Чем могут помочь бизнесу цифровые двойники

Цифровой двойник — это виртуальная копия любого материального (а иногда и нематериального) объекта, процесса или явления. Это одна из технологий, часто упоминаемых в контексте четвертой промышленной революции, которая происходит прямо сейчас. Цифровой двойник (digital twin) помогает вовремя выявлять проблемы, прогнозировать изменения и в итоге делать бизнес эффективнее. Разберемся, как и за счет чего это происходит.

Что такое цифровой двойник и чем он отличается от цифрового профиля

Хотя о технологии цифровых двойников сейчас говорят очень много, не всем до конца понятно, что это такое. Сходство определения с другим термином — «цифровой профиль» — добавляет путаницы. Пора внести ясность и рассказать, чем одно отличается от другого.

Из истории

Концепция использования цифровых двойников возникла еще в прошлом веке, когда в НАСА стали применять симуляцию космического корабля при строительстве, испытаниях и запуске [1] . Впоследствии, по мере цифровизации бизнеса, интерес к этой идее возобновился. Но создание полноценной цифровой копии объекта в реальном времени стало возможно только с развитием искусственного интеллекта, машинного обучения и интернета вещей, поскольку эти технологии тесно взаимосвязаны.

Что такое цифровые двойники?

Точного определения цифрового двойника не существует — толкования термина в разных источниках отличаются. Можно сказать, что это непрерывно меняющийся цифровой профиль, который содержит текущие и исторические данные об объекте или процессе.

Изменяемость объясняется тем, что digital twin регулярно обогащается вновь поступающей информацией: документами, фото и видео, сведениями о транзакциях, данными о геолокации и тому подобным. Таким образом, цифровой двойник наиболее достоверно описывает текущее состояние объекта или процесса, однозначно его идентифицирует. Более того, он может предсказывать будущее поведение объекта при различных изменениях. Это свойство основано на возможностях искусственного интеллекта и машинного обучения.

Цифровая копия сопровождает объект (процесс) на протяжении всего его жизненного цикла. Предположим, речь идет о строительстве здания. Цикл начинается с выделения финансирования и заканчивается эксплуатацией. На всех этапах этого процесса постоянно появляются данные: договоры, счета, фотографии, схемы, отчеты, записи с камер.

Информация регулярно обновляется: устаревшие сведения сменяются другими, более актуальными. Цифровой двойник представляет весь этот набор данных — структурированных, очищенных от ошибок и дублирования. Он характеризует точное состояние объекта в текущий момент и фиксирует любые изменения.

Цифровая копия необязательно воспроизводит свойства и состояние материальных предметов (людей, зданий, продуктов, оборудования). Можно создать виртуальный двойник системы или процесса — например, распространения коронавируса.

Связующим звеном между физическим объектом и его цифровой копией служит интернет вещей. На основе информации, которая поступает с датчиков, с помощью алгоритмов машинного обучения моделируется поведение двойника, идентичное поведению реального объекта.

Цифровой двойник компании — digital twin

Существуют разные виды цифровых двойников. Например, прототип представляет свойства и параметры будущего, еще не существующего объекта. Он используется при проектировании и создании изделий. Другой вид — экземпляр — служит копией конкретного реального объекта и сопровождает его в течение всего жизненного цикла, меняясь вместе с ним. Наконец, существуют агрегированные экземпляры — двойники нескольких объектов. Они позволяют моделировать групповое поведение, которое далеко не всегда равно простой сумме индивидуальных закономерностей [2] .

В чем заключаются преимущества цифровых двойников и каким образом они помогают повышать эффективность бизнеса? Вот лишь несколько возможностей, предоставляемых этой технологией:

• Цифровой двойник точно показывает, как работает объект. Это позволяет заметить и вовремя устранить неисправности или слабые места. С помощью цифровой копии можно увидеть ошибки еще до того, как продукт будет запущен в производство. Благодаря этому предприятие экономит ресурсы и увеличивает эффективность производственных процессов. Различие между результатами физических и виртуальных, осуществляемых посредством цифрового двойника испытаний составляет, как правило, около 5% [3] .
• С помощью электронной копии можно удаленно управлять объектом, менять его свойства, даже находясь физически в другой точке мира.
• Digital twin продукта или изделия позволяет отслеживать процесс его использования клиентами. Это предоставляет неограниченный потенциал для оптимизации.
• Наконец, цифровая копия прогнозирует будущее поведение объектов, а значит, дает возможность быть на шаг впереди времени.
• Цифровой двойник дает возможность проводить эксперименты над объектом: разрушать, уничтожать, воспроизводить неограниченное количество раз, находить правильное решение в определенной ситуации.
• Цифровой двойник позволяет разобраться со всеми свойствами, особенностями и возможностями реального объекта: как «эффект присутствия», но без физического перемещения объекта.

