gällande de tekniker som används i smarta fabriker idag och i framtiden. 23 procent av de svarande uppgav att de för närvarande använder den digitala tvillingen i sina produkter i sin smarta fabrik. 43 procent angav att de planerar att använda den digitala tvillingen i sina produkter i framtiden.

Detta gäller även autonom internlogistik: 17 % uppgav att de för närvarande (2017) använder det. 35 % planerar att implementera det senast 2022.

Användning om fem år (2022)

• Databaserad resursoptimering – 77 %
• Integrerad planering / integrerad planering - 61 %
• Stordatadriven process- och kvalitetsoptimering – 65 %
• Modulproduktionsanläggningar / modulproduktionstillgångar - 36 %
• Nätverksfabrik / ansluten fabrik - 60 %
• Förebyggande underhåll – 66 %
• Processvisualisering/automatisering – 62 %
• Digital tvilling av produkten / digital tvilling av produkten - 43 %
• Digital Twin of the Factory / Digital Twin of the Factory - 44 %
• Digital tvilling av produktionssystemet / digital tvilling av produktionstillgången - 39 %
• Flexibla produktionsmetoder / flexibla produktionsmetoder - 34 %
• Autonom intern logistik / autonom intra-växtlogistik-35 %
• Överföring av produktionsparametrar / överföring av produktionsparametrar - 32 %
• Helt autonom digital fabrik / helt autonom digital fabrik - 11 %

Användning idag (2017)

• Databaserad resursoptimering – 52 %
• Integrerad planering / integrerad planering - 32 %
• Stordatadriven process- och kvalitetsoptimering – 30 %
• Modulproduktionsanläggningar / modulproduktionstillgångar - 29 %
• Nätverksfabrik / ansluten fabrik - 29 %
• Förutsägande underhåll – 28 %
• Processvisualisering/automatisering – 28 %
• Digital tvilling av produkten / digital tvilling av produkten - 23 %
• Digital Twin of the Fabrik / Digital Twin of the Factory - 19 %
• Digital tvilling av produktionssystemet / digital tvilling av produktionstillgången - 18 %
• Flexibla produktionsmetoder / flexibla produktionsmetoder - 18 %
• Autonom intern logistik / autonom intra-växtlogistik-17 %
• Överföring av produktionsparametrar / överföring av produktionsparametrar - 16 %
• Helt autonom digital fabrik / helt autonom digital fabrik - 5 %

VD:ar för tyska industriföretag tillfrågades. Frågan formulerades enligt följande: ”Hur relevanta är följande begrepp för ert företag?” Källan ger ingen information om undersökningsmetodik eller om poäng överstigande 100 procent.

Ett exempel på hur digitala tvillingar används för att optimera maskiner är underhållet av energiproduktionsanläggningar som turbiner, jetmotorer och lok.

Ett annat exempel på digitala tvillingar är användningen av 3D-modeller för att skapa digitala följeslagare för fysiska objekt. Detta gör det möjligt att visa statusen för det faktiska fysiska objektet, vilket ger ett sätt att projicera fysiska objekt i den digitala världen. Om sensorer till exempel samlar in data från en ansluten enhet kan sensordatan användas för att uppdatera en kopia av enhetens tillstånd som en "digital tvilling" i realtid. Termen "enhetsskugga" används också för konceptet digital tvilling. Den digitala tvillingen är avsedd att vara en aktuell och korrekt kopia av egenskaperna och tillstånden hos det fysiska objektet, inklusive form, position, gester, status och rörelse.

En digital tvilling kan också användas för övervakning, diagnostik och prognoser för att optimera prestanda och utnyttjande av tillgångar. Inom detta område kan sensordata kombineras med historiska data, mänsklig expertis och fordonsflottans och simuleringsinlärning för att förbättra prognosresultaten. Därför kan komplexa prognoser och intelligenta underhållsplattformar utnyttja digitala tvillingar för att identifiera grundorsaken till problem och förbättra produktiviteten.

Digitala tvillingar av autonoma fordon och deras sensorer, inbäddade i en trafik- och miljösimulering, har också föreslagits som ett sätt att övervinna de betydande utmaningarna inom utveckling, testning och validering av applikationer inom bilindustrin, särskilt när de relevanta algoritmerna är baserade på artificiell intelligens-metoder som kräver omfattande utbildnings- och valideringsdataset.

