История создания цифровых двойников

Вопрос перехода к высокотехнологичным и эффективным производствам в условиях глобальной конкуренции в последние десятилетия стал особенно актуален. Благодаря стремительному развитию цифровых технологий появилась возможность сбора, хранения, передачи и анализа больших массивов данных, что привело к пересмотру стандартных подходов к управлению производственными процессами на предприятиях. Важнейшим трендом цифровизации современного мира являются цифровые двойники.

Как пишет Хардик Гохил (Hardik Gohil): "Цифровой двойник (ЦД) – это зона пересечения цифрового и реального мира" [2]. Иными словами, это копия изделия и его свойств в виртуальном пространстве.

Условно, историю ЦД можно разделить на 3 этапа: зарождение концепции (1970-2010 гг.), начало внедрений и разработок (2010‑2014 гг.) и распространение в новых отраслях (2014 – по н/в).

Свое начало цифровые двойники берут в 1960-х годах во время инцидента с "Апполоном-13". Многим знакомо выражение "Хьюстон, у нас проблема", но не все знают, что проблему, о которой сообщил экипаж лунной миссии НАСА, помог решить прототип цифрового двойника [5].

Во время проектирования и запуска "Апполон-13" реальным было только экипаж, кабина и пульты управления, все остальное симулировалось на аналоговых компьютерах. Таким образом, симуляция в сочетании с живой моделью позволяет считать случай НАСА первым настоящим двойником.Он представлял собой копию (близнеца) космического аппарата.

Первоначальное описание концепции в литературе было описано Майклом Гривзом в Мичиганском университете в 2002 году, в рамках управления жизненным циклом продукта (PLM – Product Lifecycle Management) [7].Предложенная модель включала в себя реальное и виртуальное пространство, а также связующий механизм для обмена информацией между ними("цифровая тень"). Вскоре эта модель стала называться "Модель зеркалирования пространств" (2002 г.), а затем "Модель зеркалирования информации" (2006 г.).

Рисунок 1.Основная концепция цифрового двойника

Источник: Dessault Systems, 2014

На рисунке 1 показана концепция цифрового двойника по Гривзу. Стоит отметить, что идея ЦД появилась намного раньше, чем реализация из-за недостаточного развития информационных технологий, хотя основной предпосылкой создания виртуальных моделей являлась практика проектирования, технологическая подготовка производства и инженерного анализа на основе (CAD/CAM/CAE-систем).

После апробации ЦД в космосе, началось внедрение виртуальных прототипов в других областях. Так, например, другой формой "аппаратного близнеца" является "Железная птица" (2011 г.) – наземный инженерный инструмент, используемый в авиационной промышленности для интеграции, оптимизации и проверки жизненно важных авиационных систем [3].В 2011 году Военно-воздушные силы США применили данную технологию для решения таких задач, как проведение технического обслуживания и расчет прогнозного срока службы самолетов [4].

В России технология ЦД впервые была реализована в области автомобильной промышленности, в рамках проекта "Кортеж", для разработки единой модульной платформы и проектирования кузовов лимузина, седана, минивэна и внедорожника [1].

Медицина тоже стала использовать виртуальные модели для моделирования органов человека, биохимических процессов и т.п.Одним из примеров виртуальных моделей в медицине является создание искусственных сердец и клапанов с турбонасосами прямого тока крови, персонализированных к каждому пациенту, в Зеленоградском инновационно-технологическом центре (ЗИТЦ) при НИУ МИЭТ с 2012 г.

В публикации компании Dassault Systems за 2019 г. "Использование ЦД в производстве", с ссылкой на исследование LNSResearch [6], обсуждались факторы, стимулирующие внедрение ЦД. Основные из них: "увеличение качества производства", "снижение стоимости производства" и "снижение незапланированных простоев". Тормозящими факторами являются: высокая стоимость проектов, многопрофильное программное обеспечение, наработки в математическом моделировании широкого спектра физических процессов.

Растущая популярность цифровых двойников в их современном понимании совпала с пиком популярности интернета вещей и искусственного интеллекта в своеобразном цикле зрелости технологии (Hype Cycle) компании Gartner. В 2016 году цифровые двойники (Digital Twin) впервые появились в Gartner Hype Cycle,а уже к 2018 году оказались на пике кривой.

Рисунок 2.Hype Cycle 2018 г.

Источник: Gartner

На рисунке 2 мы видим расположение ЦД вHypeCycle 2018 г.

В 2019 г. ЦДвошли в первую десятку стратегических технологий в списке Gartner[8].

Рисунок 3.HypeCycle 2023 г.

Источник: Gartner

На рисунке 3 мы видим состояние Hype Cycle на 2023 год. Ввиду перспективности цифровизации можно сделать вывод, что в ближайшее время популярность цифровых двойников будет возрастать,т.к. с каждым днем увеличивается интерес к информационным технологиям.

Таким образом, цифровые двойникивнедрены практически во всех областях. К 2030 году цифровая трансформация предприятий позволит качественно преобразить промышленность посредством использования данных технологий.