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. 

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.

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. 

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.

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.

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. 

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. 

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. 

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. 
• 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.
• 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

1. Цифровой двойник (digital twin) — это цифровая копия физического объекта или процесса. Создается двойник с помощью датчиков, которые собирают данные с объекта-исходника.
2. Цифровые копии помогают виртуально исследовать, менять, анализировать и тестировать физические объекты — девайсы, машины, бизнес-процессы, производства.
3. Digital twins сокращают расходы бизнеса на проектирование, изготовление, эксплуатацию и последующее обслуживание готового изделия.
4. В основе работы цифровых двойников материальные и нематериальные технологии.
5. В зависимости от масштаба использования цифровые двойники делят на компоненты, активы, системы и процессы.
6. Используют технологию в медицине, производстве, строительстве, ритейле, космической отрасли, энергетике.