Jak cyfrowe bliźniaki ulepszają systemy fizyczne

Wschodząca technologia digital twins łączy świat fizyczny i cyfrowy w sposób, który ma potencjał, by zmienić wiele branż.

Jak cyfrowe bliźniaki ulepszają systemy fizyczne

Fot. Cottonbro, Pexels

Istnieje długa linia technologii i narzędzi używanych do modelowania świata fizycznego, w tym rysunków, diagramów i modeli CAD. Istnieje też wiele sposobów wykorzystania technologii do modelowania systemów świata rzeczywistego i przewidywania, w tym symulatory transakcji finansowych, prognozy pogody i modele ruchu drogowego.

Gdy połączymy te dwie możliwości - łącząc cyfrową reprezentację systemu świata fizycznego i model, który symuluje warunki wyjściowe w oparciu o dane wejściowe zaczerpnięte ze środowiska fizycznego - otrzymamy cyfrowego bliźniaka. Digital twin pozwala na walidację systemu w szerokim zakresie sytuacji rzeczywistych.

Zobacz również:

  • Sieci 5G będą lepiej wspierać technologie AI i ML

Inżynierowie używają digital twins w produkcji, budownictwie, energetyce, transporcie, medycynie, nauce i innych branżach do opracowywania produktów i walidacji systemów działających w świecie rzeczywistym. Może to brzmieć jak science fiction, ale wraz z postępem w dziedzinie uczenia maszynowego, modelowania systemów, czujników internetu rzeczy (IoT), platform streamingowych, technologii symulacyjnych i chmury, cyfrowe bliźniaki stają się coraz powszechniejsze.

Aby oddzielić fakty od fikcji, skontaktowałem się z kilkoma ekspertami, aby podzielili się swoimi spostrzeżeniami na temat cyfrowych bliźniaków i tego, jak zespoły biznesowe i inżynierskie wykorzystują je dzisiaj.

Co to jest digital twin?

Prith Banerjee, dyrektor ds. technologii w firmie Ansys, definiuje bliźniaka cyfrowego jako „połączoną, wirtualną replikę działającej jednostki fizycznej, takiej jak środek trwały, zakład lub proces. Czujniki zamontowane na obiekcie zbierają i przekazują dane do symulowanego modelu (cyfrowego bliźniaka), aby odzwierciedlić rzeczywiste doświadczenia związane z tym produktem".

Poza repliką, cyfrowe bliźniaki otrzymują te same strumienie danych w czasie rzeczywistym, co systemy świata fizycznego. Simon Crosby, CTO firmy Swim, skupia się na tym aspekcie digital twins w swojej definicji. „Cyfrowy bliźniak jest żywym agentem, który nieustannie analizuje strumienie zdarzeń z realnego obiektu i dostarcza wyniki w czasie rzeczywistym do innych agentów, aplikacji i interfejsów użytkownika. Te cyfrowe bliźniaki zawsze dokładnie odzwierciedlają aktualny stan świata rzeczywistego".

Jakie rodzaje problemów rozwiązują digital twins?

Crosby dzieli się dwoma sposobami wykorzystania cyfrowych bliźniaków: rzeczywistość rozszerzona i widoki całych systemów w czasie rzeczywistym. Aplikacje rozszerzonej rzeczywistości mają kilka praktycznych przypadków użycia. „Digital twins zostały pomyślane jako cyfrowe nakładki w czasie projektowania do wykorzystania w aplikacjach rzeczywistości rozszerzonej: na przykład inżynier naprawiający silnik odrzutowy".

Rzeczywistość rozszerzona może pomóc w szkoleniu inżynierów lub symulacji procedur, zanim dana osoba wdroży je w świecie rzeczywistym. Rzeczywistość rozszerzona i cyfrowe bliźniaki mają zastosowanie w produkcji, medycynie, energetyce i wszędzie tam, gdzie skomplikowane szkolenia i procedury są wykonywane na drogim sprzęcie lub gdy bezpieczeństwo ludzi jest czynnikiem krytycznym.

