Цифровой двойник — это цифровая модель предполагаемого или фактического реального физического продукта, системы или процесса ( физический двойник ), которая служит фактически неотличимым цифровым аналогом для практических целей, таких как моделирование , интеграция , тестирование , мониторинг и обслуживание . [1] [2] [3]
Цифровой двойник — это набор адаптивных моделей, которые эмулируют поведение физической системы в виртуальной системе, получая данные в реальном времени для обновления себя в течение своего жизненного цикла. Цифровой двойник реплицирует физическую систему для прогнозирования сбоев и возможностей для изменений, для предписания действий в реальном времени для оптимизации и/или смягчения непредвиденных событий, наблюдая и оценивая систему рабочего профиля. [2] Хотя концепция возникла раньше (как естественный аспект компьютерного моделирования в целом), первое практическое определение цифрового двойника возникло в NASA в попытке улучшить моделирование физической модели космического корабля в 2010 году. [4] Цифровые двойники являются результатом постоянного совершенствования моделирования и проектирования.
В 2010-х и 2020-х годах производственные отрасли начали выходить за рамки определения цифрового продукта, расширяя концепцию цифрового двойника на весь производственный процесс. Это позволяет распространить преимущества виртуализации на такие области, как управление запасами , включая бережливое производство , предотвращение сбоев оборудования, проектирование инструментов, устранение неполадок и профилактическое обслуживание . Таким образом, цифровое двойникование позволяет применять расширенную реальность и пространственные вычисления не только к самому продукту , но и ко всем бизнес-процессам , которые способствуют его производству .
Первый цифровой близнец, хотя и не обозначенный как таковой, появился в NASA в 1960-х годах как средство моделирования миссий Apollo . NASA использовало симуляторы для оценки отказа кислородных баков Apollo 13. [5] Более широкая идея, которая стала концепцией цифрового близнеца, была предвосхищена книгой Дэвида Гелернтера Mirror Worlds 1991 года . [6] [7] Концепция цифрового близнеца, которая была известна под разными названиями (например, виртуальный близнец) , была впервые названа «цифровым близнецом» Эрнандесом и Эрнандесом в 1997 году. [8] [9]
Концепция цифрового двойника состоит из трех отдельных частей: физический объект или процесс и его физическая среда, цифровое представление объекта или процесса и канал связи между физическим и виртуальным представлениями. Связи между физической версией и цифровой версией включают потоки информации и данные, которые включают потоки физических датчиков между физическими и виртуальными объектами и средами. Коммуникационное соединение называется цифровым потоком.
Международный совет системных инженеров (INCOSE) утверждает в своей Книге знаний по системной инженерии (SEBoK), что: «Цифровой двойник — это связанная, но в то же время отдельная концепция цифровой инженерии. Цифровой двойник — это высокоточная модель системы, которая может использоваться для эмуляции реальной системы». [10] Развивающаяся инициатива по стратегии цифровой инженерии Министерства обороны США , впервые сформулированная в 2018 году, определяет цифрового двойника как «интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностное моделирование готовой системы, поддерживаемое цифровым потоком, которое использует наилучшие доступные модели, информацию датчиков и входные данные для отражения и прогнозирования действий/производительности в течение срока службы соответствующего физического двойника». [11]
Цифровые близнецы обычно делятся на подтипы, которые иногда включают: прототип цифрового близнеца (DTP), экземпляр цифрового близнеца (DTI) и агрегат цифрового близнеца (DTA). [12] DTP состоит из проектов, анализов и процессов, которые реализуют физический продукт. DTP существует до того, как появляется физический продукт. DTI является цифровым близнецом каждого отдельного экземпляра продукта после его изготовления. DTI связан со своим физическим аналогом на оставшуюся часть жизни физического аналога. DTA является агрегацией DTI, данные и информация которых могут использоваться для опроса о физическом продукте, прогностики и обучения. Конкретная информация, содержащаяся в цифровых близнецах, управляется вариантами использования. Цифровой близнец является логической конструкцией, что означает, что фактические данные и информация могут содержаться в других приложениях.
