какие задачи можно решить с помощью цифровых двойников
Цифровые двойники: почему все о них говорят и всем ли они нужны?
Это команда Factory5 — российского разработчика ПО для промышленных предприятий. Многие сейчас используют словосочетание «цифровой двойник», иногда не подозревая, что это такое. Сегодня вместе с продуктовым менеджером мы расскажем, что на самом деле подразумевается цифровым двойником и почему он не всегда нужен.
Что такое цифровой двойник?
Цифровой двойник — виртуальная копия реального объекта, которая ведет себя так же, как реальный объект. В нем в режиме реального времени отражаются все процессы, происходящие с физическим объектом. Погрешность между работой виртуальной модели и тем, что происходит в реальности, не должна превышать 5%.
Цифровой двойник объединяет в себе большой массив информации из разных источников. Поэтому наиболее детальный вариант двойника содержит данные о внешнем виде объекта, его функциях, состоянии, внешних вмешательствах и многом другом.
Например, компания Tecnomatix создала цифровой двойник производства для PROLIM, которые хотели улучшить процесс комплектации товара. Для начала был создан визуальный двойник производства. Далее, с датчиков сняли данные о скорости движения объектов, количестве рабочих и их работоспособности и многие другие. Вся эта информация позволила создать цифрового двойника, который повторяет все процессы реального объекта.
В видео показано, как можно менять разные параметры производства и тестировать другие условия. Например, количество рабочих комплектовочного цеха.
Таким образом, чем больше разных данных есть о физическом объекте, тем легче создать его цифровую копию и тем детальнее она будет.
Что он из себя представляет?
Это программа, созданная на основе 3D-технологий, VR или AR, а также AI и IoT одновременно. Результат синергии нескольких сложных технологий и фундаментальных наук. Чаще всего она отражает визуальное представление физического объекта и, в идеальном случае, повторяет процесс работы в точнейших деталях. Все физические, технологические и бизнес-процессы описываются с помощью математики. А чтобы придать ему динамичности на помощь приходит интернет вещей (IoT): встроенные на объект датчики передают информацию о текущем состоянии объекта в режиме реального времени. И это отражается в цифровом двойнике.
Чем полезны цифровые двойники?
На них можно ставить любые эксперименты. При внесении каких-либо условий, двойник реагирует так же, как отреагировал бы на это настоящий физический объект. Поэтому можно оценить его возможности, проверить свои ожидания, проиграть несколько сценариев развития событий и выбрать самый оптимальный.
Однако, цифровой двойник требует огромных вложений. Даже для создания двойника объекта, полностью оснащенного датчиками, необходима большая междисциплинарная команда и колоссальные возможности для сбора и хранения больших данных. Такой цифровой двойник «в чистом виде» нужен только тем, кто хочет быть, как Железный Человек.
Чем заменить цифровой двойник?
Малым и средним компаниям достаточно будет только цифровой модели или 3D-модели, которая в отличие от двойника, статична и не отражает состояние объекта в режиме реального времени. Или наоборот, детальное отражение текущего состояния объекта на довольно схематичном визуальном ряде.
В зависимости от решаемых задач, стоит сконцентрироваться на тех параметрах, которые действительно важны в модели. Например, в дизайне интерьера важнее посмотреть, как будут сочетаться цвета и текстуры материалов в одной комнате. А в обучении пилотов на симуляторе самолета важнее воссоздать возможные условия полета и технические особенности машины. Этот подход означает, что вы используете 20% усилий для того, чтобы добиться 80% результатов. За значительно меньшие деньги.
Наш опыт
Мы в Factory5 создали решение для прогнозирования технического состояния промышленного оборудования F5 PMM. С точки зрения цифрового моделирования в нем отражаются основные узлы оборудования, которые особенно нуждаются в прогнозировании отказов. Это выясняется на этапе предпроектного обследования и при составлении экспертных правил. Узлы детально отображаются на 2D-модели для наглядности и расширения экспертности: так не только инженер первого разряда понимает, где происходит аномалия, а любой сотрудник.
