Цифровой двойник — это цифровая копия физического объекта или процесса. Она помогает бизнесу работать быстрее, безопаснее, прибыльнее.
Бизнес тестирует, меняет или совершенствует копию на компьютере без экспериментов на реальном объекте, что дешевле и безопаснее. Подробно о том, как работают двойники, на каких технологиях строятся, кому полезны — рассказываем в статье.
Нет времени читать статью? Найдите её в нашем телеграм-канале и сохраните себе в «Избранном» на будущее.
Содержание статьи
На чем основана технология цифрового двойника?
Технологии ввода данных
Технологии вывода данных
Цифровой двойник vs виртуальная реальность vs метавселенная
Двойники компонентов
Двойники активов
Двойники системы
Двойники процессов
Принцип работы цифровых двойников
Зачем использовать технологию Digital Twin?
Избежать рисков в процессе производства и выпуска продукции
Быстрее выводить продукт на рынок
Наладить профилактическое обслуживание
Принимать управленческие решения
Кто использует технологию цифровых двойников?
Что такое цифровой двойник?
Цифровой двойник, или digital twin — это цифровая копия реально существующего объекта. Ее строят в виртуальном виде, предварительно собрав данные о физическом исходнике.
В роли цифрового двойника может быть и искусственный человеческий сустав, и модель аэродинамического двигателя, но задача одна — сократить расходы бизнеса на проектирование, изготовление, эксплуатацию и последующее обслуживание готового изделия.
Цифровую модель интегрируют с физическим исходником, после чего любые изменения, внесенные в оригинал, автоматически изменяют и цифрового двойника.
Связь двойника с оригиналом основана на базе датчиков. Они собирают данные с физического исходника, передают на компьютер, и виртуальный двойник имитирует исходник в реальном времени.
Плюс с виртуальным двойником можно делать что угодно: перестраивать компоненты, менять условия эксплуатации или прогнозировать поломки — исходник это не затронет.
Цифровой двойник строится на базе данных с датчиков физического объекта
Вот пример. Предприятию надо выяснить, какую максимальную мощность выдерживает станок. Можно купить станок, поставить в цехе и нагружать его до тех пор, пока не сломается. Мощность-то предприятие определит, но станок придется отправить на свалку.
А можно создать цифровую модель на компьютере, которая синхронизируется со станком и точно воспроизводит его работу. Далее тесты проводят виртуально. В итоге максимальную мощность рассчитают алгоритмы, а сам станок не пострадает.
Стандартно двойник выглядит как 3D-модель в специальном ПО. Через интерфейс программы специалисты заставляют двойник двигаться или испытывать на себе воздействие разных сил, например давление.
В таком ПО инженеры и разработчики могут имитировать условия, сценарии и обстоятельства реального мира, проводить виртуальные испытания.
Пример работы реального робота и виртуальной модели. Изображение: keanw
На чем основана технология цифрового двойника?
В основе работы цифровых копий разные технологии: Интернет вещей, машинное обучение, Big Data и другие. Однако их все можно поделить на материальные и нематериальные части:
- физические устройства, которые собирают данные; и
- программное обеспечение, интегрируемое с физическим оригиналом.
Еще одно деление основано на том, что эти технологии делают с данными — выводят их или вводят.
Технологии ввода данных
Это различные девайсы, которые собирают данные об объекте-исходнике в реальном мире и передают на компьютер виртуальному двойнику. К ним относят:
- IoT-датчики. Это специальные датчики, которые улавливают изменения параметров окружающей среды, преобразовывают их в цифровой вид и по интернету передают на сервера для обработки. К примеру, такие датчики умеют реагировать на изменение температуры или движение объектов.
- Концентраторы данных. Это устройства, которые собирают данные с нескольких датчиков и строят картинку динамических событий в реальном времени.
- Люди. Живые сотрудники организации — инженеры и разработчики — которые вносят в компьютер данные о физическом оригинале в ручном режиме.
Технологии вывода данных
Это компьютерные алгоритмы и ПО, которые обращаются к цифровому двойнику, чтобы вытащить из него данные. К ним относятся:
- Программы. То есть различный софт, который интегрируется с цифровым двойником, выгружает из него данные, а потом переводит в вид, который понятен инженерам, разработчикам, директору производства, генеральному директору.
- Машинное обучение. Эта технология позволяет через данные цифровых двойников настраивать различные автоматизации. Например, формировать отчет об ошибке или поломке.
- Системы отчетности. Предоставляют сведения о состоянии и работе объекта через выгрузку данных с цифрового двойника.
Цифровой двойник vs виртуальная реальность vs метавселенная
Цифровой двойник — это не то же самое, что виртуальная реальность или метавселенная.
