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 för första gången i rapporten "Global Horizons 2013" från USAF Global Science and Technology Vision Task Force.

Termen digital tråd förfinades ytterligare 2018 av Singh och Willcox på deras papper med titeln Engineering med en digital tråd. I denna akademiska artikel definieras termen digital tråd som en "datakontrollerad arkitektur som kopplade information från hela produktlivscykeln och är avsedd som en primär eller relevant data- och kommunikationsplattform för ett företags produkter hela tiden."

I smalare mening används den digitala tråden också för att hänvisa till den lägsta designen och specifikationsnivån för en digital representation av ett fysiskt objekt. Den digitala tråden är en avgörande förmåga i Model -baserade Systems Engineering (MBSE) och grunden för en digital tvilling.

Termen digital tråd används också för att beskriva spårbarheten för den digitala tvillingen på kraven, delning och kontrollsystem från vilka det fysiska objektet.

Smart Factory - Användning av företag -relevanta koncept i Tyskland - Bild: Xpert.Digital

Grafiken visar resultatet av en undersökning som genomfördes 2017 bland verkställande direktörer för tyska industriföretag som använde teknik i intelligenta fabriker idag och i framtiden. 23 procent av de svarande uppgav att de för närvarande använder den digitala tvillingen i produkten i sin intelligenta fabrik. 43 procent gav användningen av den digitala tvillingen av produkterna för framtiden.

Detta påverkar också autonom intern logistik: 17% uppgav att de för närvarande används (2017). Plan 35 % för att genomföra detta år 2022.

Användning på fem år (2022)

• Databaserad resursoptimering / data-aktiverad resursoptimering-77 %
• Integrerad planering / integrerad planering - 61 %
• Big-data-baserad process och kvalitetsoptimering / big data-driven process och kvalitetsoptimering-65 %
• Modulproduktionsanläggningar / modulproduktionstillgångar - 36 %
• Nätverksfabrik / ansluten fabrik - 60 %
• Framåtutseende underhåll / prediktivt underhåll - 66 %
• Processvisualisering/automatisering/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 / data-aktiverad resursoptimering-52 %
• Integrerad planering / integrerad planering - 32 %
• Big-data-baserad process och kvalitetsoptimering / big data-driven process och kvalitetsoptimering-30 %
• Modulproduktionsanläggningar / modulproduktionstillgångar - 29 %
• Nätverksfabrik / ansluten fabrik - 29 %
• Framåtutseende underhåll / prediktivt underhåll - 28 %
• Processvisualisering/automatisering/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 för tyska industriföretag intervjuades. Denna fråga ställdes i undersökningen i följande ordalydelse: "Hur relevanta är följande koncept för ditt företag?". Källan ger ingen information om typen av undersökning och över 100 procent poäng.

Ett exempel på hur digitala tvillingar används för att optimera maskiner är upprätthållandet av energiproduktionssystem som turbiner, munstycksmotorer och lok.

Ett annat exempel på digitala tvillingar är användningen av 3D -modeller för att skapa digitala följeslagare för fysiska föremål. Detta gör att statusen för det faktiska fysiska objektet kan visas, vilket erbjuder ett sätt att projicera fysiska föremål i den digitala världen. Till exempel, om sensorer samlar in data från en ansluten enhet, kan sensordata användas för att uppdatera en kopia av enhetstillståndet som en "digital tvilling" i realtid. Termen "enhetsskugga" används också för begreppet den digitala tvillingen. Den digitala tvillingen bör vara en aktuell och exakt kopia av egenskaperna och förhållandena för det fysiska objektet, inklusive form, position, gester, status och rörelse.

En digital tvilling kan också användas för att övervaka, diagnostisera och prognos för att optimera prestandan och användningen av system. På detta område kan sensoriska data kombineras med historiska data, mänsklig expertis samt lärning av flotta och simulering för att förbättra resultatet av prognoserna. Därför kan komplexa prognoser och intelligenta underhållsplattformar använda digitala tvillingar för att hitta orsaken till problem och förbättra produktiviteten.

Digitala tvillingar av autonoma fordon och deras sensorer, som är inbäddade i en trafik- och miljösimulering, föreslogs också som ett sätt att övervinna de betydande utmaningarna i utvecklingen, undersökningen och valideringen av applikationer i fordonsindustrin, särskilt om motsvarande algoritmer är baserade på metoder för konstgjord intelligens, som kräver omfattande utbildning och valideringsuppgifter.