Чем цифровые двойники отличаются от цифровых профилей (или цифровых паспортов)? Последние достаточно давно используются в промышленности: с их помощью обычно осуществляют мониторинг состояния эксплуатируемых изделий. Цифровой профиль тоже описывает поведение физического объекта или процесса, но его прогностические возможности ограничены.

Он обладает только памятью, иначе говоря, «помнит» лишь то, что уже происходило. Цифровой профиль может предсказать поведение объекта в тех условиях, в которых производился сбор данных, то есть, как правило, в стандартных. Но с его помощью нельзя прогнозировать, например, аварийные ситуации. А вот цифровой двойник позволяет моделировать даже те условия, в которых объект никогда не эксплуатировался. Поэтому его предсказательный потенциал обладает большей ценностью.

У цифрового двойника есть еще одно свойство, отличающее его от цифрового профиля. Он «знает», какие данные нужны для получения необходимых результатов и как их правильно собирать. Цифровой двойник сам подскажет, какие датчики, маяки и метрики устанавливать на объект, как и где именно это следует делать. Цифровой профиль такими возможностями не обладает [4] .

Статистика

В 2017 году Министерство энергетики США представило данные о результатах внедрения цифровых двойников. Статистические исследования показали, что за год производительность оборудования выросла на 20%, расходы на его техобслуживание сократились на 25%, сроки незапланированных простоев уменьшились на 35%, а влияние аварий ‒– на 70% [5] .

Особая разновидность — цифровой профиль человека. Это набор информации о физическом лице, собранной из баз разных учреждений. Цифровой профиль может содержать личные данные (Ф. И. О., дату и место рождения, пол), реквизиты документов (паспорт, ИНН, СНИЛС, водительское удостоверение и др.), сведения о доходах, кредитную историю.

Информация автоматически обновляется при ее изменении в базах учреждений. Цифровые профили клиентов востребованы банками, страховыми компаниями, финансовыми организациями, продавцами товаров и услуг. Они упрощают получение информации, помогают ускорить обслуживание, снизить риски при выдаче кредитов, обеспечивают актуальность данных в картотеке. Использование цифровых профилей удобно и для клиентов: электронные анкеты заполняются автоматически, ошибки при вводе исключены.

Как создается цифровая копия

Технология создания цифрового двойника зависит от свойств физической сущности, для которой необходимо сделать виртуальную копию. Например, авиационный электродвигатель — отдельный, но сложный объект; для описания его работы требуются непростые математические вычисления. А если нужно создать, предположим, модель системы автоматизации сортировочного центра, подход будет иным: здесь каждый из элементов (транспортная линия) сам по себе не представляет сложности, но важно их бесперебойное слаженное взаимодействие как в нормальных, так и в экстремальных условиях. Это должно учитываться при разработке цифрового двойника, ведь одна из его важнейших задач — предупреждать проблемы еще до начала эксплуатации.

Для создания цифрового двойника объекта или системы необходимы:

• сама физическая сущность с установленным комплектом датчиков, метрик;
• специальное программное обеспечение — платформа;
• постоянная связь между физическим и цифровым оборудованием.

Процесс создания цифровой копии всегда начинается с обследования объекта (системы, процесса), изучения всех его свойств и особенностей функционирования. Разработчики действуют совместно с техническими специалистами на стороне заказчика, так как последние хорошо разбираются в предмете и знают, какие проблемы могут возникнуть с его эксплуатацией.

На основе математического описания сущности, после сбора данных телеметрии с датчиков создается линейная или древовидная модель будущего цифрового двойника. Пока она еще статична и показывает то, как устроен объект, как расположены в пространстве его элементы.

