ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ

ЦИФРОВОЙ ДВОЙНИК: ПОНЯТИЕ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

Цифровой двойник — это цифровая (виртуальная) модель любых объектов, систем, процессов или людей. Она точно воспроизводит форму и действия оригинала и синхронизирована с ним.
Цифровой двойник нужен, чтобы смоделировать, что будет происходить с оригиналом в тех или иных условиях. Это помогает, во-первых, сэкономить время и средства (например, если речь идет о сложном и дорогостоящем оборудовании), а во-вторых — избежать вреда для людей и окружающей среды.

Цифровые двойникисостоят из трех основных частей:физический продукт в реальном пространстве, виртуальный продукт в виртуальном пространстве, данные и информация, которые объединяют виртуальный и физический продукт.

В  идеальных условиях вся информация, которую можно получить от изделия, может быть получена от его цифрового двойника.

Основная задача цифрового двойника (ЦД) – повышение эффективности производства, внедрения, запуска, эксплуатации и развития систем и комплексов. Именно поэтому цифровые двойники стали появляться, в первую очередь, там, где велика стоимость создания образца изделия и стоимость натурных экспериментов для исследования пограничных режимов функционирования.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ

В настоящее время мы способны собирать куда больше данных, чем это было возможнов 2003 г. Сейчас в автоматическом режиме можно получать информацию с датчиков, расположенных на станках, конвейерах, измерительных машинах и т.д. Этим и объясняется повышенный интерес к цифровым двойникам, который наблюдается в последние годы. Судя почислу публикаций, рост заинтересованности исследователей в данной теме начался с 2015 г.,что наглядно иллюстрирует график, представленный на рис. 3 (по оси ординат Q- количество публикаций, G - год).

Рис. 3 – График роста числа публикаций о цифровых двойниках

В последние годы цифровые двойники становятсянезаменимыми в различных отраслях, появляется все больше новых программ этого типа:

1. В промышленности:

• -SiemensDigitalTwin - появился в 2016 году
• GE DigitalTwin - был представлен в 2017 году
• ABB AbilityDigitalTwin - был выпущен в 2018 году
• BoeingDigitalTwin - был создан в 2018 году
• Rolls-RoyceDigitalTwin - появился в 2018 году
• GE AviationDigitalTwin - был разработан в 2019 году

2. В автомобильной отрасли

• BMW DigitalTwin - появился в 2018 году
• AudiDigitalTwin - был выпущен в 2018 году
• VolkswagenDigitalTwin –был создан в 2019году
• Mercedes-BenzDigitalTwin - был разработан в 2019 году
• FordDigitalTwin -появился в 2020 году
• General Motors Digital Twin - былсозданв2020 году
• ToyotaDigitalTwin - появился в 2020 году
• TeslaDigitalTwin - был разработан в 2020году

3. В строительстве

• AutodeskRevit -был создан в 2000
• TrimbleSysQue - был выпущен в 2016
• Bentley AECOsim Building Designer -появилсяв 2007 году
• DassaultSystèmes 3DEXPERIENCE Platform - быларазработанав2012 году
• Siemens Digital Industries Software NX - 1996 году
• PTC Creo - был создан в 2010 году
• ANSYS TwinBuilder - был разработан в 2018 году
• Synchro PRO - появился в 2004 году
• UnityReflect - был разработан в 2019 году
• Graphisoft ARCHICAD - был создан в 1982году

4. В медицине

• Цифровой двойник пациента (Digital Patient Twin)
• Цифровой двойник органа (Digital Organ Twin)
• Цифровой двойник ткани (Digital Tissue Twin)
• Цифровой двойник клетки (Digital Cell Twin)
• Цифровой двойник молекулы (Digital Molecule Twin)

В последние годы появилось большое количество цифровых двойников, они очень востребованы в самых различных областях. Например, в медицине пик использования данной технологии пришелся на 2020 год, что было связано с эпидемией Корона вируса.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ

Добыча и переработка полезных ископаемых. Цифровые двойники помогают снизить риски при добыче и переработке нефти и газа. Это позволяет сохранить жизни сотрудников и избежать ущерба для окружающей среды, а также сэкономить огромные суммы. На одном из европейских нефтеперерабатывающих предприятий система предикативной (прогнозной) аналитики SchneiderElectric позволила предсказать сбой большого компрессора за 25 дней до того, как он случился. Это сэкономило компании несколько миллионов долларов.

Цифровые двойники  применяются в энергетике. Цифровые двойники применяют, чтобы оптимизировать работу электростанций, избежать сбоев в подаче электричества и рационально подойти к энергопотреблению.

ИТ-инфраструктура так же не обходится без цифровых двойников. Можно смоделировать как отдельное устройство или сервис, так и целую сеть, рассчитав предельные нагрузки и продумав защиту от киберугроз.

Цифровые двойники  используются в строительстве. С помощью цифровых двойников можно построить модель будущего здания или целого квартала и спрогнозировать, как оно впишется в среду, выдержит климатические условия и нагрузки на несущие конструкции. К примеру, При восстановлении Нотр-Дама использовали цифровой двойник собора.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ

Среди преимуществ, обусловленных внедрением цифровых двойников, можно отметитьследующие:

-  контроль и прозрачность производственных процессов;

- сокращение затрат на ремонт, уменьшение простоя за счет предиктивной аналитикисостояния оборудования;

- симуляция изменений и проверка гипотез в виртуальной среде без необходимости реальных изменений в физическом мире, что позволяет сократить затраты наоптимизацию и снизить риски;

- повышение качества выпускаемой продукции за счет изменения подхода к производству (матрица из тысяч целевых показателей может быть заложена на этапе разработки) и постоянной оптимизации на основе анализа данных;

- следующий уровень приближения к полному контролю над производством с помощью цифровых технологий и к созданию полностью автономных производств.

Существуют и риски, возникающие при пилотном внедрении данной концепции:

- недостаточный уровень автоматизации производств;

- необходимость покрытия территории предприятия высококачественными беспроводными сетями для полномасштабного функционирования IоТ;

- сложность объединения, анализа и обработки разнородных данных, поступающих избольшого количества различных источников;

- необходимость владения большим набором математических и IT-компетенций, такихкак: математическое моделирование процессов и систем, машинное обучение, искусственныйинтеллект, работа с большими данными, анализ данных и др.;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе вышесказанного можно сделать вывод, что за прошедшие годы концепция цифровых двойников из абстрактной идеи превратилась во вполне зрелую технологию, которая находит все более широкое применение в самых разных областях промышленности.Эффективность применения цифровых двойников доказана мировыми лидерами.

В промышленности технология уже сегодня помогает повысить эффективность минимум на 10%, а в нефтяной отрасли — сэкономить от 5% до 20% капитальных вложений. В ближайшие годы крупные компании перейдут к дистанционному мониторингу и управлению целыми производствами и всеми подразделениями через виртуальные системы.

То же самое произойдет и с городами: они обзаведутся цифровыми двойниками, объединяющими все важнейшие системы, районы и объекты городской инфраструктуры. Онлайн-мониторинг будет осуществляться при помощи IoT-датчиков, сканеров и дронов с машинным обучением, а сами виртуальные системы будут размещены в облаке. При этом доступ к двойникам будет и у федеральных властей. Это позволит, в частности, экстренно реагировать на чрезвычайные ситуации и предотвращать их даже в самых отдаленных регионах.