De fysiskt tillverkade objekten virtualiseras och representeras som digitala tvillingmodeller (avatarer) som är sömlöst och tätt integrerade i både fysisk och cyberrymd. Fysiska objekt och tvillingmodeller interagerar på ett ömsesidigt fördelaktigt sätt.

Dynamik på branschnivå

Den digitala tvillingen förändrar hela PLM-processen (Product Lifecycle Management), från design och tillverkning till service och drift. För närvarande är PLM mycket tidskrävande när det gäller effektivitet, tillverkning, intelligens, servicefaser och hållbarhet inom produktdesign. En digital tvilling kan slå samman en produkts fysiska och virtuella utrymmen. Det gör det möjligt för företag att skapa ett digitalt fotavtryck av alla sina produkter, från design och utveckling genom hela deras livscykel. Generellt sett påverkas industrier som är involverade i tillverkning avsevärt av digitala tvillingar. I tillverkningsprocessen är den digitala tvillingen en virtuell kopia av realtidsoperationer på fabriksgolvet. Tusentals sensorer är placerade i hela den fysiska tillverkningsprocessen och samlar in data från olika dimensioner, såsom miljöförhållanden, maskinbeteende och utfört arbete. All denna data överförs och samlas kontinuerligt in av den digitala tvillingen. Tack vare sakernas internet (IoT) har digitala tvillingar blivit mer överkomliga och kan forma tillverkningsindustrins framtid. En fördel för ingenjörer är den verkliga användningen av produkter som designats virtuellt med hjälp av den digitala tvillingen. Avancerade metoder för produkt- och anläggningsunderhåll och -hantering blir alltmer tillgängliga, i takt med att en digital tvilling av den verkliga "varan" med realtidsfunktioner blir tillgänglig.

Digitala tvillingar erbjuder betydande affärspotential eftersom de förutspår framtiden snarare än att analysera tillverkningsprocessens förflutna. Den representation av verkligheten som skapas av digitala tvillingar gör det möjligt för tillverkare att utvecklas mot ex-ante affärsmetoder. Tillverkningens framtid bygger på följande sex aspekter:

• Skalbarhet,
• Modularitet,
• flexibilitet
• Autonomi,
• Anslutning
• och digital tvilling.

Med den ökande digitaliseringen av enskilda faser i en tillverkningsprocess uppstår möjligheter att uppnå högre produktivitet. Detta börjar med modularitet och leder till större effektivitet i produktionssystemet. Dessutom möjliggör autonomi för produktionssystemet att reagera effektivt och intelligent på oväntade händelser. Slutligen stänger uppkoppling, såsom sakernas internet, digitaliseringscykeln genom att möjliggöra optimering av den efterföljande produktdesign- och marknadsföringscykeln för högre prestanda. Detta kan leda till större kundnöjdhet och lojalitet om produkter kan upptäcka ett problem innan det faktiskt går sönder. I takt med att kostnaderna för lagring och databehandling fortsätter att minska, expanderar också de potentiella tillämpningarna av digitala tvillingar.

Den digitala tvillingen har särskild betydelse för industrin. Dess existens och användning i industriella värdeskapande processer kan ge företag en avgörande konkurrensfördel. Detta har varit särskilt sant sedan början av 2010-talet, då sakernas internet (IoT) möjliggjorde produktion av digitalt styrda och nätverksbaserade produkter av alla slag, tillsammans med integrerade tjänster.

Inom industrin finns digitala tvillingar för produkter, produktionsanläggningar, processer och tjänster, till exempel. De kan till och med existera före den fysiska tvillingen, till exempel designmodeller för framtida produkter. Och de kan användas för att analysera och utvärdera data från användningen av de fysiska tvillingarna. De tjänar en mängd olika syften och funktioner.

Deras särskilda värde för industrin härrör från elimineringen av fysiska prototyper och möjligheten att simulera beteendet, funktionaliteten och kvaliteten hos den verkliga tvillingen i alla relevanta aspekter. Detta värde kan utnyttjas för alla delar av värdekedjan genom hela livscykeln för produkter, system och tjänster.