Затем статичную модель превращают в динамическую, «оживляя» ее описаниями рабочих процессов. На этом этапе исследуются все возможные варианты поведения объекта как в обычной, так и в нештатной или аварийной ситуации. Технические специалисты пишут сценарии и составляют чек-листы для проверки работоспособности, проводятся различные виды тестовых испытаний. Впоследствии, во время пусконаладки реального объекта (если речь об оборудовании), это поможет экономить до 90% времени [6] .

С написанием динамической симуляционной модели процесс создания цифрового двойника не заканчивается. Виртуальная копия продолжает жить параллельно со своим прототипом и развиваться вместе с ним. Прежде чем вносить изменения в реальную систему, их тестируют на двойнике, экономя таким образом время и деньги.

Вот лишь пара примеров применения цифровых двойников. В аэрокосмической отрасли технология используется для того, чтобы отслеживать самолеты, точно определять погоду, вовремя обнаруживать (и даже прогнозировать) неисправности. Это позволяет сводить к минимуму простои оборудования. Например, голландской авиакомпании KLM удалось при помощи цифровых копий вдвое сократить случаи задержки и отмены рейсов [7] . А в логистике технология помогает повысить производительность за счет мониторинга веса: благодаря моделированию транспортные компании точно знают, какая максимальная нагрузка допустима в том или ином случае, следовательно, им не нужно ограничивать вес грузов ради перестраховки.

Цифровые двойники физических объектов уже не фантастика, а реальность. Технология будущего активно используется в производстве, банковском деле и других сферах. Благодаря цифровым копиям изделий, оборудования, производственных, финансовых, логистических процессов бизнес становится эффективнее, а продукты и услуги — качественнее.

• 1 https://habr.com/ru/company/luxoft/blog/519218/
• 2,3,5 https://technet-nti.ru/news/6852
• 4 https://dfnc.ru/c106-technika/borovkov-novaya-tehnologiya-myshleniya-razrabotka-i-primenenie-tsifrovyh-dvojnikov/
• 6 https://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Цифровые_двойники:_практический_подход
• 7 https://softengi.com/blog/use-cases-and-applications-of-digital-twin/

Источник: www.kp.ru

Цифровой двойник

Давайте вспомним старую русскую поговорку «Знал бы где упасть — соломки бы подложил». Смысл этой фразы лег в основу разработки технологии «Цифровой двойник». Множества непредвиденных поломок, аварий и простоев можно бы было избежать, имея возможность заранее смоделировать и проанализировать все рабочие процессы. Как выглядит эта технология, для чего она нужна и где применяется, расскажем в этой статье.

Что такое цифровой двойник

Цифровой двойник — это точная виртуальная копия различных объектов, процессов, людей, воспроизводящая структуру и действия оригинала и синхронизованная с ним.

Первым теорию создания цифрового аналога описал профессор Мичиганского университета Майкл Гривс в 2002 году. Профессор утверждал, что информацию, которую можно получить от любого объекта или его прототипа. Сам термин впервые упоминается в отчете NASA о моделировании и симуляции в 2010 году. В нем описывается сверхреалистичная цифровая копия космического корабля, которая способна воспроизводить все этапы строительства, испытаний и эксплуатации.

На сегодняшний день эта технология встречается в различных сферах деятельности. Различают несколько видов:

• прототип. Это виртуальный аналог объекта, содержащий все характеристики для создания оригинала;
• экземпляр. Такой формат содержит информацию о работе и характеристиках объекта и функционирует параллельно с оригиналом;
• агрегатированный двойник. Это объединенная система из нескольких копий и объектов, которой можно управлять из единого центра.

Спектр решаемых задач

Поскольку цифровой двойник полностью повторяет оригинал, с его помощью можно решить ряд важнейших задач:

1. Осуществление тестового запуска без существенных вложений.
2. Обнаружение неполадок или уязвимостей до запуска в производство или ввода в эксплуатацию.
3. Повышение эффективности процессов благодаря отслеживанию сбоев до старта.
4. Снижение финансовых рисков, а также рисков, связанных с безопасностью жизни и здоровья персонала.
5. Повышение прибыльности и конкурентоспособности компании.
6. Построение долгосрочных планов по развитию компании.
7. Повышение лояльности клиентов за счет прогнозирования спроса и желаемых качеств продукта.

Области применения

Количество сфер деятельности, в которых применяются технологии создания виртуальных копий, очень велико. Расскажем о некоторых из них.

