Цифровий двійник – 3D-візуалізація та управління цифровим ланцюгом поставок

Цифрова нитка визначається як «використання цифрових інструментів та представлень для проектування, оцінки та управління життєвим циклом».

Термін «Цифровий потік» вперше був використаний у звіті Робочої групи з питань глобального науково-технологічного бачення ВПС США «Глобальні горизонти 2013».

Термін «Цифровий потік» був додатково уточнений Сінгхом та Вілкоксом з Массачусетського технологічного інституту у їхній статті 2018 року під назвою «Інженерія за допомогою цифрового потоку». У цій академічній статті термін «Цифровий потік» визначається як «архітектура, керована даними, яка пов’язує інформацію з усього життєвого циклу продукту та призначена для використання як основна або авторитетна платформа даних та комунікацій для продуктів організації в будь-який момент часу»

У вужчому сенсі термін «цифровий потік» також використовується для позначення найнижчого рівня проектування та специфікації для цифрового представлення фізичного об'єкта. Цифровий потік є ключовою можливістю в системній інженерії на основі моделей (MBSE) та основою для цифрового двійника.

Термін «Цифровий потік» також використовується для опису простежуваності цифрового двійника до вимог, деталей та систем керування, що складають фізичний об'єкт.

Розумна фабрика – Використання бізнес-релевантних концепцій у Німеччині – Зображення: Xpert.Digital

На графіку показано результати опитування керуючих директорів німецьких промислових компаній, проведеного у 2017 році, щодо технологій, що використовуються на розумних заводах сьогодні та в майбутньому. 23 відсотки респондентів заявили, що наразі використовують цифрового двійника своєї продукції на розумному заводі. 43 відсотки вказали, що планують використовувати цифрового двійника своєї продукції в майбутньому.

Це також стосується автономної внутрішньої логістики: 17% заявили, що вони наразі (2017) використовують її. 35% планують впровадити її до 2022 року.

Використання протягом п'яти років (2022)

• Оптимізація ресурсів на основі даних – 77%
• Інтегроване планування – 61%
• Оптимізація процесів та якості на основі великих даних – 65%
• Модульні виробничі активи – 36%
• Мережевий завод / Підключений завод – 60%
• Прогнозоване обслуговування – 66%
• Візуалізація/автоматизація процесів – 62%
• Цифровий двійник продукту – 43%
• Цифровий двійник заводу / Цифровий двійник заводу – 44%
• Цифровий двійник виробничого заводу / Цифровий двійник виробничого активу – 39%
• Гнучкі методи виробництва / Гнучкі методи виробництва – 34%
• Автономна внутрішньозаводська логістика – 35%
• Передача виробничих параметрів – 32%
• Повністю автономна цифрова фабрика – 11%

Використання сьогодні (2017)

• Оптимізація ресурсів на основі даних – 52%
• Інтегроване планування – 32%
• Оптимізація процесів та якості на основі великих даних – 30%
• Модульні виробничі активи – 29%
• Мережевий завод / Підключений завод – 29%
• Прогнозне обслуговування – 28%
• Візуалізація/автоматизація процесів – 28%
• Цифровий двійник продукту – 23%
• Цифровий двійник заводу / Цифровий двійник заводу – 19%
• Цифровий двійник виробничого заводу / Цифровий двійник виробничого активу – 18%
• Гнучкі методи виробництва / Гнучкі методи виробництва – 18%
• Автономна внутрішньозаводська логістика – 17%
• Передача виробничих параметрів – 16%
• Повністю автономна цифрова фабрика – 5%

Було проведено опитування серед керуючих директорів німецьких промислових компаній. Запитання було сформульовано так: «Наскільки актуальними є наступні концепції для вашої компанії?» Джерело не надає інформації про методологію опитування або про результати, що перевищують 100 відсотків.

Одним із прикладів використання цифрових двійників для оптимізації машин є обслуговування енергетичних установок, таких як турбіни, реактивні двигуни та локомотиви.

Ще одним прикладом цифрових двійників є використання 3D-моделей для створення цифрових супутників для фізичних об'єктів. Це дозволяє відображати стан фактичного фізичного об'єкта, забезпечуючи спосіб проектування фізичних об'єктів у цифровий світ. Наприклад, якщо датчики збирають дані з підключеного пристрою, ці дані можна використовувати для оновлення копії стану пристрою як «цифрового двійника» в режимі реального часу. Термін «тінь пристрою» також використовується для концепції цифрового двійника. Цифровий двійник призначений для поточної та точної копії властивостей і станів фізичного об'єкта, включаючи форму, положення, жести, стан і рух.