Как уже выяснили, цифровой двойник — это виртуальная копия существующего физического объекта, системы или инфраструктуры. Двойник динамичен — все, что происходит с физическим оригиналом, происходит и с цифровой копией.
Метавселенная — другой тип технологий. Она создает всеобъемлющий виртуальный мир, в котором все и всё взаимодействуют так же, как и в реальности. Цифровые двойники — один из основных строительных блоков метавселенной, поскольку они позволяют загружать точные копии реальности и делать цифровой мир реальным.
Омнивселенная (скопление мультивселенных и метавселенных) BMW — виртуальная фабрика с цифровыми двойниками реальных объектов на реальной фабрике бренда. Изображение: Nvidia
Но чтобы пользователь ощущал себя в виртуальном мире метавселенной так же реалистично, как в обычной жизни, необходимо смоделировать трехмерную среду. А это уже работа виртуальной реальности (VR).
Когда человек использует VR-стимуляторы, например через специальный шлем, то может взаимодействовать с цифровой копией, получать от нее информацию и в интерактивном режиме видеть, как мог бы работать физический оригинал.
Через VR юзер может управлять независимой цифровой копией или очутиться внутри метавселенной. Изображение: likevr
Виды цифровых двойников
В зависимости от того, в насколько масштабном применении используют цифровых двойников, они делятся на четыре типа: двойников компонентов, активов, систем и процессов.
Самый простой тип двойников — двойник компонентов, а самый сложный — двойник процессов
Двойники компонентов
Это когда цифрового двойника создают не для всего объекта, а для конкретного элемента или детали. Если взять за пример автомобиль, то оцифрованное сцепление — пример такого двойника.
Двойник компонента позволяет лучше понять характеристики детали, протестировать ее на долговечность, стабильность работы и запускать с ней стресс-тесты. Работая с цифровым двойником компонента, спецы испытывают деталь в разных условиях и с помощью полученных данных улучшают характеристики и свойства физического исходника. Например, продлевают его срок службы, а также прогнозируют, когда может понадобиться ремонт или замена.
Двойники активов
Это следующий, более высокий уровень работы. Активы используют, чтобы моделировать в цифровом виде совместную работу двойников-компонентов.
Двойники активов помогают получить более полное представление о том, как отдельные детали работают, взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой.
Инженеры используют двойники активов, чтобы найти способы сократить потребление ресурсов, например электричества, и повысить производительность изделия.
Двойники системы
Следующий уровень цифровых двойников называют системными. Они состоят из двойников-активов. Руководители предприятий используют системных двойников, чтобы оптимизировать взаимодействие активов и смоделировать производственные цепочки.
Например, системный двойник на химическом заводе — это все оборудование, которое задействовано в производстве продукта, например пищевой соды. Бизнес производит тонну соды в сутки, а хочет производить две. Вот он и прикидывает через системных двойников, что и где он может дозагрузить в своем цеху, чтобы разное оборудование и машины не сломались.
Двойники процессов
Самый продвинутый уровень. На нем объединяют системных двойников в крупные и сложные наборы процессов, которые работают на всем предприятии.
Такие наборы нужны, чтобы понять и проанализировать, как взаимодействуют различные подразделения. Их используют для отслеживания производительности, времени координации между ними.
Пример: если один цех работает на износ, можно получить избыток определенных компонентов, а это приведет к проблемам хранения и логистики. Вот как раз через двойников процессов бизнес подбирает оптимальную загрузку и налаживает бизнес-процессы.
Принцип работы цифровых двойников
Начнем с того, что фактически для любого процесса или объекта можно создать цифрового двойника: для здания, станка, обработки заказов интернет-магазином, угольной шахты и даже города. Мы разберем работу двойника на максимально простом примере — выпуске двигателя.
Представим, что есть некое предприятие, которое выпускает двигатели. Тут директор решает использовать технологию Digital Twin. Как пойдет работа?
Вначале ничего не изменится. Цеха будут выпускать двигатели, как и раньше. Готовить спецификации, проектировать чертежи, а потом отдавать работягам в цех документацию. Однако, когда двигатель будет изготовлен, его подсоединят через специальные датчики и в компьютерном ПО появится цифровой двойник.
Слева цифровой двойник турбины. Изображение: GE Research
Далее цифровой двойник пройдет все этапы жизненного цикла реального двигателя. То есть он будет работать, ломаться, чиниться, переукомплектовываться точь-в-точь как и физический оригинал. Повторять жизненный цикл оригинального двигатель двойник будет через датчики, данные из PLM или CRM-систем, инструкций по обслуживанию, обращений в сервисные центры.
В итоге с помощью цифровой копии бизнес сможет управлять физическим двигателем на протяжении всего срока службы. Например, через копию сможет предсказать, когда совершиться очередная поломка. Сервисный центр заранее произведет обслуживание и предотвратит поломку.
