Цифровые двойники. Концепция развивается28.06.2018 17:05

Цифровые двойники — базовая концепция

Термин Digital Twins («цифровые двойники») появился еще в начале 2000-х, но с каждым годом, по мере развития технологий, он получает новое наполнение. Базовая концепция не сложна для понимания: мониторинг физического объекта осуществляется на основе замкнутого цикла информационного обмена между ним и его виртуальной моделью (тем самым цифровым двойником).

Производственные компании используют цифровые модели для выпуска новых изделий. Эта практика распространена достаточно давно, но раньше в большинстве случаев после получения готового продукта виртуальную модель отправляли в архив. В концепции цифрового двойника виртуальная модель не отбрасывается после создания материального объекта, а используется в связке с физическим на протяжении всего жизненного цикла: на этапе тестирования, доработки, эксплуатации и утилизации. Физический объект использует датчики, которые собирают данные о состоянии объекта в реальном времени, после чего эти сведения отправляются цифровому двойнику. На основе полученных данных уточняется цифровая модель, которая, в свою очередь, дает рекомендации по оптимизации режима эксплуатации и обслуживания реального объекта. Например, предсказывает вероятность отказа определенного узла, уточняет время профилактического обслуживания, проведения технического осмотра, смены фильтров и так далее.

Базовая концепция цифрового двойника

«Производственные активы генерируют миллионы точек данных, ценность которых можно анализировать, — рассказывает Ирина Яхина, директор по технологиям Hitachi Vantara в North EMEA. — Цифровые двойники помогают повысить эффективность платформы, решить проблемы проектирования на раннем этапе, обучить сотрудников, обеспечить поддержку инновационных разработок и многое другое. Все заинтересованные стороны имеют доступ к одним и тем же постоянно обновляемым цифровым двойникам из любой точки мира, что обеспечивает их эффективную работу. В Hitachi Vantara технология цифровых двойников задействована в работе платформы Lumada. Мы называем эту технологию Asset Avatars. Она состоит из двух компонентов: типа «аватара», который определяет атрибуты и поведение физического объекта, и самого «аватара», который собирает данные, поступающие от датчика. Тип аватара можно сравнить с ДНК актива, а сам аватар — с его мозгом».

Цифровые двойники — эволюция и классификация

Впервые полноценно эта концепция была описана в Мичиганском университете в 2002 г. Сейчас цифровым двойником называют виртуальную модель, которая на микро- и макроуровне либо описывает реально существующий объект (выступая как дубль готового конкретного изделия), либо служит прототипом будущего объекта. При этом любая информация, которая может быть получена при тестировании физического объекта, должна быть получена и на базе тестирования его цифрового двойника.

Сейчас распространена классификация, включающая три типа двойников: цифровые двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP), цифровые двойники-экземпляры (Digital Twin Instance, DTI) и агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA).

DTP-двойник характеризует физический объект, прототипом которого он является, и содержит информацию, необходимую для описания и создания физической версии объекта. Эта информация включает требования к производству, аннотированную трехмерную модель, спецификацию на материалы, процессы, услуги и утилизацию.

DTI-двойники описывают конкретный физический объект, с которым двойник остается связанным на протяжении всего срока службы. Двойники этого типа обычно содержат аннотированную 3D-модель с общими размерами и допусками, спецификацию на материалы, в которой перечислены текущие и прошлые компоненты, спецификацию на процессы с перечислением операций, которые были выполнены при создании этого физического объекта, а также результаты любых тестов на объекте, записи о сервисном обслуживании, включая замену компонентов, операционные показатели, результаты тестов и измерений, полученные от датчиков, текущие и прогнозируемые значения параметров мониторинга.

DTA-двойники определяются как вычислительная система, которая имеет доступ ко всем цифровым двойникам-экземплярам и может посылать им запросы в режиме случайных или проактивных опросов.

Новые технологии принесли новые смыслы

Решения с использованием цифровых двойников строятся на целом комплексе технологий. Виртуальная модель, как правило, находится в облаке. Для построения комплексной модели цифровых двойников применяются различные инструменты, в частности, используются численные методы моделирования физических процессов в материалах объекта с целью прогнозирования реакции изделия на различные эксплуатационные нагрузки, например, на базе метода конечных элементов (FEA — Finite Element Analysis). Также применяются CAD-модели, которые несут информацию о внешнем виде и структуре объектов, информацию о материалах, процессах, размерах и прочих параметрах. Используются также FMEA-модели (Failure Mode and Effects Analysis — «анализ видов и последствий отказов»), основанные на анализе надежности систем. Они могут объединять математические модели отказа со статистической базой данных о режимах отказа.

Перечень технологий, лежащих в основе концепции «Цифровые двойники»

Цифровая модель содержит также историю обслуживания и эксплуатации изделия. В совокупности все эти данные позволяют прогнозировать поведение реального объекта. Кроме того, возможен мониторинг и тестирование целого парка объектов и проведение анализа на основе агрегированных данных.

Важно отметить, что в цифровых двойниках задействованы и технологии машинного обучения, потому что они являются, по сути, самообучающимися системами, которые используют информацию из целого ряда источников, включая данные с датчиков, осуществляющих мониторинг различных показателей рабочего состояния физического объекта, сведения от специалистов-экспертов и от других подобных машин или парков машин, а также более крупных систем, частью которых может быть наблюдаемый физический объект.

Симбиоз с технологиями интернета вещей является драйвером для развития обеих технологий. Цифровые двойники получают реальные данные с датчиков, осуществляющих мониторинг реальных объектов, в то время как интернет вещей обеспечивает сбор и анализ данных с различного рода сенсоров и позволяет сделать этот процесс экономичным и эффективным.

Кратко прослеживая историю развития концепции цифровых двойников, можно сказать, что с того момента, как человек начал создавать материальные изделия, он использовал виртуальные модели-двойники. Сначала он создавал их в своем воображении, потом на бумаге, затем в компьютере, а теперь и в облаке, используя умные датчики, интернет вещей, искусственный интеллект. На каждом новом этапе в концепцию добавлялись новые цифровые технологии и методы моделирования, прогнозирования, анализа, обучения. По всей вероятности, этот процесс продолжится и в будущем.

Александр Прохоров

Полный текст статьи читайте на CNews