De fysiska tillverkningsobjekten är virtualiserade och representerade som digitala tvillingmodeller (avatarer), som är sömlösa och nära integrerade både i det fysiska och cyberspace. Fysiska objekt och tvillingmodeller interagerar på ett sätt som är fördelaktigt för båda sidor.

Dynamik på branschnivå

Den digitala tvillingen förändrar hela produktlivscykelhanteringen (PLM), från utkast till produktion till service och drift. Numera är PLM mycket tidskonsumtiv när det gäller effektivitet, produktion, intelligens, servicefaser och hållbarhet i produktdesign. En digital tvilling kan slå samman det fysiska och virtuella utrymmet för produkten. Den digitala tvillingen gör det möjligt för företag att skapa ett digitalt fotavtryck av alla sina produkter, från design till utveckling och under hela produktlivscykeln. I allmänhet påverkas industrier som arbetar i produktionen allvarligt av digitala tvillingar. I tillverkningsprocessen är den digitala tvillingen en virtuell kopia av de snabba processerna i fabriken. Tusentals sensorer placeras i hela den fysiska produktionsprocessen som samlar in all data från olika dimensioner, t.ex. B. Omgivningsförhållanden, beteendegenskaperna hos maskinen och utförde arbete. All dessa data överförs kontinuerligt och samlas in av den digitala tvillingen. Tack vare Internet of Things har digitala tvillingar blivit mer överkomliga och kan bestämma tillverkningsindustrins framtid. En fördel för ingenjörer är den verkliga användningen av produkter som är utformade praktiskt taget av den digitala tvillingen. Avancerade metoder för produkt- och systemunderhåll och hantering är inom räckhåll, eftersom det finns en digital tvilling av den verkliga "saken" med verkliga tidsfunktioner.

Digitala tvillingar erbjuder stor affärspotential eftersom de förutspår framtiden istället för att analysera tillverkningsprocessens förflutna . Representationen av verkligheten skapad av digitala tvillingar gör det möjligt för tillverkare att utvecklas i riktning mot ex-antydat affärsspråk. Produktionens framtid är baserad på följande 6 aspekter:

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

Med den ökande digitaliseringen av de enskilda faserna i en tillverkningsprocess finns det möjligheter att uppnå högre produktivitet. Detta börjar med modularitet och leder till högre effektivitet i produktionssystemet. Dessutom gör autonomi produktionssystemet att reagera effektivt och intelligent till oväntade händelser. Slutligen möjliggör anslutningen, såsom Internet of Things, stängningen av digitaliseringscykeln genom att göra det möjligt att optimera följande cykel av produktdesign och reklam för högre prestanda. Detta kan leda till högre kundtillfredsställelse och lojalitet om produkter kan känna igen ett problem innan det faktiskt visar sig. Eftersom kostnaderna för lagring och databehandling blir allt mindre, expanderar de möjliga användningarna för digitala tvillingar också.

Den digitala tvillingen är särskilt betydelse för industrin. Dess existens och användning i processerna för industriellt mervärde kan vara en avgörande konkurrensfördel för företag. Detta har särskilt varit sedan början av 2010 -talet sedan Internet of Things gjorde det möjligt att tillverka digitalt kontrollerade och nätverkade produkter av alla slag med integrerade tjänster.

I branschen finns det digitala tvillingar, till exempel för produkter, produktionsanläggningar, processer och tjänster. Du kan också existera före den verkliga tvillingen, till exempel som designmodeller för framtida produkter. Och de kan tjäna till att analysera och utvärdera data från användningen av de verkliga tvillingarna. De har ett brett utbud av syften och funktioner.

Deras speciella värde för branschresultat från sparandet av fysiska prototyper och möjligheten att simulera beteende, funktionalitet och kvalitet på den verkliga tvillingen från alla relevanta aspekter. Detta värde kan användas för alla delar av värdeskapandet under hela livscykeln för produkter, system och tjänster.

En digital tvilling tar på sig en mängd olika former. Till exempel kan den bygga på en beteendemodell för systemutveckling, en 3D-modell eller en funktionell modell, som visar mekaniska, elektroniska och andra egenskaper och funktioner hos den verkliga tvillingen så realistiskt och omfattande som möjligt under en modellbaserad design.