О том, как разрабатываются подобные модели под оборудование, расскажем в следующих материалах блога.
Цифровые двойники – прошлое, настоящее и будущее
Что такое цифровые двойники
Цифровой двойник – это синхронизированная виртуальная модель любых объектов, систем, людей, процессов и сред. Цифровой двойник отслеживает прошлое и предсказывает будущее.
Это короткое определение содержит несколько важных идей, на которых нужно остановиться подробнее:
Цифровой двойник не только отражает текущее состояние предмета, рассматриваемое в режиме реального времени. Он также заключает в себе настолько глубокое понимание явления, что может предсказывать будущее состояние, основываясь на текущих данных. Предсказательные способности – это отличительная черта цифровых двойников, которая отделяет их от предыдущего поколения технологий мониторинга текущего состояния. В то время как статистические симуляции, основанные на уравнениях (как например в мультифизике или химии), использовались десятилетиями чтобы предсказать поведение систем окружающего нас мира, современные цифровые двойники добавляют искусственный интеллект и машинное обучение в свой прогностический инвентарь, что позволяет достичь уровня предсказаний, недостижимого при использовании одних только традиционных методов симуляции. В перспективе, искусственный интеллект и машинное обучение возьмут на себя доминирующую роль в развитии новых возможностей цифровых двойников. В то же время взаимодействие науки о данных с другими естественными науками будет углубляться, что станет катализатором научного прогресса.
Таким образом, вышеупомянутое определение помогло нам выявить трёхсторонние взаимоотношения между цифровыми двойниками, интернетом вещей, искусственным интеллектом и машинным обучением: цифровой двойник использует искусственный интеллект для информационной обработки данных, а интернет вещей обеспечивает массированный поток информации для жаждущего данных искусственного интеллекта. В свою очередь искусственный интеллект наделяет интернет вещей более умным поведением, что необходимо для безопасной работы в реальном мире, где цена ошибки выше из-за физического риска для людей и имущества. Запомним эти взаимоотношения – мы рассмотрим их влияние позже.
Канонический пример цифровых двойников
Один из классических примеров цифровых двойников — концепция умного здания. Представим себе конференц-зал с многочисленными устройствами интернета вещей: датчик присутствия людей в помещении, датчик входа/выхода, умный термостат, умная мебель, (способная определить, заняты ли места), конференц-камера, которая может посчитать присутствующих и т.д. Наличие всех этих технологий очень ценно, но нам может понадобиться ответ на простой вопрос: «Конференц-зал занят или свободен?». Поэтому мы можем создать цифрового двойника этого конференц-зала, который будет собирать данные со всех умных устройств в нём и сможет описать зал на более высоком уровне абстракции из домена умного здания, что и помогает ответить на изначально поставленный вопрос. Мы можем пойти и дальше вверх по иерархии умного здания и собрать все комнаты одного этажа в цифрового двойника этого этажа, чтобы, например, контролировать системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Далее мы выходим на уровень цифрового двойника всего здания, где будут регулироваться важные вопросы защиты и обеспечения безопасности. Также существует динамический аспект цифровых двойников: лифты, которые могут путешествовать с одного этажа на другой, и люди, которые двигаются от одной комнаты к другой или делят рабочие места. Данные, собранные цифровыми двойниками, будут обладать предсказательными способностями, прогнозирующими загруженность лифта и спрос на комнаты в зависимости от времени суток и дня недели.
Этот пример демонстрирует, что цифровые двойники созданы для достижения конкретных бизнес-целей, например: максимальное использование площади рабочего помещения, в сочетании с увеличением удовлетворенности клиентов посредством точного прогнозирования доступности помещения (что спасает клиентов от неблагоприятного опыта когда они приезжают в полностью заполненный офис). Помимо всего прочего, при изменении бизнес целей тот же объект реального мира будет иметь другого цифрового двойника.
