Что такое цифровые двойники?
Цифровой двойник — это виртуальная копия физического объекта, процесса или системы в цифровой среде, имитирующая реальные условия.
Он охватывает весь жизненный цикл объекта, обновляется на основе данных в режиме реального времени и использует моделирование, машинное обучение и логические рассуждения для принятия решений.
Как работает цифровой двойник?
Изучаемый объект например - ветряная турбина, оснащён различными датчиками, связанными с важнейшими аспектами функционирования. С этих датчиков поступают данные о различных аспектах работы физического объекта, таких как выработка энергии, температура, погодные условия и другие. Система обработки получает эту информацию и активно применяет её к цифровой копии.
После получения соответствующих данных цифровая модель может быть использована для проведения различных симуляций, анализа проблем производительности и разработки потенциальных усовершенствований.
Конечная цель — получить ценные знания, которые можно будет использовать для улучшения исходного физического объекта.
В чём различия цифровых двойников и симуляции?
Хотя и симуляции, и цифровые двойники используют цифровые модели для воспроизведения различных процессов системы, цифровой двойник фактически представляет собой виртуальную среду, что значительно расширяет возможности для изучения.
Разница между цифровым двойником и симуляцией в основном заключается в масштабе, т.е. симуляция обычно изучает один конкретный процесс, тогда как цифровой двойник может запускать любое количество полезных симуляций для изучения нескольких процессов.
Различия на этом не заканчиваются. Например, моделирование обычно не выигрывает от наличия данных в реальном времени. Однако цифровые двойники разработаны на основе двустороннего потока информации, который возникает тогда, когда датчики объекта передают соответствующие данные системному процессору.
Благодаря наличию более качественных и постоянно обновляемых данных в сочетании с дополнительной вычислительной мощностью, цифровые двойники могут быть гораздо более эффективны в изучении различных процессов, чем стандартные симуляции.
Типы цифровых двойников
Существуют различные типы цифровых двойников. Главное различие между ними заключается в области применения. Разные типы цифровых двойников часто сосуществуют в одной системе или процессе.
Давайте рассмотрим типы цифровых двойников, чтобы узнать об их различиях и применении:
Двойник компонента - это виртуальная копия отдельного элемента или узла внутри сложной системы. Такие двойники часто создаются для детального анализа характеристик конкретного агрегата. Например - ротор в электродвигателе или тормозной цилиндр в суппорте автомобиля.
Двойники деталей - это примерно то же самое, но относятся к компонентам чуть меньшей важности.
Близнецы активов - это когда два или более компонента работают вместе, они образуют так называемый актив. Двойники активов позволяют изучать взаимодействие этих компонентов, создавая обширный массив данных о производительности, которые можно обработать и затем превратить в практические выводы.
Системные или модульные близнецы
Следующий уровень детализации включает двойников систем или модулей, которые позволяют увидеть, как различные активы объединяются в целостную функционирующую систему.
Системные двойники обеспечивают наглядное представление взаимодействия активов и могут подсказать пути повышения производительности.
Двойники процесса
Двойники процессов показывают, как системы взаимодействуют друг с другом, создавая целое производственное предприятие. Синхронизированы ли все эти системы для работы с максимальной эффективностью, или задержки в одной системе повлияют на другие? Двойники процессов помогают определить точные временные схемы, которые в конечном итоге влияют на общую эффективность.
Краткая выдержка из истории возникновения цифровых двойников
Идея технологии цифровых двойников была впервые озвучена в 1991 году с публикацией книги Дэвида Хиллела Гелернтера «Зеркальные миры». Однако считается, что доктор Майкл Гривз (тогда преподаватель Мичиганского университета) первым применил концепцию цифровых двойников в производстве в 2002 году и официально представил концепцию программного обеспечения на основе цифровых двойников. В конечном итоге, в 2010 году Джон Викерс из НАСА ввёл термин — «цифровой двойник».
Преимущества и выгоды цифровых двойников
Использование цифровых двойников позволяет более эффективно проводить исследования и проектирование продуктов, получая обширные данные о вероятных эксплуатационных результатах. Эта информация может помочь компаниям внести необходимые изменения в продукт перед запуском в производство.
Более высокая эффективность
Даже после запуска нового продукта в производство цифровые двойники могут помочь зеркально отобразить и контролировать производственные системы с целью достижения и поддержания максимальной эффективности на протяжении всего производственного процесса.