De olika digitala tvillingarna kan kopplas och också möjliggöra omfattande kommunikation och interaktion med de verkliga tvillingarna. Man talar också om en digital tråd (digital tråd) som går igenom hela produktens livscykel och kan låsa annan produktrelaterad information. Ett företag med en så konsekvent digital tråd som tillåter optimering över olika värdeskapande processer och utnyttjandet av ett stort utbud av digitala affärsmodeller för produkter eller erbjudna tjänster har den största fördelen.

Produktionsteknologi är bara en av många industriella områden. Digitala tvillingar visar system under hela livscykeln (design, skapande, drift och återvinning). Även under planering kan ingenjörer använda simuleringsmodeller för att optimera processer. Om systemet är i drift kan samma simuleringsmodeller användas för att ytterligare optimera processer och för att ändra produktion.

Inom området för transporthantering och lagersystem utvecklar internationella logistikföretag som DHL eller UPS ständigt nya applikationer för digital tvilling som spår och spår eller intelligent kontroll av lager samt hela portsystem. Programvarutillverkare som SAP eller Oracle utvidgar sina ERP -system och erbjuder nya IT -lösningar som en digital leveranskedja för hantering av leveranskedjor.

Konceptet med den digitala tvillingen används alltmer i produktionskontroll, logistik och upphandling. Detta kan noggrant kombinera detta koncept med metoder och medel för kontrollteknologi och kontrollteknik.

Geografiska digitala tvillingar har blivit populära i stadsplaneringspraxis på grund av det ökande intresset för digital teknik i Smart Cities -rörelsen. Dessa digitala tvillingar föreslås ofta i realtid i form av interaktiva plattformar för inspelning och visning av 3D- och 4D -rymddata för att modellera stadsmiljöer (städer) och uppgifterna där.

Visualiseringsteknologier som Augmented Reality (AR) -system används både som ett samarbetsverktyg för design och planering i den uppbyggda miljön samt integrationen av datainmatning från inbäddade sensorer i städer och API-tjänster för bildning av digitala tvillingar. Med AR kan till exempel augmented reality -kort, byggnader och data projiceras på bordsskivor för att titta på dem tillsammans av experter från byggbranschen.

I byggindustrin, -among andra saker, genom att introducera BIM-processer (byggnadsinformationsmodellering) -planering, design, konstruktion, drifts- och underhållsaktiviteter digitaliseras alltmer, och digitala tvillingar av byggnader betraktas som logisk expansionsbedan på enskilda byggnader och på nationell nivå. I november 2018 publicerade till exempel Center for Digital Built Storbritannien Gemini -principerna i Storbritannien, där principerna för utveckling av en ”nationell digital tvilling” presenteras.

Ett av de tidigaste exemplen på en fungerande "digital tvilling" realiserades 1996 när Heathrow Express -anläggningarna byggdes vid terminal 1 på Heathrow flygplats. Konsulten Mott MacDonald och BIM -pionjären Jonathan Ingram kombinerade rörelsessensorer i resväskedammen och i hålen med den digitala objektmodellen för att visa rörelser i modellen. Ett digitalt injektionsobjekt skapades för att övervaka effekterna av pumpning av murbruk i jorden för att stabilisera markrörelser.

Sjukvårdssystemet betraktas som en bransch som förändras av tekniken för den digitala tvillingen. Konceptet med den digitala tvillingen inom sjukvårdsindustrin föreslogs ursprungligen och användes för första gången för produkt- eller enhetsprognos. Med en digital tvilling kan livet inom områdena medicin, sport och utbildning förbättras genom att bedriva en mer data -kontrollerad strategi inom sjukvården. Tillgängligheten till teknologier gör det möjligt att skapa personliga modeller för patienter som kontinuerligt kan anpassas utifrån de registrerade hälso- och livsstilsparametrarna. I slutändan kan detta leda till en virtuell patient som beskriver hälsan hos en enda patient i detalj och inte bara är baserad på tidigare poster. Dessutom gör den digitala tvillingen de enskilda posterna att jämföra med befolkningen för att lättare hitta mönster med stor detalj. Den största fördelen med den digitala tvillingen för sjukvårdssystemet är det faktum att hälsovården kan anpassas efter reaktionerna från de enskilda patienterna. Digitala tvillingar kommer inte bara att leda till bättre upplösningar för att definiera hälsan hos en enda patient, utan också ändra den förväntade bilden av en frisk patient. Tidigare var "frisk" "frisk" än bristen på tecken på sjukdom. Nu kan "friska" patienter jämföras med resten av befolkningen för att definiera riktigt friska . Tillkomsten av den digitala tvillingen i sjukvårdssystemet medför dock också några nackdelar. Den digitala tvillingen kan leda till ojämlikhet, eftersom tekniken kanske inte är tillgänglig för alla och klyftan mellan rika och fattiga. Dessutom kommer den digitala tvillingen att känna igen mönster i en befolkning som kan leda till diskriminering.