En digital tvilling kan ta sig många olika uttryck. Den kan till exempel baseras på en beteendemodell av systemutvecklingen, en 3D-modell eller en funktionell modell som realistiskt och heltäckande visar de mekaniska, elektroniska och andra egenskaperna och prestandaegenskaperna hos den verkliga tvillingen under en modellbaserad designprocess.

De olika digitala tvillingarna kan länkas samman och möjliggöra även omfattande kommunikation och interaktion med sina fysiska motsvarigheter. Detta kallas även för en digital tråd som löper genom hela produktens livscykel och kan inkludera ytterligare produktrelevant information. Ett företag får störst nytta av en sådan kontinuerlig digital tråd, som möjliggör optimering över olika värdeskapande processer och utnyttjande av ett brett spektrum av digitala affärsmodeller för erbjudna produkter eller tjänster.

Produktionsteknik är bara en av många industriella tillämpningar. Digitala tvillingar kartlägger system genom hela deras livscykel (design, konstruktion, drift och återvinning). Även under planeringsfasen kan ingenjörer använda simuleringsmodeller för att optimera processer. När systemet väl är i drift kan samma simuleringsmodeller användas för att ytterligare optimera processer och omvandla produktionen.

Inom transport- och lagerhållningssektorerna utvecklar internationella logistikföretag som DHL och UPS kontinuerligt nya applikationer för digitala tvillingar, såsom spårning eller intelligent styrning av lager och hela hamnanläggningar. Programvarutillverkare som SAP och Oracle utökar sina ERP-system och erbjuder nya IT-lösningar som digitala leveranskedjor för leveranskedjehantering.

Konceptet med den digitala tvillingen tillämpas alltmer inom produktionsstyrning, logistik och upphandling. Detta gör att konceptet kan kopplas närmare till metoder och verktyg inom reglerteknik och automationsteknik.

Geografiska digitala tvillingar har blivit populära inom stadsplanering på grund av det ökande intresset för digital teknik inom smarta städer-rörelsen. Dessa digitala tvillingar föreslås ofta i form av interaktiva plattformar för att samla in och visualisera 3D- och 4D-rumsdata i realtid för att modellera stadsmiljöer (städer) och den data de innehåller.

Visualiseringstekniker som AR-system (augmented reality) används både som samarbetsverktyg för design och planering i byggda miljöer och för att integrera dataflöden från inbyggda sensorer i städer och API-tjänster för att skapa digitala tvillingar. AR gör det till exempel möjligt att projicera kartor, byggnader och data från augmented reality på bordsskivor för gemensam visning av byggproffs.

Inom byggbranschen digitaliseras planering, design, konstruktion, drift och underhåll i allt högre grad – särskilt genom införandet av BIM-processer (byggnadsinformationsmodellering). Digitala tvillingar av byggnader ses som en logisk förlängning – både på individuell byggnadsnivå och nationell nivå. I Storbritannien publicerade till exempel Centre for Digital Built Britain Gemini-principerna i november 2018, som beskriver principerna för att utveckla en "nationell digital tvilling".

Ett av de tidigaste exemplen på en fungerande ”digital tvilling” implementerades 1996 under byggandet av Heathrow Express-anläggningarna vid Heathrow Airports terminal 1. Konsulten Mott MacDonald och BIM-pionjären Jonathan Ingram kopplade rörelsesensorer i kassunen och borrhålen till den digitala objektmodellen för att visa rörelse i modellen. Ett digitalt injektionsobjekt skapades för att övervaka effekterna av att pumpa in injekteringsbruk i marken för att stabilisera markrörelser.

