CC BY
2874Кокорев Дмитрий Сергеевич
студент магистратуры Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Россия, г. Москва Юрин Александр Александрович студент магистратуры Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Россия, г. Москва DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10264 ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ: ПОНЯТИЕ, ТИПЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА ДЛЯ БИЗНЕСА
Kokorev Dmitry
student
National Research Nuclear University "MEPI"
Russia, Moscow Yurin Alexander student
National Research Nuclear University "MEPI"
Russia, Moscow
DIGITAL TWINS: CONCEPT, TYPES AND BENEFITS FOR BUSINESS
Аннотация
В статье рассмотрено понятие цифрового двойника, который является одним из факторов цифровой трансформации предприятий, формирующие ближайшее будущее. Приведены различия между цифровым двойником и цифровой тенью, а также рассмотрены преимущества применения данной технологии для бизнеса.
Abstract
The article discusses the concept of the digital twin, which is one of the factors of digital transformation of enterprises that shape the near future. The article also presents the differences between the digital twin and the digital shadow, as well as the advantages of using this technology for business.
Ключевые слова: Цифровые двойники, цифровой двойник прототип, цифровой двойник экземпляр, цифровой двойник агрегатор, цифровой двойник продукта, цифровой двойник процесса, цифровой двойник системы.
Keywords: Digital twins, digital twin prototype, digital twin copy, digital twin aggregator, digital twin of a product, digital twin ofprocess, digital twin of a system.
Введение
Появление «цифровых двойников» стало логичным результатом развития концепции «цифрового производства» и Промышленного Интернета Вещей. Впервые это понятие появилось в 2003 году после публикации статьи профессора Технологического университета Флориды Майкла Гривза «Цифровые двойники: превосходство в производстве на основе виртуального прототипа завода» [1].
В настоящее время многие отрасли промышленности собирают данные о производительности оборудования. В последние годы цифровая трансформация смогла не только полностью обработать собранную информацию с помощью передовой аналитики, но и принять обоснованные решения для оптимизации операций в различных отраслях. Аналогичным образом, новые технологии моделирования предоставляют производителям возможность использовать цифровые двойники в своих
продуктах и процессах. Новые проекты можно тестировать в виртуальном мире, экономя время, деньги и ресурсы. Цифровой двойник может позволить компаниям быстрее решать физические проблемы, обнаруживая их с гораздо более высокой степенью точности, проектировать и создавать более качественные продукты и, в конечном итоге, лучше обслуживать своих клиентов. С этим типом интеллектуального архитектурного проектирования компании могут реализовывать ценность и выгоды итеративно и быстрее, чем когда-либо прежде [1].
Понятие цифрового двойника
Существует множество определений цифрового двойника. В таблице 1 приведены самые распространенные определения, а также указаны их авторов.
Таблица 1
Определения цифровых двойников_
Определение Автор
«Цифровой двойник - это интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностное моделирование собранного транспортного средства или системы, которое использует лучшие доступные физические модели, обновления датчиков, историю и т. д.» Glaessgen & Stargel, (2012)[2]
«Объединенная модель реальной машины, которая работает на облачной платформе и моделирует состояние здоровья с интегрированными знаниями как из управляемых данными аналитических алгоритмов, так и из других доступных физических знаний» Lee, Lapira, Bagheri, an Kao, (2013)[3]
«Цифровой двойник — это цифровая копия живой или неживой физической сущности. Соединяя физический и виртуальный мир, данные передаются незаметно, позволяя виртуальной сущности существовать одновременно с физическим сущностью» El Saddik, A. (2018)[4]
«Использование цифровой копии физической системы для оптимизации в реальном времени» Soderberg, R., War-mefjord, K., Carlson, J. S., & Lindkvist, L. (2017)[5]
«Динамическое виртуальное представление физического объекта или системы в течение всего жизненного цикла с использованием данных в режиме реального времени для понимания, изучения и рассуждения» Bolton, McColl-Ken-nedy, Cheung, (2018)[6]
«Цифровой двойник - это реальное отображение всех компонентов в жизненном цикле продукта с использованием физических данных, виртуальных данных и данных взаимодействия между ними» Tao, Sui, Liu, Qi, Zhang, Song, Guo, Lu & Nee (2018)[7]
Как можно видеть промышленные и научные круги определяют цифрового двойника немного по-разному. Однако, возможно, ни одна из групп не уделяет должного внимания аспектам процесса цифрового двойника. Например, согласно одной из групп, цифровой двойник представляет собой интегрированную модель готового продукта, который призван отражать все производственные дефекты и постоянно обновляться, чтобы учитывать износ продукта. В других широко распространенных определениях цифровой двойник описывается как цифровая модель физического объекта с поддержкой датчиков, которая имитирует объект в режиме реального времени. По сути, цифровой двойник можно определить как развивающийся цифровой профиль исторического и текущего поведения физического объекта или процесса, который помогает оптимизировать эффективность бизнеса.
