Цифровой двойник — это цифровая модель предполагаемого или фактического реального физического продукта, системы или процесса ( физический двойник ), которая служит фактически неотличимым его цифровым аналогом для практических целей, таких как моделирование , интеграция , тестирование , мониторинг. , и обслуживание . [1] [2] [3]
Цифровой двойник — это набор адаптивных моделей, которые имитируют поведение физической системы в виртуальной системе, получающей данные в реальном времени для обновления в течение своего жизненного цикла. Цифровой двойник копирует физическую систему, чтобы прогнозировать сбои и возможности для изменений, предписывать действия в реальном времени для оптимизации и/или смягчения непредвиденных событий, наблюдая и оценивая систему операционных профилей. [2] Хотя эта концепция возникла раньше (как естественный аспект компьютерного моделирования в целом), первое практическое определение цифрового двойника было предложено НАСА в попытке улучшить физическое моделирование космического корабля в 2010 году. [4] Цифровые двойники являются результатом постоянного совершенствования моделирования и проектирования.
В 2010-х и 2020-х годах обрабатывающая промышленность начала выходить за рамки определения цифрового продукта и расширять концепцию цифрового двойника на весь производственный процесс. Это позволит распространить преимущества виртуализации на такие области, как управление запасами , включая бережливое производство , предотвращение сбоев оборудования, проектирование инструментов, устранение неполадок и профилактическое обслуживание . Таким образом, цифровые двойники позволяют применять расширенную реальность и пространственные вычисления не только к самому продукту , но и ко всем бизнес-процессам , которые способствуют его производству .
Цифровые двойники были предсказаны в книге Дэвида Гелернтера « Зеркальные миры», вышедшей в 1991 году . [5] [6]
Концепция цифрового двойника, известная под разными названиями (например, виртуальный двойник) , впоследствии была названа Джоном Викерсом из НАСА «цифровым двойником» в отчете о дорожной карте за 2010 год . [7] Концепция цифрового двойника состоит из трех отдельных частей: физического объекта или процесса и его физической среды, цифрового представления объекта или процесса и канала связи между физическим и виртуальным представлениями. Связи между физической версией и цифровой версией включают информационные потоки и данные, которые включают потоки физических датчиков между физическими и виртуальными объектами и средами. Соединение связи называется цифровым потоком.
Международный совет системных инженеров (INCOSE) утверждает в своей Книге знаний по системной инженерии (SEBoK), что: «Цифровой двойник — это родственная, но отдельная концепция цифровой инженерии. Цифровой двойник — это высокоточная модель системы, которая может использоваться для эмуляции реальной системы». [8] Развивающаяся инициатива Министерства обороны США по цифровой инженерной стратегии , впервые сформулированная в 2018 году, определяет цифровой двойник как «интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностное моделирование готовой системы, обеспечиваемое цифровой нитью, которая использует лучшие доступные модели». , информацию датчиков и входные данные для отражения и прогнозирования действий/производительности на протяжении жизни соответствующего физического двойника». [9]
Цифровые двойники обычно делятся на подтипы, которые иногда включают в себя: прототип цифрового двойника (DTP), экземпляр цифрового двойника (DTI) и агрегат цифрового двойника (DTA). [10] DTP состоит из проектов, анализа и процессов, которые реализуют физический продукт. DTP существует до появления физического продукта. DTI — это цифровой двойник каждого отдельного экземпляра продукта после его производства. DTI связан со своим физическим аналогом на всю оставшуюся жизнь физического аналога. DTA — это совокупность DTI, данные и информация которых могут использоваться для опроса о физическом продукте, прогнозировании и обучении. Конкретная информация, содержащаяся в цифровых двойниках, определяется вариантами использования. Цифровой двойник — это логическая конструкция, означающая, что фактические данные и информация могут содержаться в других приложениях.
Технологии цифровых двойников имеют определенные характеристики, которые отличают их от других технологий:
Одной из основных характеристик технологии цифровых двойников является ее возможность подключения. Недавнее развитие Интернета вещей (IoT) привело к появлению множества новых технологий. Развитие Интернета вещей также способствует развитию технологии цифровых двойников. Эта технология демонстрирует множество характеристик, которые имеют сходство с характером Интернета вещей, а именно с его соединительной природой. Прежде всего, эта технология обеспечивает связь между физическим компонентом и его цифровым аналогом. На этой связи основана основа цифровых двойников; без этого технология цифровых двойников не существовала бы. Как описано в предыдущем разделе, эта связь создается датчиками на физическом продукте, которые получают данные, интегрируют и передают эти данные с помощью различных технологий интеграции. Технология цифровых двойников обеспечивает расширение возможностей взаимодействия между организациями, продуктами и клиентами. [11] Например, связь между партнерами и клиентами в цепочке поставок можно улучшить, предоставив участникам этой цепочки поставок возможность проверять цифрового двойника продукта или актива. Эти партнеры смогут затем проверить статус этого продукта, просто проверив цифрового двойника.