Idén om den digitala tvillingen sprids också alltmer i medicinen genom att skapa en virtuell bild av en patient för att simulera medicinska tillämpningar. På detta sätt kan läkaren hantera den specifika situationen för respektive patient före behandling och i fallet med kirurgiska operationer kan patientens specifika operationer (t.ex. konstgjorda leder) prefabriceras och användas exakt, vilket möjliggör ett förbättrat operationens resultat och en snabbare återhämtning.

Bilindustrin förbättrades med digital tvillingteknologi. Digitala tvillingar i bilindustrin implementeras genom användning av befintliga data för att förenkla processer och minska begränsningskostnaderna. Fordonsdesignerna utvidgar för närvarande den befintliga fysiska materialiteten genom att inkludera programvarubaserade digitala färdigheter. Ett konkret exempel på tekniken för den digitala tvillingen inom bilindustrin är att biltekniker använder tekniken för den digitala tvillingen i kombination med företagets analysverktyg för att analysera hur en specifik bil drivs. På detta sätt kan du föreslå att du integrerar nya funktioner i bilen som kan minska antalet olyckor på gatorna, vilket ännu inte var möjligt på så kort tid.

Digital teknik har vissa egenskaper som skiljer dem från andra tekniker. Dessa egenskaper i sin tur har vissa konsekvenser. Digitala tvillingar har följande egenskaper.

Anslutning

En av de viktigaste funktionerna i Digital Twin Technology är dess anslutning. Den senaste utvecklingen av Internet of Things (IoT) producerar många nya tekniker. Utvecklingen av IoT främjar också utvecklingen av digital tvillingteknologi. Denna teknik har många egenskaper som matchar IoT: s karaktär, nämligen dess bindande karaktär. Först och främst möjliggör tekniken anslutning mellan den fysiska komponenten och dess digitala motsvarighet. Grunden för den digitala tvillingen är baserad på denna anslutning, utan vilken digital tvillingteknologi inte skulle existera. Som beskrivs i föregående avsnitt produceras denna anslutning av sensorer på den fysiska produkten, data fångar och integrerar och kommunicerar dessa data via olika integrationsteknologier. Tekniken för den digitala tvillingen möjliggör ökad anslutning mellan företag, produkter och kunder. Till exempel kan anslutningen mellan partnerna i en leveranskedja ökas genom att göra det möjligt för medlemmarna i denna leveranskedja att kontrollera den digitala tvillingen för en produkt eller ett system. Dessa partners kan sedan kontrollera statusen för denna produkt genom att helt enkelt kontrollera den digitala tvillingen.

Anslutning med kunder kan också ökas.

Servitisering är processen där företag lägger till mervärde till sitt kärnbjudande genom tjänster. När det gäller exemplet med motorer är produktionen av motorn kärnbjudandet från denna organisation, som sedan erbjuder mervärde genom att tillhandahålla en tjänst för att kontrollera motorn och underhåll.

Service

Servitisering är en affärsmodellinnovation som är relevant för tillverkningsföretag och är förändringen i den tidigare erbjudandeportföljen bort från endast materiella varor och till en kombination av materiella varor och tjänster. På så sätt återspeglar det den övergripande ekonomiska trenden gentemot serviceföretaget på företagsnivå.

Exempel på tjänst har funnits i mer än 100 år. Ämnet har emellertid snabbt blivit viktigare i cirka 20 år eftersom företagen i Hochlohn -länder som Tyskland ser ett sätt att skydda sig mot konkurrens från låga löparländer på grund av globaliseringen. Inom vetenskapen har servitationen etablerat sig som ett oberoende forskningsämne på grund av en specialiserad artikel av Sandra Vandermerwe och Juan Rada.