Технологии цифровых близнецов обладают определенными характеристиками, которые отличают их от других технологий:
Одной из основных характеристик технологии цифровых двойников является ее связность. Недавнее развитие Интернета вещей (IoT) выдвигает на первый план многочисленные новые технологии. Развитие IoT также выдвигает на первый план развитие технологии цифровых двойников. Эта технология демонстрирует множество характеристик, которые имеют сходство с характером IoT, а именно ее связную природу. Прежде всего, технология обеспечивает связность между физическим компонентом и его цифровым аналогом. Основа цифровых двойников основана на этой связи; без нее технология цифровых двойников не существовала бы. Как описано в предыдущем разделе, эта связность создается датчиками на физическом продукте, которые получают данные, интегрируют и передают эти данные с помощью различных технологий интеграции. Технология цифровых двойников обеспечивает повышенную связность между организациями, продуктами и клиентами. [13] Например, связность между партнерами и клиентами в цепочке поставок может быть увеличена, если позволить членам этой цепочки поставок проверять цифрового двойника продукта или актива. Затем эти партнеры могут проверить статус этого продукта, просто проверив цифрового двойника.
Сервитизация — это процесс, в котором организации добавляют ценность к своим основным корпоративным предложениям посредством услуг. [14] В случае с двигателями, производство двигателя является основным предложением этой организации, затем они добавляют ценность, предоставляя услуги по проверке двигателя и предлагая техническое обслуживание.
Цифровые близнецы могут быть далее охарактеризованы как цифровая технология , которая является как следствием, так и средством гомогенизации данных. В связи с тем, что любой тип информации или контента теперь может храниться и передаваться в одной и той же цифровой форме, его можно использовать для создания виртуального представления продукта (в форме цифрового близнеца), тем самым отделяя информацию от ее физической формы. [15] Таким образом, гомогенизация данных и отделение информации от ее физического артефакта позволили появиться цифровым близнецам. Однако цифровые близнецы также позволяют все больше информации о физических продуктах храниться в цифровом виде и отделяться от самого продукта. [16]
Поскольку данные все больше оцифровываются, их можно передавать, хранить и вычислять быстрыми и недорогими способами. [16] Согласно закону Мура , вычислительная мощность будет продолжать экспоненциально расти в ближайшие годы, в то время как стоимость вычислений значительно снизится. Таким образом, это приведет к снижению предельных затрат на разработку цифровых двойников и сделает сравнительно более дешевым тестирование, прогнозирование и решение проблем на виртуальных представлениях, чем тестирование на физических моделях и ожидание, пока физические продукты сломаются, прежде чем вмешиваться.
Другим следствием гомогенизации и разделения информации является то, что пользовательский опыт сходится. Поскольку информация с физических объектов оцифровывается, один артефакт может иметь несколько новых возможностей. [16] Технология цифровых двойников позволяет делиться подробной информацией о физическом объекте с большим количеством агентов, не ограниченных физическим местоположением или временем. [17] В своей белой книге о технологии цифровых двойников в обрабатывающей промышленности Майкл Гривз отметил следующее о последствиях гомогенизации, обеспечиваемой цифровыми двойниками: [18]
Раньше у руководителей фабрик был офис с видом на фабрику, чтобы они могли почувствовать, что происходит на фабрике. С цифровым двойником не только руководитель фабрики, но и все, кто связан с производством на фабрике, могли иметь то же самое виртуальное окно не только на одну фабрику, но и на все фабрики по всему миру. (Grieves, 2014, стр. 5)
Как указано выше, цифровой близнец позволяет физическому продукту быть перепрограммируемым определенным образом. Кроме того, цифровой близнец также перепрограммируется автоматически с помощью датчиков на физическом продукте, технологий искусственного интеллекта и предиктивной аналитики . [19] Следствием этой перепрограммируемой природы является появление функциональных возможностей. Если мы снова возьмем пример двигателя, цифровые близнецы могут использоваться для сбора данных о производительности двигателя и, при необходимости, для его настройки, создавая новую версию продукта. Кроме того, сервитизацию можно рассматривать как следствие перепрограммируемой природы. Производители могут нести ответственность за наблюдение за цифровым близнецом, внесение корректировок или перепрограммирование цифрового близнеца при необходимости, и они могут предлагать это в качестве дополнительной услуги.