Сервитизация — это процесс, в котором организации повышают ценность своих основных корпоративных предложений посредством услуг. [12] В случае с двигателями производство двигателей является основным предложением этой организации, а затем они добавляют ценность, предоставляя услуги по проверке двигателя и предлагая техническое обслуживание.
Цифровых двойников можно далее охарактеризовать как цифровую технологию , которая является одновременно следствием и средством гомогенизации данных. Благодаря тому, 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 виде цифрового двойника), тем самым отделяя информацию от его физическая форма. [13] Таким образом, гомогенизация данных и отделение информации от ее физического артефакта позволили появиться цифровым двойникам. Однако цифровые двойники также позволяют хранить все больше информации о физических продуктах в цифровом виде и отделять их от самого продукта. [14]
Поскольку данные все чаще оцифровываются, их можно передавать, хранить и вычислять быстрыми и недорогими способами. [14] Согласно закону Мура , вычислительная мощность будет продолжать расти в геометрической прогрессии 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 гораздо дешевле тестирование, прогнозирование и решение проблем на виртуальных представлениях, а не тестирование на физических моделях и ожидание, пока физические продукты сломаются, прежде чем вмешиваться.
Еще одним последствием гомогенизации и разделения информации является конвергенция пользовательского опыта. Поскольку информация от физических объектов оцифровывается, один артефакт может иметь множество новых возможностей. [14] Технология цифровых двойников позволяет передавать подробную информацию о физическом объекте большему числу агентов без ограничений по физическому местоположению или времени. [15] В своем официальном документе о технологии цифровых двойников в обрабатывающей промышленности Майкл Гривз отметил следующее о последствиях гомогенизации, обеспечиваемой цифровыми двойниками: [16]
Раньше у руководителей заводов был офис с видом на завод, чтобы они могли почувствовать, что происходит в заводских цехах. Благодаря цифровому двойнику не только руководитель завода, но и все, кто связан с заводским производством, смогут иметь одно и то же виртуальное окно не только с одним заводом, но и со всеми заводами по всему миру. (Гривс, 2014, стр. 5)
Как говорилось выше, цифровой двойник позволяет определенным образом перепрограммировать физический продукт. Кроме того, цифровой двойник также можно перепрограммировать автоматически с помощью датчиков на физическом продукте, технологий искусственного интеллекта и прогнозной аналитики . [17] Следствием такой перепрограммируемой природы является появление функциональных возможностей. Если снова взять пример с двигателем, цифровые двойники можно использовать для сбора данных о производительности двигателя и при необходимости корректировки двигателя, создания более новой версии продукта. Кроме того, сервитизацию можно рассматривать и как следствие перепрограммируемой природы. Производители могут нести ответственность за наблюдение за цифровым двойником, внесение корректировок или перепрограммирование цифрового двойника, когда это необходимо, 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 быть использованы инженерами, например, в случае неисправности машины, чтобы вернуться и проверить следы цифрового двойника, чтобы диагностировать, где возникла проблема. [18] Эти диагнозы могут в будущем также использоваться производителями этих машин для улучшения их конструкции, чтобы такие же неисправности в будущем возникали реже.
В смысле обрабатывающей промышленности модульность можно охарактеризовать как проектирование и настройку продуктов и производственных модулей. [19] 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, используя технологию цифровых двойников, производители могут видеть, какие компоненты ухудшают работу машины, и заменять их более подходящими компонентами для улучшения производственного процесса.