История цифровых двойников
Первое использование термина «Цифровой двойник» возникло в отчёте НАСА за 2010 год на тему моделирования и симуляции (https://www.nasa.gov/pdf/501321main_TA11-MSITPDRAFT-Nov2010-A1.pdf). Методика, описанная в докладе, была разработана в виду необходимости конструирования сверхреалистичной симуляции космического корабля во время строительства, испытаний и полётов. Цифровой двойник стал естественным результатом исследований НАСА в ходе программы «Меркурий», создающей двойников с конца 1950-х годов. В те времена симуляции производились на аналоговых компьютерах, которые впоследствии были усовершенствованы до цифровых мейнфреймов в первой половине 1960-х годов. На фото ниже – центр симуляции запуска космического корабля «Аполлон» конца 1960-х годов – к тому времени в нём было уже 15 симуляторов, выполняемых на 8 мейнфреймах.
В дополнение к развитым возможностям симуляции, у НАСА имелась система передачи подробнейших телеметрических данных с космического корабля «Аполлон». Высококачественная симуляция, с сочетании с функцией «живой копии», созданной благодаря работающей в реальном времени телеметрии, позволяет нам без преувеличения считать случай НАСА первым настоящим цифровым двойником.
Цифровые двойники сегодня
Возвращаясь к современности, нужно отметить, что 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. Обратите внимание, что и интернет вещей и машинное обучение занимают высокие позиции в Gartner Hype Cycle за 2015 год.
В 2016 году цифровые двойники вошли в Gartner Hype Cycle и уже к 2018 году оказались на самом верху кривой.
Близкое родство между интернетом вещей и цифровыми двойниками, однако, не является совпадением. Как мы обнаружили ранее, интернет вещей – это то, что «оживляет» цифрового двойника посредством телеметрии реального времени, передаваемой соответствующими устройствами. Именно интернет вещей соединяет физическую сущность и ее цифрового двойника, помогает им работать вместе для достижения бизнес-целей того или иного сценария.
Что вы можете создать с помощью цифровых двойников?
Цифровые двойники смогли продемонстрировать свои суперспособности еще в прошлом веке, и космонавты с «Аполлона-13» – живой тому пример. Давайте же представим, как много жизней могут изменить к лучшему цифровые двойники с помощью таких современных технологий, как искусственный интеллект с его магией глубокого обучения, «облака» с их безграничными вычислительными ресурсами, а также интернет вещей, который вскоре станет ближе каждому жителю земли. Человеческая цивилизация нуждается в помощи мощных технологий типа цифровых двойников для того, чтобы справиться со своими самыми серьёзными проблемами: тяжёлыми заболеваниями и климатическими изменениями, дефицитом еды и жилья, несовершенством систем здравоохранения и ухода за престарелыми, бедностью и неравенством, и т.д.
Для нас, профессионалов в сфере высоких технологий, это возможность принести удивительные блага цифровых двойников как индивидуальным пользователям, так и большим компаниям. Начать работать с цифровыми двойниками не так уж и сложно, и есть масса путей, как это сделать: примените свой опыт работы с облачными технологиями, или используйте свой опыт интеллектуальной обработки данных. Возможно, вы являетесь экспертом предметной области и пытаетесь внедрить цифровых двойников в вертикальном сценарии. Для работы с цифровыми двойниками требуются совместные усилия самых разных специалистов – и не только технических – поскольку современные экспоненциальные технологические решения процветают в условиях сотрудничества. Новый всплеск интереса к цифровым двойникам, который начался в прошлом году, в дальнейшем будет только расти. Первые примеры реализации современных цифровых двойников уже представлены, и мы можем со дня на день ожидать появления новых. Некоторые поставщики технологий уже имеют цифровых двойников в своих платформах, например Azure: https://azure.microsoft.com/services/digital-twins/
Современное поколение услуг, создаваемых посредством цифровых двойников в Azure, поддерживает сложные доменные модели, показанные на архитектурной диаграмме выше. Кроме того, о скором релизе следующего поколения услуг цифровых двойников Azure было объявлено на недавнем мероприятии Microsoft Build 2020.
