Цифровой двойник: что это такое, виды, технология

До недавнего времени тестирование и улучшение продукта до выпуска на рынок было возможно только с помощью математики и физических экспериментов с прототипами. К счастью, процессы подготовки продукции к релизу удалось оцифровать. Инновационная концепция цифровых двойников позволила полностью изменить ситуацию:

• ускорилось тестирование;
• улучшилась аналитика;
• сократились расходы на проверку работоспособности в разных условиях.

Технология активно развивается и внедряется на множество предприятий ежегодно.

Что такое цифровой двойник

Изначально технология разработана для программ освоения космоса. С ее помощью учитывались нагрузки, которые оказываются на шаттлы и спутники вне атмосферы Земли. Полезность такого подхода стала очевидна и для устройств, находящихся на планете, поэтому систему переработали для отдельных товаров или целых предприятий. Так что цифровые двойники — это виртуальные модели существующих в реальном мире объектов. Для передачи реальных параметров объекта на сервер и обработки специализированным ПО используются IoT-датчики, а потенциально возможные ситуации рассчитываются с помощью IT-инфраструктуры.

История появления

Сама идея цифровизации производственных процессов появилась давно. Почти сразу за фантастическими идеями о виртуальной реальности. Но реализовать оцифровку именно процессов и предприятий для рабочих задач было невозможно до второй половины 2010 годов. Это связано с техническими возможностями компьютерных систем.
Зато вместе с развитием виртуальной реальности и интернета вещей (IoT) оцифровка предприятий пошла полным ходом. Началось всё с производителей, товары которых подвергаются постоянным нагрузкам: авиа-, турбино- и машиностроение. Потом пользу цифровых двойников оценили представители добывающей промышленности: нефтяной, газовой и металлургической. А к 2021 году эффективность технологии увидели и компании, предоставляющие различные услуги или выпускающие мелкие товары.

Зачем нужна технология цифровых двойников

Учитывая, что технология ЦД — это полная копия реального объекта в компьютерной симуляции, использовать её предпочитают для моделирования различных ситуаций. Далее проводится анализ полученного эффекта и принимаются меры, например:

• в разработке находится новый автомобильный двигатель внутреннего сгорания;
• в виртуальной среде создаётся компьютерная копия;
• виртуальный прототип полностью соответствует реальному вплоть до молекулярного уровня;
• в виртуале задаются параметры эксплуатации, от сверхнагрузок до использования разных видов топлива;
• благодаря математической точности моделирования ситуации — виртуальный двигатель получает те же повреждения, что и реальный.

Производитель получает данные о слабых точках изделия и может вовремя их устранить. Если вернуться к двигателю, то может оказаться, что клапаны прогорают на отметке в 40000 км. Скажем, из-за некачественного материала или инженерной ошибки. В реальности такая ситуация приведёт к отрицательным отзывам о бренде, судебным искам от пользователей и миллиардным убыткам компании, которая выпускает мотор.

Но в примере прогорание клапанов на малых пробегах выявлено в виртуальной среде. Двигатель не только не запущен в продажу, а, возможно, находится на стадии разработки. Благодаря моделированию удалось обнаружить проблемное место. Инженеры устранили просчёт до запуска производства. В итоге компания сэкономила деньги, время и сохранила репутацию.

Применение цифровых двойников возможно во всех сферах промышленности. Автомобильный мотор — это просто наглядный пример. Большая ценность цифровизации в том, что можно смоделировать любую ситуацию.

Классификация видов цифровых двойников

Существует много определений, что такое ЦД и не меньше типов, от тени и прототипа до экземпляра — отличие в нюансах проектирования и настройки. Если брать базовую классификацию, которой пользуются предприятия, то разнообразие сокращается до 3 видов:

• Информационные. Такие ЦД подключены к реальному оборудованию и получают от него информацию о состоянии и процессах. В онлайн-режиме передают данные оператору либо самостоятельно отслеживают, анализируют и записывают инциденты в работе. Нужны для диагностики текущего состояния объекта, например, автоматизированного станка или буровой установки.
• Предиктивные. Двойники этого типа способны сформировать условия эксплуатации и предсказать поведение объекта в разных ситуациях. Используются при проектировании новых продуктов, модернизации уже имеющихся и прогнозировании эффективности процессов в зависимости от условий.
• Операционные. Такие цифровые двойники моделируют виртуальную работу компании, влияя на слаженность команды, прозрачность и эффективность ведения бизнеса. Сюда относятся виртуальные офисы (типа Битрикс24) и комплексное программное обеспечение (пакет ПО Microsoft).