Также хотелось отметить различие между понятиями цифрового двойника и цифровой тени. Цифровую тень можно определить как систему связей и зависимостей, описывающих поведение реального объекта, как правило, в нормальных условиях работы и содержащихся в избыточных больших данных, получаемых с реального объекта при помощи технологий промышленного интернета. Цифровая тень способна предсказать поведение реального объекта только в тех условиях, в которых осуществлялся сбор данных, но не позволяет моделировать ситуации, в которых реальный объект не эксплуатировался.
Цифровой двойник основан на больших данных, которые поступают в реальном времени по
множеству измерений. Эти измерения могут создать развивающийся профиль объекта или процесса в цифровом мире, который может дать важную информацию о производительности системы, что приведет к принятиям решения в физическом мире, таким как изменение разработки продукта, так и производственного процесса. Цифровой двойник отличается от традиционной системы автоматизированного проектирования (САПР) и не служит просто еще одним решением с поддержкой датчиков Интернета вещей (IoT). Цифровой двойник — это гораздо больше, чем любой САПР, полностью инкапсулированный в компьютерную среду, которая продемонстрировала успех в моделировании сложных сред. Также это может быть более сложная система, чем системы IoT, которые измеряют такие вещи, как положение и диагностика для всего компонента, но не взаимодействия между компонентами и процессами полного жизненного цикла продукта [8].
Классификация цифровых двойника
Также, как и определений существует множество классификаций цифровых двойников. Рассмотрим более подробно различные классификации цифровых двойников.
Непосредственно сам Майкл Гривз в своей работе определил три типа цифровых двойников (рисунок 1): прототип «цифрового двойника» (Digital Twin Prototype), экземпляр «цифрового двойника» (Digital Twin Instance) и агрегатор «цифрового двойника» (Digital Twin Aggregate). Далее рассмотрим каждый из этих двойников более подробно.
Типы «цифровых двойников»
Прототип Экземпляр Агрегатор
Рисунок 1. Типы «цифровых двойников» по Гривзу
• «Цифровой двойник» прототип;
Этот тип цифрового двойника, который описывает прототип физического объекта. Он содержит информационные наборы, необходимые для описания и создания физической версии. Эти информационные наборы включают, но не ограничиваются, требованиями, спецификацией документов, спецификацией процессов и спецификацией услуг.
• «Цифровой двойник» экемпляр;
Этот тип цифрового двойника, описывающий конкретный физический продукт, с которым цифровой двойник непосредственно связан на протяжении всего срока службы продукта. Этот тип «цифрового двойника» может содержать, в зависимости от сценариев использования, следующие наборы данных: 3D модель, которая описывает геометрию физического объекта и его компоненты, список операций, которые были выполнены при создании этого физический объекта, вместе с резуль-
татами каких-либо измерений и испытаниями на экземпляре, а также рабочие состояния, полученные с датчиков.
Например, несколько отдельных физических объектов могут быть изготовлены на основе одного «цифрового двойника» прототипа, но при этом, каждый из них будет иметь свои собственные «цифровые двойники» экземпляры.
• «Цифровой двойник» агрегатор.
Этот тип цифрового двойника представляет собой объединение всех остальных двойников. Он имеет доступ ко всем виртуальным прототипам и может запрашивать информацию о группе объектов. Также, агрегатор постоянно мониторит показания датчиков и сопоставляет эти показания с показаниями, которые были зафиксированы во время сбоя.
Виртуальные модели широко используются при производстве различных продуктов. На сегодняшний день различают несколько типов «цифровых двойников» в зависимости от области построения, все эти типы изображены на рисунке 2.
Рисунок 2. Типы «цифровых двойников»
• «Цифровой двойник» продукта
Представляет собой виртуальную модель конкретного продукта. Производители используют данный тип «цифрового двойника» перед настройкой производственной линии, чтобы проанализировать, как продукт будет работать в различных условиях, и какие проблемы могут возникнуть в реальном мире. Он позволяет вносить необходимые корректировки и создавать более эффективный продукт. В результате цифровой двойник реального продукта помогает уменьшить производственные затраты при его выходе на рынок.
• «Цифровой двойник» процесса
Эти модели имитируют производственные процессы. Виртуальный производственный процесс может создать различные сценарии и показать
то, что произойдет при различных ситуациях. Это позволяет компании разрабатывать наиболее эффективную методику производства. Процесс можно оптимизировать с помощью виртуальных двойников продукта для каждой части оборудования. Таким образом, предприятие сможет выполнять профилактическое обслуживание, избегая дорогостоящих простоев. Производство станет безопаснее, быстрее и эффективнее.
• «Цифровой двойник» системы
Это виртуальные модели всей системы целиком (например, завода или фабрики). Они собирают огромные объемы операционных данных, производимых устройствами и продуктами в системе, получают представление и создают новые бизнес-возможности для оптимизации всех процессов.
Преимущества технологии «цифровые двойники» для бизнеса
Появлением все более удобных и дешевых инструментов обработки и хранения больших данных позволило увеличить число вариантов использования и возможностей для создания цифрового двойника, что, в свою очередь, повысило ценность для бизнеса. Рассмотрим преимущества цифровых двойников для бизнеса.