В заключение хочется сказать: сейчас нам, создателям технологических решений, нужно быть готовыми помогать нашим клиентам успешно внедрять их инициативы с использованием цифровых двойников. А что ВЫ создадите с помощью цифровых двойников, чтобы изменить жизнь к лучшему?
Цифровые двойники: как интернет вещей предотвращает аварии на производстве
Представим завод со сложным оборудованием, поломки которого приносят миллионные убытки. Каждый сбой — простой в работе, трата времени и сил технических специалистов, сорванные сроки поставок. Намного дешевле и выгоднее вовремя выявлять проблемы со станками и проводить техническое обслуживание, не дожидаясь форс-мажора — и это возможно.
Неожиданных поломок и простоев в работе можно избежать, если есть цифровой двойник предприятия — виртуальная копия реального оборудования или всего завода. Чтобы понять, где возникла неисправность, техническим специалистам достаточно посмотреть данные на компьютере. Мы разберемся, что же такое цифровой двойник и как он помогает следить за работой оборудования и предсказывать сбои.
Что такое цифровой двойник и как он работает
Цифровой двойник (digital twin) — технология интернета вещей, виртуальное представление реального объекта, размещенное на локальных серверах компании или в облаке. Принцип его работы в следующем: датчики, установленные на реальном оборудовании, собирают данные о состоянии системы, а затем передают их своей цифровой копии. На компьютере отображаются графики с нужными данными и 3D-модель оборудования.
Поскольку виртуальная копия обладает той же информацией, что и реальное оборудование, техническим специалистам не требуется каждый раз спускаться в цех или выезжать на объект. В случае применения цифрового двойника контролировать работу оборудования можно удаленно.
Данные о работе оборудования в виде графиков. Источник
Создать виртуальную копию можно как для конкретной детали, так и для всего завода или производственного процесса. Цифровой двойник может работать на одном из четырех уровней:
Какие задачи позволяет решать технология цифрового двойника
Поскольку цифровой двойник обладает всей информацией об оборудовании, то у компании появляются новые возможности:
Желтым цифровой двойник отметил детали, которые износились в реальном оборудовании. Источник
Примеры цифровых двойников: виртуальные копии городов, автомобилей и заводов
Цифровые двойники — востребованная технология. По данным Gartner, 24% организаций, использующих IoT-решения на производстве, уже внедрили цифровых двойников. Еще 42% планируют это сделать в течение трех лет.
Создать виртуальную копию можно практически для любого механизма: конкретной детали, целого завода или даже города. Вот несколько примеров использования технологии цифрового двойника в промышленности и не только:
Внедрение цифрового двойника: от пилотного проекта до масштабирования технологии
Оптимально начать внедрение технологии с конкретного оборудования или процесса. И масштабировать ее, если пилотный проект успешен. Вот как чаще всего устроен процесс внедрения:
Технологию IIoT можно развернуть на локальных серверах, в частном или публичном облаке. Если цифровой двойник объекта работает на собственных серверах компании, то требуется закупать железо и содержать штат технических специалистов, обслуживающих инфраструктуру.
Напротив, в облаке вы платите за фактически потребляемые мощности — это может снизить расходы. Еще один весомый плюс облачных технологий — возможность хранить практически неограниченный объем данных от миллионов IoT-устройств.
Цифровой двойник: настоящее и будущее
Есть много разрозненной информации о том, что такое цифровой двойник, а много компаний уверяет, что может создать его. Но это не всегда так. Директор по продуктам Factory5 Артем Серебров раскрывает суть этого явления и рассказывает о возможностях и истории развития цифровых двойников.