Цифрового двійника також можна використовувати для моніторингу, діагностики та прогнозування з метою оптимізації продуктивності та використання активів. У цій галузі дані датчиків можна поєднувати з історичними даними, людським досвідом, а також навчанням, отриманим за допомогою автопарку та симуляцій, для покращення результатів прогнозування. Таким чином, комплексні платформи прогнозування та інтелектуального обслуговування можуть використовувати цифрових двійників для виявлення першопричини проблем та підвищення продуктивності.

Цифрові двійники автономних транспортних засобів та їхніх датчиків, вбудовані в симуляцію дорожнього руху та навколишнього середовища, також були запропоновані як засіб подолання значних труднощів у розробці, тестуванні та валідації застосувань в автомобільній промисловості, особливо коли відповідні алгоритми базуються на підходах штучного інтелекту, які потребують обширного навчання та наборів даних для валідації.

Фізичні виготовлені об'єкти віртуалізуються та представлені як цифрові двійники (аватари), які безшовно та тісно інтегровані як у фізичний, так і в кіберпростір. Фізичні об'єкти та моделі-близнюки взаємодіють взаємовигідним чином.

Динаміка на рівні галузі

Цифровий двійник трансформує весь процес управління життєвим циклом продукту (PLM), від проектування та виробництва до обслуговування та експлуатації. Наразі PLM є дуже трудомістким з точки зору ефективності, виробництва, інтелекту, фаз обслуговування та сталого розвитку в дизайні продукту. Цифровий двійник може об'єднати фізичний та віртуальний простори продукту. Він дозволяє компаніям створювати цифровий слід усіх своїх продуктів, від проектування та розробки протягом усього їхнього життєвого циклу. Як правило, галузі, що займаються виробництвом, значно зазнають впливу цифрових двійників. У процесі виробництва цифровий двійник є віртуальною копією операцій у реальному часі на заводському цеху. Тисячі датчиків розміщені по всьому фізичному виробничому процесу, збираючи дані з різних вимірів, таких як умови навколишнього середовища, поведінка машини та виконана робота. Всі ці дані безперервно передаються та збираються цифровим двійником. Завдяки Інтернету речей (IoT) цифрові двійники стали більш доступними та можуть сформувати майбутнє виробничої галузі. Однією з переваг для інженерів є реальне використання продуктів, розроблених віртуально за допомогою цифрового двійника. Передові методи обслуговування та управління продуктами та обладнанням стають більш доступними, оскільки доступний цифровий двійник реальної «речі» з можливостями роботи в режимі реального часу.

Цифрові двійники пропонують значний бізнес-потенціал, оскільки вони прогнозують майбутнє, а не аналізують минуле виробничого процесу. Відображення реальності, створене цифровими двійниками, дозволяє виробникам розвиватися в напрямку бізнес-практик ex-ante. Майбутнє виробництва базується на наступних шести аспектах:

• Масштабованість,
• Модульність,
• гнучкість
• Автономія,
• Підключення
• та цифровий двійник.

Зі зростанням цифровізації окремих фаз виробничого процесу виникають можливості для досягнення вищої продуктивності. Це починається з модульності та призводить до більшої ефективності виробничої системи. Крім того, автономність дозволяє виробничій системі ефективно та інтелектуально реагувати на непередбачені події. Нарешті, зв'язок, такий як Інтернет речей, завершує цикл цифровізації, дозволяючи оптимізувати подальший цикл проектування та маркетингу продукту для підвищення продуктивності. Це може призвести до більшої задоволеності та лояльності клієнтів, якщо продукти можуть виявити проблему до того, як вона фактично вийде з ладу. Оскільки витрати на зберігання та обробку даних продовжують знижуватися, потенційні застосування цифрових двійників також розширюються.

Цифровий двійник має особливе значення для промисловості. Його існування та використання в процесах створення промислової цінності може забезпечити компаніям вирішальну конкурентну перевагу. Це особливо актуально з початку 2010-х років, коли Інтернет речей (IoT) дозволив виробництво цифрово керованих та мережевих продуктів усіх видів, а також інтегрованих послуг.