Еще одной характерной чертой, которую можно наблюдать, является тот факт, что технологии цифровых двойников оставляют цифровые следы. Эти следы могут использоваться инженерами, например, когда машина выходит из строя, чтобы вернуться и проверить следы цифрового двойника, чтобы диагностировать, где возникла проблема. [20] Эти диагнозы в будущем могут также использоваться производителем этих машин, чтобы улучшить их конструкции, чтобы эти же самые неисправности происходили реже в будущем.
В смысле обрабатывающей промышленности модульность можно описать как проектирование и настройку продуктов и производственных модулей. [21] Добавляя модульность к производственным моделям, производители получают возможность настраивать модели и машины. Технология цифровых двойников позволяет производителям отслеживать используемые машины и замечать возможные области улучшения в машинах. Когда эти машины делаются модульными, с помощью технологии цифровых двойников производители могут видеть, какие компоненты заставляют машину работать плохо, и заменять их более подходящими компонентами для улучшения производственного процесса.
Примером цифровых близнецов является использование 3D-моделирования для создания цифровых компаньонов для физических объектов. [22] [23] [24] [25] [26] Его можно использовать для просмотра состояния реального физического объекта, что обеспечивает способ проецирования физических объектов в цифровой мир. [27] Например, когда датчики собирают данные с подключенного устройства, данные датчика можно использовать для обновления копии «цифрового близнеца» состояния устройства в реальном времени. [28] [29] [30] Термин «тень устройства» также используется для концепции цифрового близнеца. [31] Цифровой близнец должен быть актуальной и точной копией свойств и состояний физического объекта, включая форму, положение, жест, статус и движение. [32]
Цифровой двойник также может использоваться для мониторинга, диагностики и прогнозирования для оптимизации производительности и использования активов. В этой области сенсорные данные могут быть объединены с историческими данными, человеческим опытом и обучением флота и моделирования для улучшения результатов прогнозирования. [33] Таким образом, сложные платформы прогнозирования и интеллектуальных систем обслуживания могут использовать цифровых двойников для поиска первопричины проблем и повышения производительности . [34]
Цифровые двойники автономных транспортных средств и их наборы датчиков, встроенные в моделирование дорожного движения и окружающей среды, также были предложены в качестве средства преодоления значительных проблем разработки, тестирования и проверки для автомобильных приложений [35] , в частности, когда соответствующие алгоритмы основаны на подходах искусственного интеллекта , которые требуют обширных наборов данных для обучения и проверки.
Физические производственные объекты виртуализируются и представляются в виде цифровых моделей-близнецов (аватаров), бесшовно и тесно интегрированных как в физическое, так и в киберпространство. [36] Физические объекты и модели-близнецы взаимодействуют взаимовыгодным образом.