1. Строительство. Позволяет предварительно смоделировать здание, оценить его характеристики и посмотреть, впишется ли оно в существующую среду.
2. Энергетика. Цифровые двойники помогают в оптимизации работы в электроэнергетике, минимизации длительных отключений электроэнергии и рациональном энергопотреблении.
3. Масштабное производство. Появилась возможность создавать копии деталей или целых производственных процессов, предупреждая тем самым сбои и неполадки в работе.
4. Сфера IT-технологий. На сегодняшний момент создаются модели целых сетей, что позволяет просчитать нагрузки и продумать надежную защиту от кибератак.
5. 3D-дизайн. Существует множество программ, с помощью которых дизайнеры разрабатывают 3D-проекты интерьеров. Клиент может сразу увидеть итоговый вариант и внести свои коррективы, что значительно облегчает взаимодействие.
6. Образование. Виртуальные модели помогают лучше донести материал до обучающихся. Как известно, материал, подкрепленный демонстрацией объектов изучения, усваивается лучше.
7. Медицина. С помощью виртуальных двойников отслеживаются жизненно важные показатели, назначается эффективное лечение и принимаются решения о проведении операций.
8. Спорт. Смоделировав командную игру, можно определиться с тактикой и детально проработать ее. Благодаря цифровым симуляторам также появилась возможность усовершенствования показателей гоночных автомобилей без прохождения множественных тестов реальными моделями.

Это далеко не весь список областей применения цифровых двойников. Почти в каждой сфере им нашлось применение.

Процесс создания

Двойники создаются с помощью различных инструментов: графических 3D-моделей, технологий визуализации, интегрированных математических моделей и моделей на базе интернета вещей.

Процесс создания делится на несколько основных этапов.

1. Изучение объекта. Если у двойника существует реальный прототип, то разработчики собирают его детальное описание с указанием всех процессов и характеристик в различных условиях.
2. Моделирование цифровой копии. При отсутствии реального прототипа этот этап является первым. Например, в сфере дизайна сначала создается 3D-модель и только потом оригинал. На этом этапе работа проводится с использованием математических методов вычисления и анализа.
3. Создание модели. Разработанную ранее систему переносят на специализированные платформы, такие как Siemens или Dassault Systemes. Происходит процесс объединения данных, интерфейса, математической модели и преобразование в виртуальную копию. Этот процесс похож на трансформацию программного кода в программу или приложение с понятным интерфейсом.
4. Тестирование. На этапе тестирования основной целью является прогнозирование поведения объекта или системы в обычном режиме работы и при непредвиденных обстоятельствах для избежания поломок и перегрузок после ввода в эксплуатацию.
5. Запуск и наладка. От успешности проведения предыдущего этапа зависит безотказность работы реального прототипа. Но не все ситуации можно спрогнозировать во время проведения тестов, поэтому некоторые моменты отслеживают при запуске и наладке двойника.
6. Корректировка. Работа с цифровым двойником ведется до тех пор, пока не будут отлажены все процессы и системы. Итогом проделанной работы является доработка оригинального объекта с целью получения максимальной эффективности.

Примеры цифровых двойников

На сегодняшний момент популярность использования технологий создания цифровых двойников стремительно растет. По данным исследовательской и консалтинговой компании, специализирующейся на рынках информационных технологий Gartner, 24 % компаний, использующих интернет вещей в своей работе, уже внедрили эту разработку. 42 % планируют это сделать в ближайшие 3 года.

Смоделировать копию можно практически для любого объекта. Рассмотрим примеры создания двойников в различных областях деятельности.

Tesla

Компания создает двойников для всех проданных автомобилей. Информация о состоянии машины передается на завод, где искусственный интеллект принимает решение о необходимости технического обслуживания. Определенные сбои в работе удается устранить дистанционно путем переустановки ПО.

Сингапур

У города существует динамический трехмерный двойник, включающий в себя все объекты (здания, мосты и даже зеленые насаждения). С помощью этой модели правительство может спланировать действия в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, а архитекторы — вносить изменения в план города.

Chevron Corporation

Организация применяет разработку на нефтяных месторождениях и заводах по нефтепереработке — для предотвращения потенциальных технических угроз. К 2024 году на производстве планируется расширение применения технологии цифровых двойников.