Примером цифровых двойников является использование 3D-моделирования для создания цифровых сопутствующих физических объектов. [20] [21] [22] [23] [24] Его можно использовать для просмотра состояния реального физического объекта, что позволяет проецировать физические объекты в цифровой мир. [25] Например, когда датчики собирают данные с подключенного устройства, данные датчиков могут использоваться для обновления «цифрового двойника» копии состояния устройства в реальном времени. [26] [27] [28] Термин «тень устройства» также используется для обозначения концепции цифрового двойника. [29] Цифровой двойник должен быть актуальной и точной копией свойств и состояний физического объекта, включая форму, положение, жест, состояние и движение. [30]
Цифровой двойник также может использоваться для мониторинга, диагностики и прогнозирования для оптимизации производительности и использования активов. В этой области сенсорные данные могут сочетаться с историческими данными, человеческим опытом, а также обучением флота и моделированием для улучшения результатов прогнозирования. [31] Таким образом, комплексные платформы прогнозирования и интеллектуальных систем обслуживания могут использовать цифровых двойников для поиска первопричин проблем и повышения производительности . [32]
Цифровые двойники автономных транспортных средств и их наборы датчиков, встроенные в моделирование дорожного движения и окружающей среды, также были предложены в качестве средства преодоления серьезных проблем разработки, тестирования и проверки автомобильных приложений, [33], в частности, когда соответствующие алгоритмы основаны на подходы искусственного интеллекта , требующие обширных обучающих данных и наборов данных проверки.
Физические производственные объекты виртуализируются и представляются в виде цифровых моделей-двойников (аватаров), которые легко и тесно интегрируются как в физическом, так и в киберпространстве. [34] Физические объекты и модели-близнецы взаимовыгодно взаимодействуют.
Цифровой двойник меняет весь процесс управления жизненным циклом продукта (PLM): от проектирования до производства, обслуживания и эксплуатации. [35] В наши дни [ когда? ] , PLM требует очень много времени с точки зрения эффективности, производства, интеллекта, этапов обслуживания и устойчивости при разработке продукта. Цифровой двойник может объединить физическое и виртуальное пространство продукта. [36] Цифровой двойник позволяет компаниям иметь цифровой след всей своей продукции, от проектирования до разработки, на протяжении всего жизненного цикла продукции. [37] [11] В целом, отрасли промышленности с производственным бизнесом сильно пострадали от цифровых двойников. В производственном процессе цифровой двойник похож на виртуальную копию происходящего на заводе в ближайшем времени. Тысячи датчиков размещаются на протяжении всего физического производственного процесса, и все они собирают данные из разных измерений, таких как условия окружающей среды, поведенческие характеристики машины и выполняемая работа. Все эти данные постоянно передаются и собираются цифровым двойником. [37]
Передовые способы обслуживания и управления продуктами и активами становятся доступными, поскольку существует цифровой двойник реальной «вещи» с возможностями работы в реальном времени. [38]
Цифровые двойники открывают огромный бизнес-потенциал, предсказывая будущее, а не анализируя прошлое производственного процесса. [39] Представление реальности, создаваемое цифровыми двойниками, позволяет производителям развиваться в направлении бизнес-практики ex-ante. [35] Будущее производства определяется следующими четырьмя аспектами: модульность, автономность, возможность подключения и цифровой двойник. [19] Поскольку на этапах производственного процесса происходит растущая цифровизация, открываются возможности для достижения более высокой производительности. Это начинается с модульности и ведет к повышению эффективности производственной системы. Более того, автономия позволяет производственной системе эффективно и разумно реагировать на непредвиденные события. Наконец, такие возможности подключения, как Интернет вещей , делают возможным замыкание цикла цифровизации, позволяя оптимизировать следующий цикл разработки и продвижения продукта для повышения производительности. [19] Это может привести к повышению удовлетворенности и лояльности клиентов, поскольку продукты могут определить проблему до того, как они действительно сломаются. [35] Кроме того, поскольку затраты на хранение и вычисления становятся все менее дорогими, способы использования цифровых двойников расширяются. [37] Проблемы реализации, такие как интеграция данных , организационные проблемы или проблемы соблюдения требований , могут препятствовать внедрению цифровых двойников и их преимуществ. [40]
Географические цифровые двойники стали популяризироваться в практике городского планирования, учитывая растущий интерес к цифровым технологиям в движении «умных городов» . Эти цифровые двойники часто предлагаются в виде интерактивных платформ для сбора и отображения пространственных 3D и 4D данных в реальном времени с целью моделирования городской среды (городов) и потоков данных внутри них. [41]