Цифровой двойник — это виртуальная копия физического объекта или процесса. Изначально он был придуман когда-то давно как цифровая копия оборудования. Но с тех пор прошло много времени и у цифрового двойника появилось много вариаций. Все они хорошо проработаны теоретически, но только начинают развиваться практически.
Настоящее
У цифрового двойника есть несколько видов, которые делятся по сфере применения:
Digital Twin Prototype — первый цифровой двойник в истории. В 1970х он использовался компанией Nasa для проектирования миссии Apollo 13. Он был создан для того, чтобы проверить, как будущий объект поведет себя в физическом мире. В дальнейшем, инжинеры NASA обнаружили, что этот же двойник можно использовать для контроля уже существующего оборудования и предсказания что с ним произойдет. Однако, так как условия космоса в то время были плохо изученными, потребовалось создать постоянную связь в реальном времени между оборудованием и двойником, чтобы снимать реальные показания с датчиков. Это и привело к современным цифровым двойникам и их следующему типу.
Digital Twin Instance — цифровой двойник экземпляра. Фактически, это сбор информации с датчиков, установленных на оборудовании, и получение копии работающей единицы в системе. Это позволяет автоматически отслеживать и прогнозировать поведение этого оборудования, предсказывать аварийные остановы и создавать симуляции режимов работы.
Digital Twin Aggregate — модель серии оборудования. Это двойник существующего оборудования, которая в первую очередь применяется для обучения персонала и оптимизации процессов ТОиР. С такой моделью специалисту не нужно читать мануалы по эксплуатации оборудования, а можно сразу практиковаться и смотреть результаты действий на виртуальной модели.
Будущее
Сегодня появляются новые виды двойников: некоторые из них кажутся фантастикой, а некоторые уже создаются и внедряются.
1. Цифровой двойник процесса
Двойник производственного процесса дает понимание того, какого качества продукт получается в конце. Если речь идет о более сложном явлении в компании, то в результате мы можем узнать результаты наших действий. Особенно это касается масштабных процессов, в которые сложно вносить изменения.
2. Цифровой двойник целой компании
Все процессы вместе взятые составят двойник компании. Это позволяет рассматривать общую картину и принимать решения на основе фактических данных.
3. Цифровой двойник изделия
Крыло самолета, винт и другие составные части, перенесенные в цифровую плоскость, можно испытывать и тестировать бесконечно. Для этого вида цифрового двойника требуется очень четкое физическое моделирование, поскольку каждое изделие создается в новых индивидуальных условиях.
Если такая модель станет реальность, то можно будет убрать контроль качества, специальные стенды и бесконечные испытания. Также, мы будем получать больше информации о том, какого качества изготовленные нами продукты. Это, также, решит проблемы крупных отраслей: построение ракет, самолетов и т. д.
Как создается цифровой двойник в F5
В Factory5 мы специализируемся на моделировании, поэтому очень часто решаем конкретные потребности предприятия. Мы можем соптимизировать различные функции предприятия: начиная от ТОиР, заканчивая финансовым планированием и финансовым стресс-тестированием.
На сегодняшний день мы делаем:
цифровых двойников оборудования и используем его для анализа технического состояния,
цифровых двойников производственного и логистического процессов
(сделали первый шаг в сторону) цифрового двойника организации.
Процесс создания проще всего показать на примере двойника оборудования:
Консультации со специалистом по оборудованию.
Сбор телеметрии с датчиков и разметка пути телеметрии из конкретных источников.
Создание статичной древовидной модели.
Написание симуляционных моделей.
Сложности начинаются на последнем этапе. Моделировать все возможные ситуации бесполезно и очень трудоемко. Поэтому необходимо определить самые важные критерии, которые имеет смысл моделировать в каждой конкретной ситуации: перепад напряжения в этом узле и повышение температуры — в другом. Для этого нужен специалист по оборудованию и физическим процессам одновременно, который расскажет, как оборудование работает на самом деле и напишет физические модели действительно важных процессов. Это трудоемкая, но повторяемая работа: описав физическую модель работы электродвигателя, мы можем применить эту модель ко всем электродвигателям.