1. Уменьшение затрат на производство;
Как правило, продукт проходит несколько испытаний до появления окончательного рабочего прототипа. Этот процесс является очень дорогим, потому что он требует значительного вклада времени и средств. Цифровые двойники позволяют инженерам выполнить все тесты и моделирования в виртуальной среде, что уменьшает дефекты во время фактического производства. В мире цифровых технологий намного легче, дешевле и быстрее исправить дефекты, чем в реальном мире. Цифровые аналоги могут устранить почти все риски будущего вывода продукта на рынок и удостовериться, что физический объект будет работать корректно. Так, основное преимущество «цифровых двойников» является сокращение затрат во время производства и обслуживания.
2. Сокращение времени выхода на рынок;
Залог успеха каждой компании заключается в
более быстром выходе продукта на рынок. Но часто это является проблемой из-за длительных итераций и постоянных улучшений. Когда компания использует виртуальные двойники для создания продукта или услуги, это значительно сокращает время выхода на рынок, так как жизненный цикл продукта
выполняется в цифровой среде, где все улучшения могут быть сделаны намного быстрее и проще. Виртуальный прототип проверяет, как его физическая копия будет вести себя в реальности, тем самым оптимизируя эффективность и время разработки. Таким образом, продукт может поступить в продажу, как только начинается его производство.
3. Прогнозируемое диагностическое обслуживание.
Еще одним важным преимуществом технологии «цифровой двойник» является то, что она может заблаговременно решить многие проблемы. Эта возможность называется прогнозируемым обслуживанием. Виртуальные копии осуществляют постоянное дистанционное управление своими физическими прототипами, собирая различную информацию о состоянии с помощью датчиков. Анализ собранных данных позволяет прогнозировать возможные поломки [9].
На рисунке 3 показано стоимость изменения конструкции продукта с использованием цифрового двойника, также показан традиционный подход к разработке продукта. Из рисунка видно, что использование цифрового двойника позволит решить многие задачи по изменению продукты на этапе «эскизного проекта» и «детальной проработке». Стоимость решения одной задачи на данных этапах меньше стоимости решения задачи на этапах прототипа и оценки и значительно меньше стоимости решения задачи на этапах постановки на производства и полноценного производства. Таким образом, цифровые двойники значительно сокращают затраты компании на разработку нового продукта.
Фаза цикла Эскизный проект Детальная проработка Прототип Оценка Постановка на п роизводство Полноценное производство
Стоимость решения одной задачи IX 10 X 100 X 1000 X 20 ОООХ
Рисунок 3. Стоимость изменения конструкции с использованием цифрового двойника
Итак, применение цифрового двойника позволит:
- прогнозировать с существенно более высокой степенью достоверности состояние объекта, возможные нештатные ситуации, оперативно на них реагировать, снижая угрозы безопасности, здоровью людей и окружающей среде;
- увеличить глубину понимания процессов, происходящих в объекте и продукте, за счет наработки расширенной статистики «виртуальной» эксплуатации объектов;
- более точно рассчитывать экономику проекта и управлять ею;
- выявлять слабые звенья и улучшать конструктивные особенности энергоблоков;
- сократить время внедрения необходимых изменений.
Такие возможности заставили обратить пристальное внимание на технологию практически все ведущие компании мира, что в итоге вывело «цифровой двойник» в десятку главных стратегических технологических трендов 2019 года.
Список литературы
1. Michael W. Grieves Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication - LLC, 2014, 7 p.
2. Glaessgen E., Stargel D. The digital twin paradigm for future NASA and US Air Force vehicles //53rd AIAA/ASME/AS CE/AHS/AS C Structures, Structural Dynamics and Materials Conference 20th AIAA/ASME/AHS Adaptive Structures Conference 14th AIAA. - 2012. - С. 1818.
3. Lee J., Bagheri B., Kao H. A. A cyber-physi-cal systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems //Manufacturing letters. - 2015. - Т. 3. - С. 18-23.
4. El Saddik A. Digital twins: the convergence of multimedia technologies //IEEE MultiMedia. - 2018. -Т. 25. - №. 2. - С. 87-92.
5. Soderberg R. et al. Toward a Digital Twin for real-time geometry assurance in individualized production //CIRP Annals. - 2017. - Т. 66. - №. 1. - С. 137140.
6. Bolton R. N. et al. Customer experience challenges: bringing together digital, physical and social realms //Journal of Service Management. - 2018. - Т. 29. - №. 5. - С. 776-808.
7. Tao F. et al. Digital twin-driven product design framework //International Journal of Production Research. - 2018. - С. 1-19.
8. Толстых Т. О., Гамидуллаева Л. А., Шка-рупета Е. В. Ключевые факторы развития промышленных предприятий в условиях цифрового производства и индустрии 4.0 //Экономика в промышленности. - 2018. - Т. 11. - №. 1. - С. 11-19.
9. Rosen R., Wichert G., Lo G., Bettenhausen K. About The Importance of Autonomy and Digital Twins for the Future of Manufacturing. - IFAC-PapersOnLine, 2015, Pages 567-572