Технологии визуализации, такие как системы дополненной реальности (AR), используются как инструменты для совместной работы при проектировании и планировании в искусственной среде, интегрируя потоки данных от встроенных датчиков в городах и сервисов API для формирования цифровых двойников. Например, AR можно использовать для создания карт дополненной реальности, зданий и каналов данных, проецируемых на столы для совместного просмотра специалистами по искусственной среде. [42]
В искусственной среде, отчасти благодаря внедрению процессов информационного моделирования зданий (BIM), деятельность по планированию, проектированию, строительству, эксплуатации и техническому обслуживанию все чаще переводится в цифровую форму, а цифровые двойники построенных активов рассматриваются как логическое продолжение - на индивидуальном уровне. на уровне активов и на национальном уровне. Например, в Великобритании в ноябре 2018 года Центр цифрового строительства Британии опубликовал «Принципы Близнецов» [43] , в которых изложены принципы, которыми следует руководствоваться при разработке «национального цифрового двойника». [44]
Один из первых примеров работающего «цифрового двойника» был реализован в 1996 году во время строительства комплекса 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, чтобы отобразить движения в модели. Цифровой объект цементации был создан для мониторинга эффектов закачки раствора в землю для стабилизации движений грунта. [45]
Цифровые двойники также были предложены в качестве метода снижения необходимости визуального осмотра зданий и инфраструктуры после землетрясений за счет использования беспилотных транспортных средств для сбора данных для добавления в виртуальную модель пострадавшего района. [46]
Здравоохранение признано отраслью, в которой происходят изменения из-за технологии цифровых двойников. [47] [36] Концепция цифрового двойника в сфере здравоохранения была первоначально предложена и впервые использована в прогнозировании продуктов или оборудования. [36] Благодаря цифровому двойнику жизнь может быть улучшена с точки зрения медицинского здравоохранения, спорта и образования за счет применения более основанного на данных подхода к здравоохранению. Наличие технологий позволяет строить персонализированные модели для пациентов, непрерывно корректируемые на основе отслеживаемых параметров здоровья и образа жизни. В конечном итоге это может привести к созданию виртуального пациента с подробным описанием состояния здоровья отдельного пациента, а не только по предыдущим записям. Кроме того, цифровой двойник позволяет сравнивать индивидуальные записи с генеральной совокупностью, чтобы упростить поиск более детальных закономерностей. [47] Самым большим преимуществом цифрового двойника в сфере здравоохранения является тот факт, что здравоохранение можно адаптировать с учетом реакции отдельных пациентов. Цифровые двойники не только приведут к повышению точности определения состояния здоровья отдельного пациента, но и изменят ожидаемый образ здорового пациента. Раньше «здоровым» считалось отсутствие признаков заболевания. Теперь «здоровых» пациентов можно сравнить с остальным населением, чтобы действительно определить, что они здоровы. [47] Однако появление цифрового двойника в здравоохранении имеет и некоторые недостатки. Цифровой двойник может привести к неравенству, поскольку технология может быть недоступна для всех из-за увеличения разрыва между богатыми и бедными. Кроме того, цифровой двойник будет выявлять закономерности среди населения, которые могут привести к дискриминации. [47] [48]
Автомобильная промышленность была улучшена благодаря технологии цифровых двойников. Цифровые двойники в автомобильной промышленности внедряются с использованием существующих данных для упрощения процессов и снижения предельных затрат. В настоящее время автомобильные дизайнеры расширяют существующую физическую материальность, внедряя цифровые возможности на основе программного обеспечения. [14] Конкретным примером технологии цифровых двойников в автомобильной промышленности является то, что автомобильные инженеры используют технологию цифровых двойников в сочетании с аналитическим инструментом фирмы для анализа того, как управляется конкретный автомобиль. При этом они могут предложить внедрить в автомобиль новые функции, которые позволят снизить количество дорожно-транспортных происшествий на дороге, что ранее было невозможно в столь короткие сроки. [49] Цифровые двойники могут быть созданы не только для отдельных транспортных средств, но и для всей системы мобильности, в которой участвуют люди (например, водители, пассажиры, пешеходы), транспортные средства (например, подключенные транспортные средства, подключенные и автоматизированные транспортные средства) и трафик (например, сети трафика, инфраструктуры трафика) могут обращаться за рекомендациями к своим цифровым двойникам, развернутым на периферийных/ облачных серверах, для принятия решений в режиме реального времени. [50]
Эта технология позволяет производителям создавать то, что Дэвид Гелернтер, ученый-новатор в области компьютерных технологий из Йельского университета, более двух десятилетий назад назвал «зеркальными мирами».