Homogenisering

Digitala tvillingar kan karakteriseras som en digital teknik som är både konsekvensen och möjliggöraren av homogenisering av data. Eftersom alla typer av information eller innehåll nu kan sparas och överföras i samma digitala form, kan den användas för att skapa en virtuell representation av produkten (i form av en digital tvilling), vilket minskar information från dess fysiska form. Homogeniseringen av data och avkoppling av informationen från din fysiska artefakt gjorde det möjligt att utveckla digitala tvillingar. Emellertid möjliggör digitala tvillingar också mer och mer information om fysiska produkter digitalt och att avkoppla från själva produkten.

Eftersom data alltmer digitaliseras kan de överföras, sparas och beräknas snabbt och billigt. Enligt Moor -lagen kommer datorkraften att fortsätta öka exponentiellt under de närmaste åren, medan kostnaderna för databehandling kommer att minska avsevärt. Detta skulle därför leda till lägre gränskostnader för utvecklingen av digitala tvillingar och göra det relativt mycket billigare att testa problem baserat på virtuella representationer, att förutsäga och lösa dem istället för att testa dem vid fysiska modeller tills fysiska produkter går sönder innan du ingriper.

En annan konsekvens av homogenisering och avkopplingsinformation är konvergensen av användarupplevelsen. I denna utsträckning kan informationen digitaliseras av fysiska objekt kan en enda artefakt erbjuda en mängd nya alternativ. Tekniken för den digitala tvillingen möjliggör detaljerad information om ett fysiskt objekt kan delas med ett större antal agenter utan plats eller tid. I sin vitbok om digital tvillingteknik i produktionsbranschen bestämmer Michael Grieves följande om konsekvenserna av homogenisering som möjliggörs av digitala tvillingar:

Tidigare hade fabrikschefer sitt kontor med tanke på fabriken, så att de kunde få en känsla av vad som hände i fabrikshallen. Med den digitala tvillingen kan inte bara fabrikschefen, utan alla som har att göra med fabriksproduktionen ha samma virtuella fönster, inte bara till en enda fabrik, utan till alla fabriker över hela världen.

Omprogrammerbar och intelligent

Som redan nämnts möjliggör en digital tvilling att en fysisk produkt kan omprogrammeras på ett visst sätt. Dessutom kan den digitala tvillingen också omprogrammeras på ett automatiskt sätt. Med hjälp av sensorer på den fysiska produkten, teknologier för konstgjord intelligens och förutsägbar analys. En konsekvens av denna rekryterbarhet är uppkomsten av funktionaliteter. Om vi ​​tar exemplet med en motor igen kan digitala tvillingar användas för att samla in data om motorns kraft och justera motorn vid behov och för att skapa en nyare version av produkten. Servitisering kan också ses som ett resultat av omprogrammerbarheten. Tillverkarna kan vara ansvariga för att övervaka den digitala tvillingen, göra justeringar eller omprogrammera den digitala tvillingen vid behov, och du kan erbjuda detta som en extra tjänst.

Digitala spår

En annan funktion är det faktum att digitala tvillingteknologier lämnar digitala spår. Dessa spår kan användas av ingenjörer till t.ex. B. I händelse av en maskinstörning för att kontrollera spåren på den digitala tvillingen för att diagnostisera var problemet har uppstått. I framtiden kan dessa diagnoser också användas av tillverkarna av dessa maskiner för att förbättra sina mönster, så att samma fel kommer att ske mindre ofta i framtiden.

Modularitet

I betydelsen av tillverkningsindustrin kan modularitet beskrivas som design och anpassning av produkter och produktionsmoduler. Genom att lägga till modularitet till tillverkningsmodellerna ges tillverkare möjligheten att optimera modeller och maskiner. Tekniken för den digitala tvillingen gör det möjligt för tillverkare att spåra de maskiner som används och erkänna möjliga förbättringsområden på maskinerna. Om dessa maskiner är modulära kan tillverkarna använda den digitala tvillingtekniken för att känna igen vilka komponenter som påverkar maskinens prestanda och ersätta dem med mer lämpliga komponenter för att förbättra tillverkningsprocessen.