У промисловості цифрові двійники існують, наприклад, для продуктів, виробничих потужностей, процесів та послуг. Вони можуть існувати навіть раніше за фізичного двійника, наприклад, для моделей проектування майбутніх продуктів. І їх можна використовувати для аналізу та оцінки даних, отриманих в результаті використання фізичних двійників. Вони виконують широкий спектр цілей та функцій.

Їхня особлива цінність для промисловості полягає у відсутності фізичних прототипів та можливості імітувати поведінку, функціональність та якість реального двійника в усіх відповідних аспектах. Цю цінність можна використовувати для всіх ланок ланцюжка створення вартості протягом усього життєвого циклу продуктів, систем та послуг.

Цифровий двійник може мати багато різних форм. Наприклад, він може базуватися на поведінковій моделі розробки системи, 3D-моделі або функціональній моделі, яка реалістично та всебічно зображує механічні, електронні та інші властивості й характеристики продуктивності реального двійника під час процесу проектування на основі моделі.

Різні цифрові двійники можуть бути пов'язані між собою, а також дозволяють здійснювати широку комунікацію та взаємодію з їхніми фізичними аналогами. Це також називають цифровим потоком, який проходить через увесь життєвий цикл продукту та може включати додаткову інформацію, що стосується продукту. Компанія отримує найбільшу вигоду від такого безперервного цифрового потоку, який дозволяє оптимізувати різні процеси створення цінності та використовувати широкий спектр цифрових бізнес-моделей для пропонованих продуктів або послуг.

Виробнича інженерія — це лише одне з багатьох промислових застосувань. Цифрові двійники відображають системи протягом усього їхнього життєвого циклу (проектування, будівництво, експлуатація та переробка). Навіть на етапі планування інженери можуть використовувати симуляційні моделі для оптимізації процесів. Після введення системи в експлуатацію ті ж симуляційні моделі можна використовувати для подальшої оптимізації процесів та трансформації виробництва.

У секторах транспорту та складського господарства міжнародні логістичні компанії, такі як DHL та UPS, постійно розробляють нові програми для цифрових двійників, такі як відстеження та трасування або інтелектуальне керування складами та цілими портовими спорудами. Виробники програмного забезпечення, такі як SAP та Oracle, розширюють свої ERP-системи та пропонують нові ІТ-рішення як цифрові ланцюги поставок для управління ними.

Концепція цифрового двійника все частіше застосовується в управлінні виробництвом, логістиці та закупівлях. Це дозволяє тісно пов'язати її з методами та інструментами інженерії управління та технологій автоматизації.

Географічні цифрові двійники стали популярними в практиці містобудування завдяки зростаючому інтересу до цифрових технологій у рамках руху «розумних міст». Ці цифрові двійники часто пропонуються у вигляді інтерактивних платформ для захоплення та візуалізації 3D та 4D просторових даних у режимі реального часу для моделювання міського середовища (міст) та даних, які вони містять.

Технології візуалізації, такі як системи доповненої реальності (AR), використовуються як інструменти для спільної роботи в проектуванні та плануванні в забудованому середовищі, так і для інтеграції потоків даних від вбудованих датчиків у містах та API-сервісів для створення цифрових двійників. Наприклад, AR дозволяє проектувати карти, будівлі та дані доповненої реальності на столи для спільного перегляду будівельними фахівцями.

У будівельній галузі діяльність з планування, проектування, будівництва, експлуатації та технічного обслуговування дедалі більше оцифровується – частково завдяки впровадженню процесів BIM (інформаційного моделювання будівель) – а цифрові двійники будівель розглядаються як логічне продовження – як на рівні окремих будівель, так і на національному рівні. Наприклад, у Великій Британії Центр цифрової забудови Британії опублікував у листопаді 2018 року Принципи Gemini, в яких викладено принципи розробки «національного цифрового двійника».

Один із найперших прикладів робочого «цифрового двійника» був впроваджений у 1996 році під час будівництва об'єктів Heathrow Express у Терміналі 1 аеропорту Хітроу. Консультант Мотт Макдональд та піонер BIM Джонатан Інграм підключили датчики руху в кесоні та свердловинах до цифрової моделі об'єкта для відображення руху всередині моделі. Було створено цифровий об'єкт ін'єкції для моніторингу впливу закачування розчину в ґрунт з метою стабілізації рухів ґрунту.