„Aplikacje mogą łączyć ze sobą digital twins, aby budować potężne modele, które dostarczają w czasie rzeczywistym widoki na cały system, na przykład aktualny i przewidywany stan ruchu drogowego w mieście" – dodaje Crosby.

Innymi słowy, cyfrowy bliźniak inteligentnego miasta jest agregatem utworzonym przez połączenie cyfrowych bliźniaków z budynków, transportu, usług rządowych i innych systemów.

Banerjee dodaje, że inżynierowie używają cyfrowych bliźniaków do modelowania przyszłych scenariuszy. „Digital twins umożliwiają śledzenie przeszłych zachowań, zapewniają głębszy wgląd w teraźniejszość, a co najważniejsze, pomagają przewidywać i wpływać na przyszłe zachowania".

Zespoły inżynierskie również wykorzystują cyfrowe bliźniaki do oceny projektów i przyspieszania dostarczania systemów produkcyjnych. Robin Yeman, członek rady programowej i dyrektor w zakresie systemów cyberfizycznych w firmie Project and Team, mówi: „Tworzenie cyfrowych bliźniaków dla systemów cyberfizycznych pozwala firmom na walidację wielu projektów w środowisku cyfrowym przed wdrożeniem, co zmniejsza liczbę przeróbek i pozwala na szybsze dostarczanie produktów".

Jak powstają cyfrowe bliźniaki?

Andrew Clark, założyciel CTO w Monitaur, dzieli się spostrzeżeniami na temat procesu modelowania i rozwoju ditgital twins. „Aby stworzyć cyfrowego bliźniaka, należy zbudować reprezentatywne środowisko obiektu lub ekosystemu, co wymaga głębokiej wiedzy na temat zachowań i mechanizmów leżących u podstaw danego systemu. Po włączeniu sygnałów wejściowych do cyfrowego bliźniaka i stworzeniu modelu poprzez identyfikację systemów, można dokonać dokładnej ekstrapolacji lub przewidzieć przyszłe zachowanie systemu".

Przykłady konstruowania cyfrowego bliźniaka mogą obejmować modele informacji o budynku, które zawierają szczegóły na poziomie obiektu dotyczące wszystkich komponentów, takich jak drzwi, okna lub materiały. W produkcji, cyfrowy bliźniak może symulować cały proces produkcyjny, włączając w to połączenia z systemami wykonawczymi produkcji w celu dostarczenia bieżących danych.

Cyfrowe bliźniaki nie mogą być modelami jednorazowymi i muszą odzwierciedlać zmiany wprowadzane do systemu w świecie rzeczywistym. Clark dodaje: „Tworzenie dokładnych cyfrowych bliźniaków jest bardzo złożonym przedsięwzięciem, które wymaga głębokiej wiedzy z danej dziedziny, w przeciwnym razie otrzymujemy niereprezentatywne i niedokładne modele. Aby zminimalizować tę lukę, cyfrowe bliźniaki są często skonfigurowane jako systemy uczące się online, co oznacza, że stale aktualizują i przekwalifikowują się na podstawie nowych danych wejściowych".

Jeśli myślisz o zbudowaniu cyfrowego bliźniaka, Brent Pookhay, wiceprezes wykonawczy i dyrektor ds. informatyki w firmie Nutrien, sugeruje bezpośrednią współpracę z osobami z działu operacyjnego, które posiadają głęboką wiedzę na temat działania systemów. „Budowanie cyfrowego bliźniaka dotyczy w takim samym stopniu ludzi, jak i technologii. Kim są eksperci merytoryczni (operacyjni, inżynierowie, ekipy terenowe), którzy zarządzają tymi aktywami? Ich głębokie zrozumienie, doświadczenie i praktyczna wiedza na temat eksploatacji tych aktywów mogą być równie ważne, jak dane pochodzące z systemów OT i SCADA."