Hälso- och sjukvården anses vara en bransch som transformeras av digital tvillingteknik. Konceptet med digitala tvillingar inom hälso- och sjukvården föreslogs ursprungligen och implementerades först för prediktiv analys av produkter eller enheter. Med en digital tvilling kan liv inom medicin, sport och utbildning förbättras genom att anta en mer datadriven strategi för hälso- och sjukvård. Tillgången till teknik gör det möjligt att skapa personliga patientmodeller som kontinuerligt kan uppdateras baserat på insamlade hälso- och livsstilsparametrar. Detta kan i slutändan leda till en virtuell patient som beskriver en individs hälsostatus i detalj, snarare än att enbart förlita sig på tidigare journaler. Dessutom möjliggör den digitala tvillingen att en individs journaler jämförs med befolkningens för att lättare identifiera mönster med hög noggrannhet. Den största fördelen med digitala tvillingar för hälso- och sjukvården är möjligheten att skräddarsy hälso- och sjukvården efter individuella patientsvar. Digitala tvillingar kommer inte bara att leda till mer exakta definitioner av en enskild patients hälsa utan kommer också att förändra den upplevda bilden av en frisk patient. Tidigare definierades "frisk" som frånvaron av tecken på sjukdom. Nu kan "friska" patienter jämföras med resten av befolkningen för att definiera verklig hälsa. Tillkomsten av digitala tvillingar inom hälso- och sjukvården medför dock också vissa nackdelar. Digitala tvillingar kan leda till ojämlikhet, eftersom tekniken kanske inte är tillgänglig för alla och kan öka klyftan mellan rika och fattiga. Dessutom kommer digitala tvillingar att upptäcka mönster inom en befolkning som kan leda till diskriminering.

Konceptet med den digitala tvillingen vinner också popularitet inom medicin, där en virtuell representation av en patient skapas för att simulera medicinska procedurer. Detta gör det möjligt för läkare att bekanta sig med patientens specifika situation före behandling, och vid kirurgiska operationer kan patientspecifika implantat (t.ex. artificiella leder) prefabriceras och sättas in exakt, vilket leder till förbättrade kirurgiska resultat och snabbare återhämtning.

Bilindustrin har stärkts av digital tvillingteknik. Digitala tvillingar inom bilindustrin implementeras genom att utnyttja befintlig data för att förenkla processer och minska marginalkostnader. För närvarande utökar fordonsingenjörer befintlig fysisk materialitet genom att införliva programvarubaserade digitala funktioner. Ett konkret exempel på digital tvillingteknik inom bilindustrin är att fordonsingenjörer använder digital tvillingteknik i kombination med företagets analysverktyg för att analysera hur en viss bil körs. Detta gör det möjligt för dem att föreslå nya funktioner för bilen som kan minska antalet olyckor på vägarna, något som tidigare var omöjligt att uppnå på så kort tid.

Digitala teknologier har vissa egenskaper som skiljer dem från andra teknologier. Dessa egenskaper har i sin tur specifika konsekvenser. Digitala tvillingar uppvisar följande egenskaper.

Anslutning

En av de viktigaste egenskaperna hos digital tvillingteknik är dess uppkoppling. Den senaste utvecklingen av sakernas internet (IoT) ger upphov till ett flertal nya tekniker. Utvecklingen av IoT driver också utvecklingen av digital tvillingteknik. Denna teknik delar många egenskaper med IoT:s natur, nämligen dess uppkoppling. Tekniken möjliggör främst uppkoppling mellan den fysiska komponenten och dess digitala motsvarighet. Denna uppkoppling utgör grunden för den digitala tvillingen, utan vilken digital tvillingteknik inte skulle existera. Som beskrivits i föregående avsnitt upprättas denna uppkoppling genom sensorer på den fysiska produkten som samlar in data och integrerar och kommunicerar dessa data via olika integrationstekniker. Digital tvillingteknik möjliggör förbättrad uppkoppling mellan företag, produkter och kunder. Till exempel kan uppkopplingen mellan partners i en leveranskedja ökas genom att dessa partners kan kontrollera den digitala tvillingen för en produkt eller tillgång. Dessa partners kan sedan verifiera produktens status genom att helt enkelt komma åt den digitala tvillingen.

Kontakten med kunderna kan också ökas.

Tjänstefiering avser den process genom vilken företag adderar värde till sitt kärnerbjudande genom tjänster. När det gäller motorer är tillverkningen av motorn organisationens kärnerbjudande, som sedan ger mervärde genom att erbjuda en tjänst för motorinspektion och underhåll.

Service

Tjänstefiering är en affärsmodellinnovation som är relevant för tillverkningsföretag och hänvisar till skiftet i deras befintliga produktportfölj från enbart konkreta varor till en kombination av varor och tjänster. Det återspeglar således den övergripande ekonomiska trenden mot ett tjänstebaserat samhälle på företagsnivå.