Построение цифрового двойника — процесс дорогостоящий. Он требует интеграции современной IT-инфраструктуры и протоколов безопасности, покупки вычислительных мощностей и регулярного обновления систем. Тем не менее затраты полностью окупаются в течение ближайших месяцев. Это сказывается и на общем улучшении качества продукции, и на своевременном техническом обслуживании средств производства, и на оптимизации энергозатрат и рабочих ресурсов.

Какие бывают цифровые двойники

Также виртуальные системы классифицируют по оцифрованному объекту:

• Продуктам. Виртуализируются товары, прочность или эффективность которых нужно смоделировать. Анализу поддаётся продукция любого типа.
• Процессам. В большинстве случаев связаны с производством. Например, показывают скорость износа оборудования или расход энергии на его работу.
• Системам. Цифровые двойники отдельной системы, например, цеха или скважины. Контролирует только ограниченное количество сфер деятельности компании.
• Предприятиям. Интегрируется в электронную структуру организации и взаимодействует с фирмой в целом. Помогает как контактировать сотрудникам, так и прогнозировать прибыли.

Каждый из видов цифровой копии по-своему полезен и подходит компаниям разного уровня. В целом, такую систему в любом виде можно назвать эффективной.

Положительные эффекты от внедрения цифрового двойника

Преимущества использования виртуальных моделей с характеристиками реальных объектов очевидны:

• Оценка рисков при производстве. Ещё до начала массового выпуска продукта его можно протестировать и даже спрогнозировать спрос на рынке, а самое важное — предотвратить появление брака. Интенсивность тестирования повышается в несколько раз. Также инженеры получают возможность тестирования в самых необычных условиях.
• Экономия времени на проектировку. Причём, сократить можно не только время, а и трудовые ресурсы. Период создания проекта и внесения в него правок значительно сокращается, что позволяет: снизить зарплаты сотрудникам, сократить их штат, уменьшить вероятность человеческого фактора и быстро вывести готовый продукт в массовое производство.
• Своевременное обслуживание. Двойники заранее просчитывают степень износа оборудования. Указывают критичные сроки эксплуатации и позволяют провести техническое обслуживание до выхода техники из строя. Это сэкономит средства на ремонте и продлит срок службы аппаратуры.
• Удалённый доступ к технике. Цифровые двойники обеспечивают мониторинг оборудования в реальном времени. Причём не только диагностику состояния, но и возможность взаимодействия. Например, переключение режимов работы. Технология применяется для автоматизированной техники и агрегатов в труднодоступных местах, например, в газовых или нефтяных скважинах.
• Командная работа. Двойники офисов разработаны для улучшения и ускорения контактов внутри рабочих команд. При использовании такой системы руководители тратят меньше времени на контроль за выполнением задач, а сотрудники получают круглосуточный доступ к общей базе данных и обмену информацией с другими участниками процесса.
• Оптимизация принятия решений. Виртуальная симуляция помогает просчитать стоимость процессов, продукции и оценивать финансовые риски при внедрении новых технологий, например, линий сборки, конвейеров. Без цифровой модели всю работу компании нужно остановить для тестирования нового оборудования. Не факт, что оно принесёт ожидаемую прибыль. Виртуализация позволяет принять решение о необходимости обновления технических процессов ещё до покупки оборудования.

Серьезный недостаток — сложная структура цифровых двойников. С этим связаны затраты на внедрение системы и её обслуживание. С другой стороны, виртуальная модель приносит намного большую косвенную прибыль и быстро покрывает сумму на интеграцию.

Где можно использовать цифровых двойников

ЦД применимы во всех сферах деятельности человека. Наиболее популярной областью является промышленность и производство. С помощью цифровых двойников просчитывают затраты, износ оборудования, выработку и даже энергозатраты:

• В добывающей отрасли: нефть, газ, металлы, руда, полезные ископаемые;
• В перерабатывающей промышленности, составляющей рабочую цепочку с добывающими отраслями;
• В производстве автомобилей, самолётов, космических спутников, станков, военной техники и товаров общего назначения;
• В коммунальном хозяйстве, рассчитывая нагрузку на системы жизнеобеспечения города в экстренных ситуациях;
• В строительстве, получая данные о прочности и устойчивости конструкций под влиянием разных факторов;
• В организации командной работы сотрудников компании и повышения её эффективности.

Цифровые двойники уже отлично зарекомендовали себя для бизнеса. Преимущества их использования очевидны, потому все больше компаний внедряют ЦД в рабочие процессы.