Охорона здоров'я вважається галуззю, яка трансформується завдяки технології цифрових двійників. Концепція цифрових двійників у охороні здоров'я була спочатку запропонована та вперше впроваджена для прогнозної аналітики продуктів або пристроїв. Завдяки цифровому двійнику життя в медицині, спорті та освіті може бути покращене завдяки застосуванню більш керованого даними підходу до охорони здоров'я. Доступність технологій дозволяє створювати персоналізовані моделі пацієнтів, які можна постійно оновлювати на основі зібраних параметрів здоров'я та способу життя. Це зрештою може призвести до віртуального пацієнта, який детально описує стан здоров'я людини, а не покладається виключно на минулі записи. Крім того, цифровий двійник дозволяє порівнювати записи людини із записами населення, щоб легше виявляти закономірності з високим ступенем точності. Найбільшою перевагою цифрових двійників для охорони здоров'я є можливість адаптувати охорону здоров'я до індивідуальних реакцій пацієнтів. Цифрові двійники не тільки призведуть до точніших визначень здоров'я окремого пацієнта, але й змінять сприйнятий образ здорового пацієнта. Раніше «здоровий» визначався як відсутність будь-яких ознак хвороби. Тепер «здорових» пацієнтів можна порівнювати з рештою населення, щоб визначити справжнє здоров'я. Однак поява цифрових двійників у охороні здоров'я також має деякі недоліки. Цифрові двійники можуть призвести до нерівності, оскільки технологія може бути доступною не всім і може збільшити розрив між багатими та бідними. Крім того, цифрові двійники виявлятимуть закономірності в популяції, які можуть призвести до дискримінації.

Концепція цифрового двійника також набирає обертів у медицині, де створюється віртуальне представлення пацієнта для імітації медичних процедур. Це дозволяє лікарям ознайомитися з конкретною ситуацією пацієнта перед лікуванням, а під час хірургічних операцій імплантати, що підходять для конкретного пацієнта (наприклад, штучні суглоби), можуть бути попередньо виготовлені та точно вставлені, що призводить до покращення хірургічних результатів та швидшого одужання.

Автомобільна промисловість отримала значніші досягнення завдяки технології цифрових двійників. Цифрові двійники в автомобільній промисловості впроваджуються шляхом використання існуючих даних для спрощення процесів та зниження граничних витрат. Наразі автомобільні інженери доповнюють існуючу фізичну матеріальність, впроваджуючи програмні цифрові можливості. Конкретним прикладом технології цифрових двійників в автомобільній промисловості є використання технологією цифрових двійників у поєднанні з аналітичними інструментами компанії для аналізу керування певним автомобілем. Це дозволяє їм пропонувати нові функції для автомобіля, які можуть зменшити кількість аварій на дорогах, чого раніше було неможливо досягти за такий короткий час.

Цифрові технології мають певні характеристики, що відрізняють їх від інших технологій. Ці характеристики, у свою чергу, мають певні наслідки. Цифрові двійники демонструють такі характеристики.

Підключення

Однією з ключових особливостей технології цифрових двійників є її зв'язок. Нещодавній розвиток Інтернету речей (IoT) породжує численні нові технології. Розвиток IoT також стимулює розвиток технології цифрових двійників. Ця технологія має багато спільних характеристик з природою IoT, а саме з її зв'язком. Перш за все, технологія забезпечує зв'язок між фізичним компонентом та його цифровим аналогом. Цей зв'язок формує основу цифрового двійника, без якого технологія цифрових двійників не існувала б. Як описано в попередньому розділі, цей зв'язок встановлюється за допомогою датчиків на фізичному продукті, які збирають дані, інтегрують та передають ці дані за допомогою різних технологій інтеграції. Технологія цифрових двійників забезпечує покращений зв'язок між компаніями, продуктами та клієнтами. Наприклад, зв'язок між партнерами в ланцюжку поставок можна збільшити, дозволивши цим партнерам перевіряти цифрового двійника продукту або активу. Ці партнери потім можуть перевірити стан цього продукту, просто отримавши доступ до цифрового двійника.

Зв'язок з клієнтами також може бути покращений.

Сервітизація стосується процесу, за допомогою якого компанії додають цінності до своєї основної пропозиції за рахунок послуг. У випадку двигунів, виробництво двигуна є основною пропозицією цієї організації, яка потім забезпечує додаткову цінність, пропонуючи послуги з перевірки та обслуговування двигунів.

Сервітизація

Сервітизація – це інновація бізнес-моделі, що стосується виробничих компаній, що стосується переходу їхнього існуючого портфеля продуктів від виключно матеріальних товарів до комбінації товарів та послуг. Таким чином, вона відображає загальну економічну тенденцію до суспільства, заснованого на послугах, на рівні компанії.