Окончание срока службы продукта
Цифровые двойники могут даже помочь производителям решить, что делать с продуктами которые достигли конца своего жизненного цикла и нуждаются в окончательной переработке. Используя цифровые двойники, они могут определить какие материалы для производства можно использовать повторно.
Рынок и отрасли цифровых двойников
Хотя цифровые двойники ценятся за свои возможности, их использование не гарантировано для каждого производителя или каждого создаваемого продукта.
Не каждый объект достаточно сложен, чтобы нуждаться в интенсивном изучении с применением технологии цифровых двойников. Проще говоря, с финансовой точки зрения нецелесообразно вкладывать значительные ресурсы в создание цифрового двойника если производственный продукт не сложен в производстве и не требует больших энергетических и материальных затрат.
Имейте в виду, что цифровой двойник — это точная копия физического объекта, что может сделать его создание дорогостоящим.
С другой стороны, многие типы проектов действительно выигрывают от использования цифровых моделей - это физически крупные проекты: здания, мосты и другие сложные конструкции подчиняющиеся строгим правилам проектирования.
Механически сложные проекты: реактивные турбины, автомобили и самолёты. Цифровые двойники могут помочь повысить эффективность сложного оборудования и гигантских двигателей.
Энергетическое оборудование: сюда входят как механизмы генерации электроэнергии, так и механизмы ее передачи.
Производственные проекты: цифровые двойники отлично помогают оптимизировать эффективность процессов на крупных производствах.
Таким образом наибольших успехов при использовании цифровых двойников добились те отрасли, которые связаны с крупномасштабными продуктами или проектами:
Инженерия (системы), производство автомобилей, самолетов, локомотивов, морских и речных судов, строительство зданий, массовые производства, энергетические компании.
Стремительно растущий рынок цифровых двойников свидетельствует о том, что хотя цифровые двойники уже используются во многих отраслях, спрос на них будет продолжать расти ещё долгое время.
Согласно прогнозу в 2022 году объём мирового рынка цифровых двойников к 2027 году достигнет 73,5 млрд долларов США.
Повышение эффективности производства с помощью цифрового двойника
Использование цифровых двойников позволяет владельцам и операторам сократить время простоя оборудования и повысить производительность.
Цифровые двойники уже широко используются в следующих приложениях:
Энергетическое и силовое оборудование - это крупные двигатели, включая реактивные двигатели, двигатели локомотивов и турбины электростанций, получают огромную выгоду от использования цифровых двойников, особенно в помощи установления сроков регулярного необходимого технического обслуживания.
Конструкции и их системы - это крупные физические конструкции, такие как большие здания, морские буровые платформы, можно усовершенствовать с помощью цифровых двойников, особенно на этапе их проектирования.
Они также полезны при проектировании систем, работающих внутри этих конструкций, например систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Производственные операции: Поскольку цифровые двойники призваны отражать весь жизненный цикл продукта, неудивительно что они стали повсеместным явлением на всех этапах производства, сопровождая продукты от проектирования до готового продукта, а также на всех этапах между ними.
Медицинские услуги: Цифровые двойники позволяют профилировать не только продукты, но и пациентов, получающих медицинские услуги. Аналогичная система данных, генерируемых датчиками, может использоваться для отслеживания различных показателей здоровья и получения ключевой информации.
Автомобильная промышленность: Автомобили представляют собой множество типов сложных совместно функционирующих систем и цифровые двойники широко используются в автомобильной промышленности как для улучшения характеристик транспортных средств, так и для повышения эффективности их производства.
Городское планирование: Инженеры-строители и другие специалисты, занимающиеся городским планированием, получают значительную помощь от использования цифровых двойников, которые могут отображать трехмерные и четырехмерные пространственные данные в режиме реального времени, а также интегрировать системы дополненной реальности в архитектурную среду.
Будущее цифрового двойника
Происходит фундаментальное изменение существующих операционных моделей.
Цифровая реорганизация происходит в капиталоёмких отраслях, где операционные модели меняются кардинальным образом, требуя интегрированного физического и цифрового представления активов, оборудования, объектов и процессов.
Цифровые двойники играют важнейшую роль в этой реорганизации.
Будущее цифровых двойников практически безгранично, поскольку их использованию постоянно уделяется всё больше когнитивных ресурсов.
Таким образом, цифровые двойники постоянно осваивают новые навыки и возможности а это значит, что они могут продолжать генерировать информацию необходимую для совершенствования продуктов и повышения эффективности производственных процессов.