Заключение

Цифровые двойники являются одной из самых перспективных технологий на сегодняшний день. С помощью этой разработки удалось решить множество задач, и в недалеком будущем она будет внедрена в нашу повседневную жизнь повсеместно.

Источник: perfluence.net

Рассказ владельца продукта о цифровом двойнике и цифровом потоке

Процесс повышения производительности компании начинается с обзора продукции и применяемых в ней методов «с высоты птичьего полета». Сторонние бизнес-консультанты и собственные менеджеры пытаются оценить ситуацию и выделить критические зоны, которые препятствуют успешному развитию бизнеса. Эффективность такого процесса невысока из-за отсутствия данных в реальном времени.

Это связанно с замысловатостью процедур визуализации и анализа. В некоторых случаях продукт и процессы невероятно сложны, поэтому предсказать последствия действий сложно. Дополнительные сложности возникают из-за необходимости для бизнеса быть гибким и быстро принимать решения.

Одно из самых эффективных решений появилось в 2002 году на конференции Общества инженеров-технологов в Трое. Доктор Майкл Гривз представил концепцию «Цифрового двойника» (Digital twin). Эта идея объединяет Науку о Данных (Data Science), Искусственный Интеллект (AI), Машинное Обучение (ML) и Интернет Вещей (Internet of Things, IoT) в одном решении.

Что такое цифровые двойники и цифровые потоки?

Концепция цифровых двойников относится к оцифровке процесса управления жизненным циклом продукции (Product Lifecycle Management) и прокладывает путь к увлекательным возможностям для усовершенствования в производственной и перерабатывающей отраслях. Создание цифрового двойника означает формирование виртуальной копии продукта, имитирующей интерфейсы, настройки, качество и динамику.

Все данные собираются в облачных системах с отдельными датчиками, которые интегрируются в реальный продукт. Цифровой двойник представляет собой трехмерную модель физического изделия с теми же параметрами, что и реальное.

Процесс является постоянным, и данные могут варьироваться и различаться по размеру в зависимости от емкости устройства IoT и целей, поставленных перед моделью. Платформа предоставляет производителям возможность виртуального вывода данных. Отделы исследований и разработок (RD (Research D создает цифровых двойников. Учитывая цели бизнеса, концепция цифровых двойников может быть применена непосредственно к продукту, процессу или всей системе. Однако архитектурный подход по-прежнему состоит из следующих 4 шагов:

1. Создание модели: Первый этап моделирования начинается с анализа продукта и определения всех характеристик, которыми он обладает. После того, как аналитики проверят всю процедуру, связанную с процессом создания, хранения, доставки конечному пользователю и эксплуатации, они связывают датчики с физическими продуктами и теперь уже охватывают вышеуказанный процесс различными IoT-устройствами. Эти элементы собирают информацию о размерах, состоянии, цветах и различных критериях физических характеристик. После передачи данных, как правило, на облачную платформу, они обеспечивают цифровой двойник широким спектром данных, которые постоянно обновляются. Модель создается на основе входных данных от датчиков. Для стабилизации взаимодействия между моделью и реальным продуктом необходим протокол связи. Основным требованием является то, что модель должна иметь бесперебойную двунаправленную связь в реальном времени между физическим процессом и цифровым двойником.
2. Эксперимент: На данный момент у бизнеса уже существует цифровой двойник, готовый к экспериментам. У специалистов Rозере данных» (data lake), после чего они готовы к обработке и анализу. Данные могут быть обработаны как на месте, так и в облаке.
3. Анализ: Следующим, и одним из самых важных этапов, является анализ. Ученые, работающие с данными, генерируют идеи, рекомендации и направляют ход принятия решений. Они дают бизнесу визуальное представление процесса и выделяют различия в производительности цифрового двойника и аналоговой физической модели в одном или нескольких измерениях. Эксперты указывают области, которые потенциально нуждаются в изучении и изменении.
4. Отладка: На этом этапе компания должна понять, какие шаги необходимо предпринять для улучшения продукта или процесса. У них есть цифровой двойник с необходимыми изменениями и улучшениями. C-Level обладает достаточным количеством показателей и предварительной информации для утверждения решения. Если усовершенствование одобрено, компания начинает его внедрять. В противном случае группы исследователей и разработчиков (Rhttps://habr.com/ru/companies/otus/articles/551286/» target=»_blank»]habr.com[/mask_link]