Приклади сервітизації існують вже понад 100 років. Однак ця тема швидко набула актуальності приблизно за останні 20 років, оскільки через глобалізацію компанії в країнах з високою заробітною платою, таких як Німеччина, розглядають її як спосіб захисту від конкуренції з боку країн з низькою заробітною платою. В академічних колах сервітизація утвердилася як самостійна тема дослідження завдяки дослідницькій статті Сандри Вандермерве та Хуана Ради.

Гомогенізація

Цифрових двійників можна охарактеризувати як цифрову технологію, яка є одночасно наслідком і засобом гомогенізації даних. Оскільки будь-який тип інформації чи контенту тепер може зберігатися та передаватись в одній цифровій формі, можна створити віртуальне представлення продукту (у вигляді цифрового двійника), тим самим відокремивши інформацію від її фізичної форми. Гомогенізація даних та відокремлення інформації від її фізичного артефакту таким чином сприяли появі цифрових двійників. Цифрові двійники також дозволяють цифровим способом зберігати зростаючу кількість інформації про фізичні продукти та відокремлювати її від самого продукту.

Оскільки дані дедалі більше оцифровуються, їх можна передавати, зберігати та обробляти швидко та економічно ефективно. Згідно із законом Мура, обчислювальна потужність продовжуватиме зростати в геометричній прогресії в найближчі роки, тоді як вартість обробки даних значно знизиться. Таким чином, це призведе до зниження граничних витрат на розробку цифрових двійників і зробить порівняно набагато дешевшим тестування, прогнозування та вирішення проблем за допомогою віртуальних представлень, ніж тестування їх на фізичних моделях та очікування збою фізичних продуктів, перш ніж вживати заходів.

Ще одним наслідком гомогенізації та роз'єднання інформації є конвергенція користувацького досвіду. Оскільки інформація з фізичних об'єктів оцифровується, один артефакт може запропонувати безліч нових можливостей. Технологія цифрових двійників дозволяє передавати детальну інформацію про фізичний об'єкт більшій кількості агентів, незалежно від місця розташування чи часу. У своїй офіційній статті про технологію цифрових двійників у виробничій промисловості Майкл Грівз зазначає наступне щодо наслідків гомогенізації, що забезпечується цифровими двійниками:

У минулому офіси керівників заводів мали вікна з видом на фабрику, що дозволяло їм бачити, що відбувається в цеху. Завдяки цифровому двійнику не лише керівник заводу, а й усі, хто бере участь у виробництві, можуть мати однакове віртуальне вікно не лише до окремого заводу, а й до всіх заводів по всьому світу.

Перепрограмований та інтелектуальний

Як згадувалося раніше, цифровий двійник дозволяє перепрограмувати фізичний продукт певним чином. Крім того, цифровий двійник також може бути перепрограмований автоматично за допомогою датчиків на фізичному продукті, технологій штучного інтелекту та прогнозної аналітики. Одним із наслідків такої перепрограмованості є поява нових функцій. Знову беручи за приклад двигун, цифрові двійники можуть бути використані для збору даних про його роботу та, за необхідності, для його налаштування та створення новішої версії продукту. Сервітацію також можна розглядати як наслідок перепрограмованості. Виробники можуть відповідати за моніторинг цифрового двійника, внесення коригувань або перепрограмування за потреби, і вони можуть пропонувати це як додаткову послугу.

Цифрові сліди

Ще однією особливістю є те, що технології цифрових двійників залишають цифрові сліди. Ці сліди можуть використовуватися інженерами, наприклад, для перевірки історії цифрового двійника у разі несправності машини, щоб діагностувати, звідки виникла проблема. У майбутньому ці діагностики також можуть використовуватися виробниками цих машин для вдосконалення своїх конструкцій, тим самим зменшуючи частоту тих самих несправностей.

Модульність

У контексті виробничої галузі модульність можна описати як проектування та адаптацію продуктів і виробничих модулів. Додаючи модульність до виробничих моделей, виробники отримують можливість оптимізувати моделі та машини. Технологія цифрових двійників дозволяє виробникам відстежувати машини, що використовуються, та визначати потенційні області для покращення. Завдяки модульним машинам виробники можуть використовувати технологію цифрових двійників, щоб визначити, які компоненти впливають на продуктивність машин, та замінити їх більш придатними компонентами для покращення виробничого процесу.