Зачем использовать технологию Digital Twin?
Цифровой двойник — это, по сути, виртуальная среда. В ней можно проводить эксперименты, проверять гипотезы и следить за работой реальных объектов.
Эксперименты через digital twin безопаснее и дешевле, а сбор данных позволяет вовремя предотвратить поломки и сбои, обнаружить проблемы в работе бизнес-процессов и целых производств.
Избежать рисков в процессе производства и выпуска продукции
Цифровые двойники уменьшают количество дефектов во время производства и эксплуатации. Исправлять дефекты в цифровом пространстве гораздо проще, дешевле и быстрее, чем в реальном мире.
С помощью цифрового двойника производители могут устранить почти все риски, связанные с их продуктом, и убедиться, что физический объект будет работать точно так, как планировалось. Изображение: CIO
Быстрее выводить продукт на рынок
Бизнес стремится вывести на рынок новый продукт быстрее, чем конкуренты. Но есть сложность: прежде, чем попасть на производство, продукт проходит множество итераций и улучшений.
А вот если использовать виртуальных двойников, время выхода на рынок сокращается. Жизненный цикл продукта осуществляется в цифровой среде, где все улучшения могут быть сделаны быстрее — только кликай на кнопки в специальной программе.
Виртуальный прототип проверит, как его физическая копия будет вести себя в реальном мире, в результате чего бизнес сможет оптимизировать разработку и массовое производство.
Наладить профилактическое обслуживание
Еще одно преимущество технологии — она может предупредить поломки, неполадки и сбои. Это называют профилактическим обслуживанием.
Цифровые копии осуществляют постоянное дистанционное управление своими физическими прототипами, собирая различную информацию об их состоянии с помощью датчиков. Анализ собранных данных позволяет прогнозировать возможные поломки, например, если некая деталь изношена и нуждается в замене.
Операторы получают отчеты о проблемах от цифровых двойников и решают эти проблемы заранее — то есть сервисный центр чинит деталь еще до того, как она сломается. Изображение: Data Science Central
Принимать управленческие решения
Цифровые двойники помогают рассчитывать стоимость внедрения и финансовые риски новых процессов и технологий. Без цифровой модели бизнесу бы пришлось остановить работу всей организации, чтобы протестировать новшество.
С цифровым двойником проще. Можно виртуально проверить, есть ли прибыль от технологии, и еще до покупки принять решение об обновлении технических процессов.
Кто использует технологию цифровых двойников?
Фактически любые сферы и ниши бизнеса:
- Производство. Цифровые двойники отслеживают условия работы оборудования и машин, оптимизируют производственные процессы и отправляют оповещения о необходимости профилактических работ.
Цифровые двойники позволяют заводам и цехам выпускать больше продукции, улучшать ее качество и наращивать прибыль. Изображение: Rolls Royce
- Энергетика. Производство электроэнергии с использованием ископаемых видов топлива или возобновляемых источников связано со сложной инфраструктурой, часто расположенной вдали от города. Технология цифровых двойников обеспечивает непрерывный контроль и безопасную работу таких систем за сотни тысяч километров.
- Строительство. Цифровой двойник может помочь строительным фирмам понять, как эксплуатируется здание, мост или тоннель в режиме реального времени.
Данные, собранные цифровым двойником, можно использовать для планирования и проектирования будущих объектов. Изображение: Autodesk
- Ритейл. Ритейлеры используют цифровых двойников для моделирования размещения товаров, движения покупателей по магазину и влияния новой планировки магазина на продажи.
- Космическая отрасль. Производства и научные центры, задействованные в отрасли, тестируют космическое оборудование в виртуальной среде, а в производство отдают, когда цифровые аналоги удовлетворяют всем характеристикам.
- Медицина. Цифровые копии помогают в диагностике заболеваний, проектирование медицинских устройств, а во время операций копии отслеживают жизненно важные данные пациента.
Подведем итог
- Цифровой двойник (digital twin) — это цифровая копия физического объекта или процесса. Создается двойник с помощью датчиков, которые собирают данные с объекта-исходника.
- Цифровые копии помогают виртуально исследовать, менять, анализировать и тестировать физические объекты — девайсы, машины, бизнес-процессы, производства.
- Digital twins сокращают расходы бизнеса на проектирование, изготовление, эксплуатацию и последующее обслуживание готового изделия.
- В основе работы цифровых двойников материальные и нематериальные технологии.
- В зависимости от масштаба использования цифровые двойники делят на компоненты, активы, системы и процессы.
- Используют технологию в медицине, производстве, строительстве, ритейле, космической отрасли, энергетике.
Высоких вам конверсий!