Цифровой двойник нарушает все управление жизненным циклом продукта (PLM), от проектирования до производства, обслуживания и эксплуатации. [37] В настоящее время [ когда? ] PLM отнимает очень много времени с точки зрения эффективности, производства, интеллекта, этапов обслуживания и устойчивости в проектировании продукта. Цифровой двойник может объединить физическое и виртуальное пространство продукта. [38] Цифровой двойник позволяет компаниям иметь цифровой след всех своих продуктов, от проектирования до разработки и на протяжении всего жизненного цикла продукта. [39] [13] В целом, отрасли с производственным бизнесом сильно нарушены цифровыми двойниками. В процессе производства цифровой двойник подобен виртуальной копии событий, происходящих в ближайшей перспективе на заводе. Тысячи датчиков размещаются по всему физическому процессу производства, и все они собирают данные из разных измерений, таких как условия окружающей среды, поведенческие характеристики машины и выполняемая работа. Все эти данные непрерывно передаются и собираются цифровым двойником. [39]
Современные способы обслуживания и управления продуктами и активами становятся доступными, поскольку существует цифровой двойник реальной «вещи» с возможностями в режиме реального времени. [40]
Цифровые двойники предлагают большой бизнес-потенциал, предсказывая будущее вместо анализа прошлого производственного процесса. [41] Представление реальности, созданное цифровыми двойниками, позволяет производителям развиваться в направлении предвиденных деловых практик. [37] Будущее производства обусловлено следующими четырьмя аспектами: модульность, автономность, связность и цифровой двойник. [21] Поскольку на этапах производственного процесса наблюдается растущая цифровизация, открываются возможности для достижения более высокой производительности. Это начинается с модульности и ведет к более высокой эффективности производственной системы. Кроме того, автономность позволяет производственной системе реагировать на непредвиденные события эффективным и интеллектуальным образом. Наконец, связность, такая как Интернет вещей , делает возможным закрытие цикла цифровизации, позволяя затем оптимизировать следующий цикл проектирования и продвижения продукта для более высокой производительности. [21] Это может привести к повышению удовлетворенности и лояльности клиентов, когда продукты могут определить проблему до фактической поломки. [37] Кроме того, поскольку затраты на хранение и вычисления становятся менее дорогими, способы использования цифровых двойников расширяются. [39] Проблемы внедрения, такие как интеграция данных , организационные проблемы или проблемы соответствия , могут помешать внедрению цифровых двойников и их преимуществ. [42]
Цифровые близнецы преобразуют строительство, создавая динамические цифровые копии физических активов. Они поддерживают мониторинг состояния здоровья, оценку эргономических рисков и прогнозное обслуживание конструкций, таких как мосты и исторические здания. Приложения также оптимизируют энергетические и углеродные показатели зданий. Примеры, такие как порт Вэйхай, подчеркивают их практический успех. Цифровые близнецы полагаются на надежные системные архитектуры и индивидуальные, ориентированные на требования конструкции. Продвинутые модели, такие как LSTM, обеспечивают прогнозные возможности, хотя проблемы в интеграции и масштабировании остаются. [43]
Географические цифровые близнецы были популяризированы в практике городского планирования, учитывая растущий аппетит к цифровым технологиям в движении «Умные города» . Эти цифровые близнецы часто предлагаются в форме интерактивных платформ для сбора и отображения пространственных данных в реальном времени в формате 3D и 4D для моделирования городской среды (городов) и потоков данных в них. [44]
Технологии визуализации, такие как системы дополненной реальности (AR), используются как совместные инструменты для проектирования и планирования в застроенной среде, интегрируя потоки данных от встроенных датчиков в городах [45] и API-сервисы для формирования цифровых близнецов. Например, AR можно использовать для создания карт дополненной реальности, зданий и потоков данных, проецируемых на поверхности столов для совместного просмотра профессионалами в области застроенной среды. [46]