Если говорить о цифровом двойнике технологических производственных процессов, ситуация выглядит почти так же. Только мы создаем не древовидную, а линейную модель.
Логистический и финансовый процессы создавать немного сложнее. Они пишутся под конкретную организацию, потому что для каждого это индивидуальный процесс. Поэтому специалист должен «высадиться» в организацию, аккуратно записать, как в этой организации работают процессы и создать уникальную блок-схему этих процессов.
Кто участвует в процессе разработки
В процессе разработки MX-моделей участвуют специалисты со следующими ролями:
1. Роль «Бизнес-аналитик». Функции роли:
Сбор и анализ документации и материалов по оборудованию.
Определение перечня инцидентов и прогнозов технического состояния, подлежащих моделированию.
2. Роль «Эксперт». Функции роли:
Подготовка материалов по работе оборудования и инцидентам, консультации по работе оборудования.
Разработка экспертных правил.
Разработка методик расчета информативных неизмеряемых параметров.
Постановка задач на разработку экспертных правил, методик расчета информативных неизмеряемых параметров, верификацию моделей физических процессов.
Экспертная поддержка в процессе разработки и верификации ML-моделей.
3. Роль «Data science специалист». Функции роли:
Исследование данных телеметрии.
Анализ и представление данных телеметрии, выполнение различных расчетов в процессе разработки экспертных правил, методик расчета информативных неизмеряемых параметров.
Подбор функций передаточных моделей с помощью алгоритмов машинного обучения.
Валидация разработанных правил по имеющимся данным телеметрии, данным по отказам, ремонтам, заменам и обслуживанию.
Зачем нужны цифровые модели
В целом цифровые двойники в промышленности уже приносят свою пользу. Например, цифровые двойники оборудования и предиктивная аналитика приводят к сокращению его простоев до 12%, при проектировании цифровые двойники снижают затраты времени на процесс до 30%, а скорость обучения персонала с применением технологии цифровых двойников увеличивается на 50%. В результате предприятия, использующие данную инновацию, быстрее адаптируются к стремительно меняющимся трендам и событиям, повышают производительность и начинают эффективнее управлять ресурсами, что напрямую влияет на их конкурентоспособность.
Примеры использования цифровых двойников от F5
1. Предиктивный анализ состояния газотурбинной установки
В этом кейсе предиктивный анализ технического состояния газотурбинной установки для крупной энергетической компании не состоялся бы без цифрового двойника. Он позволяет прогнозировать отказы и планировать ТОиР в соответствии с этой информацией. Самое главное, он позволяет анализировать режимы работы газотурбинной установки не меняя их в физическом мире. Так удалось понять, какие конструктивные элементы влияют на перерасход топлива, и скорректировать режим работы так, чтобы исключить перерасход.
2. Оптимизация цепочки поставок
Цифровой двойник может учитывать большое количество факторов и позволяет эмулировать ситуацию по разным экономическим показателем: время доставки, сокращение затрат, утилизация и т. д. Поэтому он подходит для оптимизации цепочки поставок для крупной транспортно-логистической компании. В этом кейсе цифровой двойник учитывает более 45 разных факторов и выстраивает маршруты в режиме реального времени. Это позволило сократить затраты на 30%, увеличить утилизацию на 20% и приблизить вероятность построения оптимальной логистической модели к 100%.
3. Средне-срочное финансово-экономическое моделирование
Цифровой двойник учитывает не только большое количество факторов, но и взаимосвязь между ними. Поэтому отлично подходит для сложных системных процессов, как среднесрочное финансово-экономическое моделирование. В данном кейсе для крупного транспортного холдинга удалось цифровой двойник позволяет выстраивать сценарии развития событий в режиме реального времени и видеть результаты тех или иных решений, принимаемых в основном топ-менеджментом. Это сокращает трудозатраты на создание и поддержание в актуальном состоянии стратегических моделей до 70%.