Jakie są przykłady użycia digital twins?

Banerjee dzieli się kilkoma przykładami cyfrowych bliźniaków. „Cyfrowe bliźniaki są wykorzystywane na różnych etapach, w tym projektowania, produkcji i operacji, oraz w różnych branżach, takich jak lotnictwo, motoryzacja, produkcja, budynki, infrastruktura i energia. Zazwyczaj mają one wpływ na różne cele biznesowe, w tym ogólną efektywność sprzętu, serwisowanie predykcyjne, wydajność i budżety".

Oto próbka projektów digital twin:

- Las Vegas tworzy cyfrowego bliźniaka, który ma pomóc w przejściu na zerową emisję dwutlenku węgla.

- Partnerstwo publiczno-prywatne opracowuje cyfrowego bliźniaka dla Brooklyn Navy Yard, aby zmniejszyć jego ślad energetyczny.

- W urbanistyce profesor z Texas A&M University tworzy cyfrowego bliźniaka teksańskich osiedli przybrzeżnych, aby zbadać ich odporność na zagrożenia naturalne.

- W produkcji, cyfrowe bliźniaki są wykorzystywane do projektowania produktów, zarządzania łańcuchem dostaw, konserwacji predykcyjnej i analizy doświadczeń klientów.

- CenterLine, kanadyjska firma zajmująca się procesami i technologiami automatyki przemysłowej, wykorzystała cyfrowego bliźniaka hali fabrycznej, aby zredukować problemy związane z narzędziami nawet o 90%, a czas programowania w hali fabrycznej nawet o 75%.

- Cyfrowe bliźniaki zmienią opiekę zdrowotną, ponieważ naukowcy opracują wirtualne organy, poprawią doświadczenia opiekunów, sklasyfikują ryzyko związane z lekami i wiele innych.

Spodziewam się, że zobaczymy o wiele więcej przykładów cyfrowych bliźniaków, zwłaszcza, że firmy rozważają rozwój i wsparcie bardziej złożonych produktów, procesów i innych środowisk fizycznych.

W jaki sposób programiści i inżynierowie devops mogą umożliwić rozwój cyfrowych bliźniaków?

Platformy cyfrowych bliźniaków, takie jak Ansys, Autodesk, Bosch, Dassault Systems, Siemens i inni dostawcy, zapewniają możliwości modelowania i symulacji. Ponadto, chmury publiczne rozszerzyły swoje platformy IoT o funkcje cyfrowych bliźniaków, takie jak Azure Digital Twins i Google's Supply Chain Twin. Architektury cyfrowych bliźniaków AWS mogą obejmować Amazon Kinesis Data Streams, Amazon SageMaker, AWS Lambda i inne usługi.

Zespoły IT muszą rozważyć infrastrukturę wymaganą do obsługi cyfrowych bliźniaków. „Potrzeba szybszego dostarczania produktów wciąż rośnie, jednak czas realizacji zamówień na sprzęt i oprogramowanie układowe może spowolnić firmy" – mowi Yeman.

Programiści muszą również wziąć pod uwagę, że IoT i inne strumienie danych w czasie rzeczywistym mogą zasilać wiele systemów, w tym cyfrowe bliźniaki. Oznacza to konieczność skonfigurowania technologii strumieniowania danych w celu udostępniania ich w czasie rzeczywistym pomiędzy systemami produkcyjnymi a środowiskami rozwojowymi i testowymi cyfrowych bliźniaków.

Cyfrowe bliźniaki to ekscytująca, wschodząca technologia, która wykorzystuje konwergencję wielu różnych rozwiązań, w tym uczenia maszynowego, IoT, strumieniowego przesyłania danych i rzeczywistości rozszerzonej. Przyniesie ona nową erę innowacji, bezpieczeństwa i wydajności w wielu branżach.

Artykuł pochodzi z InfoWorld.com

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200