Exempel på tjänstebildning har funnits i över 100 år. Ämnet har dock snabbt fått ökad betydelse under de senaste 20 åren eftersom företag i höglöneländer som Tyskland, på grund av globaliseringen, ser det som ett sätt att skydda sig mot konkurrens från låglöneländer. Inom den akademiska världen har tjänstebildning etablerat sig som ett självständigt forskningsämne tack vare en forskningsartikel av Sandra Vandermerwe och Juan Rada.

Homogenisering

Digitala tvillingar kan karakteriseras som en digital teknologi som både är en konsekvens av och möjliggör datahomogenisering. Eftersom alla typer av information eller innehåll nu kan lagras och överföras i samma digitala form, kan en virtuell representation av produkten (i form av en digital tvilling) skapas, vilket frikopplar informationen från dess fysiska form. Homogeniseringen av data och frikopplingen av information från dess fysiska artefakt har därmed möjliggjort framväxten av digitala tvillingar. Digitala tvillingar gör det också möjligt att digitalt lagra ökande mängder information om fysiska produkter och frikoppla den från själva produkten.

I takt med att data blir alltmer digitaliserad kan den överföras, lagras och bearbetas snabbt och kostnadseffektivt. Enligt Moores lag kommer datorkraften att fortsätta öka exponentiellt under de kommande åren, medan kostnaden för databehandling kommer att minska avsevärt. Detta skulle därför leda till lägre marginalkostnader för att utveckla digitala tvillingar och göra det jämförelsevis mycket billigare att testa, förutsäga och lösa problem med hjälp av virtuella representationer, snarare än att testa dem på fysiska modeller och vänta på att fysiska produkter ska gå sönder innan man vidtar åtgärder.

En annan konsekvens av homogeniseringen och frikopplingen av information är konvergensen av användarupplevelsen. I takt med att information från fysiska objekt digitaliseras kan en enda artefakt erbjuda en mängd nya möjligheter. Digital tvillingteknik gör det möjligt att dela detaljerad information om ett fysiskt objekt med ett större antal agenter, oavsett plats eller tid. I sin vitbok om digital tvillingteknik inom tillverkningsindustrin noterar Michael Grieves följande angående konsekvenserna av den homogenisering som möjliggörs av digitala tvillingar:

Förr i tiden hade fabrikschefer sina kontor med utsikt över fabriken, vilket gjorde det möjligt för dem att få en uppfattning om vad som hände på verkstadsgolvet. Med den digitala tvillingen kan inte bara fabrikschefen, utan alla inblandade i fabriksproduktionen, ha samma virtuella fönster, inte bara till en enda fabrik, utan till alla fabriker världen över.

Omprogrammerbar och intelligent

Som tidigare nämnts tillåter en digital tvilling att en fysisk produkt omprogrammeras på ett specifikt sätt. Dessutom kan den digitala tvillingen också omprogrammeras automatiskt med hjälp av sensorer på den fysiska produkten, artificiell intelligens och prediktiv analys. En konsekvens av denna omprogrammerbarhet är framväxten av nya funktioner. Om vi ​​tar exemplet med en motor igen kan digitala tvillingar användas för att samla in data om motorns prestanda och, vid behov, justera motorn och skapa en nyare version av produkten. Servitation kan också ses som en konsekvens av omprogrammerbarhet. Tillverkare kan ansvara för att övervaka den digitala tvillingen, göra justeringar eller omprogrammera den efter behov, och de kan erbjuda detta som en tilläggstjänst.

Digitala spår

En annan egenskap är att digitala tvillingtekniker lämnar digitala spår. Dessa spår kan användas av ingenjörer för att till exempel kontrollera den digitala tvillingens historik vid maskinfel, i syfte att diagnostisera var problemet uppstod. I framtiden kan dessa diagnoser även användas av tillverkarna av dessa maskiner för att förbättra sina konstruktioner och därmed minska frekvensen av samma fel.

Modularitet

Inom tillverkningsindustrin kan modularitet beskrivas som design och anpassning av produkter och produktionsmoduler. Genom att lägga till modularitet i tillverkningsmodeller får tillverkare möjlighet att optimera modeller och maskiner. Digital tvillingteknik gör det möjligt för tillverkare att spåra de maskiner som används och identifiera potentiella förbättringsområden. Med modulära maskiner kan tillverkare använda digital tvillingteknik för att identifiera vilka komponenter som påverkar maskinens prestanda och ersätta dem med bättre lämpade komponenter för att förbättra tillverkningsprocessen.