В строительной среде, отчасти за счет внедрения процессов информационного моделирования зданий (BIM), планирование, проектирование, строительство, а также деятельность по эксплуатации и обслуживанию все больше оцифровываются, и цифровые двойники построенных активов рассматриваются как логическое расширение - на уровне отдельного актива и на национальном уровне. Например, в Соединенном Королевстве в ноябре 2018 года Центр цифровой архитектуры Великобритании опубликовал The Gemini Principles [47] , в котором изложены принципы, которыми следует руководствоваться при разработке «национального цифрового двойника». [48]
Один из самых ранних примеров рабочего «цифрового близнеца» был получен в 1996 году во время строительства объектов Heathrow Express в Терминале 1 аэропорта Хитроу . Консультант Мотт Макдональд и пионер BIM Джонатан Ингрэм подключили датчики движения в перемычке и скважинах к цифровой объектной модели для отображения движений в модели. Цифровой объект для заливки был создан для мониторинга эффектов закачивания раствора в землю с целью стабилизации движений грунта. [49]
Цифровые близнецы также были предложены в качестве метода снижения необходимости визуальных осмотров зданий и инфраструктуры после землетрясений путем использования беспилотных транспортных средств для сбора данных, которые будут добавлены в виртуальную модель пострадавшего района. [50]
Здравоохранение признано отраслью, которую разрушает технология цифровых близнецов. [51] [38] Концепция цифрового близнеца в отрасли здравоохранения была первоначально предложена и впервые использована в прогнозировании продуктов или оборудования. [38] С помощью цифрового близнеца можно улучшить жизнь в плане медицинского здоровья, спорта и образования, применив более ориентированный на данные подход к здравоохранению. Доступность технологий позволяет создавать персонализированные модели для пациентов, непрерывно корректируемые на основе отслеживаемых параметров здоровья и образа жизни. Это в конечном итоге может привести к виртуальному пациенту с подробным описанием здорового состояния отдельного пациента, а не только по предыдущим записям. Кроме того, цифровой близнец позволяет сравнивать записи отдельного пациента с популяцией, чтобы легче находить закономерности с большой детализацией. [51] Самым большим преимуществом цифрового близнеца в отрасли здравоохранения является тот факт, что здравоохранение можно адаптировать для прогнозирования ответов отдельных пациентов. Цифровые близнецы не только приведут к лучшим решениям при определении здоровья отдельного пациента, но и изменят ожидаемый образ здорового пациента. Ранее «здоровый» рассматривался как отсутствие признаков заболевания. Теперь «здоровых» пациентов можно сравнивать с остальной частью населения, чтобы действительно определить здорового. [51] Однако появление цифрового близнеца в здравоохранении также несет некоторые недостатки. Цифровой близнец может привести к неравенству, поскольку технология может быть недоступна для всех, увеличивая разрыв между богатыми и бедными. Кроме того, цифровой близнец будет выявлять закономерности в популяции, которые могут привести к дискриминации. [51] [52]
Автомобильная промышленность была улучшена с помощью технологии цифровых двойников. Цифровые двойники в автомобильной промышленности внедряются с использованием существующих данных для упрощения процессов и снижения предельных издержек. В настоящее время автомобильные конструкторы расширяют существующую физическую материальность, внедряя программные цифровые возможности. [16] Конкретным примером технологии цифровых двойников в автомобильной промышленности является случай, когда инженеры-автомобилестроители используют технологию цифровых двойников в сочетании с аналитическим инструментом фирмы для анализа того, как управляется конкретный автомобиль. При этом они могут предложить включить в автомобиль новые функции, которые могут сократить количество автомобильных аварий на дороге, что ранее было невозможно за такой короткий промежуток времени. [53] Цифровые двойники могут быть созданы не только для отдельных транспортных средств, но и для всей системы мобильности, где люди (например, водители, пассажиры, пешеходы), транспортные средства (например, подключенные транспортные средства, подключенные и автоматизированные транспортные средства) и транспортные потоки (например, транспортные сети, транспортные инфраструктуры) могут обращаться за руководством к своим цифровым двойникам, развернутым на периферийных/ облачных серверах, для принятия решений в реальном времени. [54]
Эта технология позволяет производителям создавать то, что Дэвид Гелернтер, пионер в области компьютерных наук из Йельского университета, более двух десятилетий назад представлял себе как «зеркальные миры».