Внедрение цифрового двойника: от проекта до запуска

О чем речь? Впервые о целесообразности внедрения цифрового двойника заговорили в 2018 году, когда компания Gartner провозгласила эту методику в числе лидеров технологических циклов. По сути, эта технология развилась внутри интернета вещей.

На что обратить внимание? Цифровой двойник необходим любому производству, так как он позволяет избежать простоев и потерь вследствие возможных технических аварий или форс-мажоров. Как же внедрить его, чтобы успешно следить за оборудованием?

История цифрового двойника

Цифровой двойник представляет собой виртуальную модель определённых объектов, систем, процессов или людей. С помощью двойника точно копируются форма и действия оригинала. Кроме того, исходник синхронизируется с виртуальной моделью.

Основоположником данной концепции является Майкл Гривс, профессор Мичиганского университета. В своем труде «Происхождение цифровых двойников» автор и сложил три составляющие любого двойника:

1. Физический объект в реальном мире.
2. Цифровой объект в виртуальном мире.
3. Параметры и сведения, которые связывают между собой цифровой и физический объект.

Согласно теории профессора, все данные, которые содержит физический продукт, можно получить с помощью виртуального двойника (в идеале).

Сам термин «Цифровой двойник» был впервые использован в отчёте NASA о моделировании и симуляции. В этом документе, вышедшем в 2010 году, упоминается сверхреалистичная виртуальная копия космического корабля, с помощью которой можно полностью копировать все стадии строительства, тестирования и эксплуатации.

По данным Gartner Hype Cycle, в 2015 году цифровые двойники начали развиваться гораздо быстрее за счёт использования искусственного интеллекта и интернета вещей. Уже в 2016-м виртуальные копии были включены в Gartner Hype Cycle. В 2018 году они достигли высших результатов.

Ближний Восток — яркий пример успешного внедрения цифровых двойников. 20 нефтеперерабатывающих и нефтедобывающих компании под эгидой ADNOC были объединены в диспетчерский пункт. Кроме того, были унифицированы все процессы.

Функционирование цифрового двойника не может быть точно таким же, как работа физического исходника. 5 % — оптимальная погрешность.

Разновидности и возможности цифровых двойников

Цифровой двойник может быть разработан как для одной детали, так и для целого завода или производственного процесса. При этом виртуальная копия может функционировать на одном из следующих уровней:

• Цифровой двойник детали. В том случае, если функционирование механизма напрямую зависит от характеристик одного элемента (яркий пример — подшипник на вращающихся устройствах), то можно разработать под него отдельный виртуальный двойник.
• Виртуальная копия актива. Такая модель позволяет отслеживать состояние конкретных устройств (к примеру, двигателя, насоса и т.д.). Копии механизмов способны получать информацию от двойников отдельных деталей.
• Цифровой двойник системы. С его помощью можно работать с целым рядом активов, которые решают одну и ту же задачу или работают совместно (компьютерная модель завода или конкретной производственной линии).
• Виртуальный двойник технологического процесса. Это самая высокоуровневая копия. С помощью такой модели можно получать информацию обо всём производственном процессе. Она способна обменивается сведениями с двойниками активов или систем. Однако виртуальная копия технологического процесса, как понятно из названия, больше сосредоточена на функционировании всего процесса, а не на работе конкретных устройств.

С помощью цифрового двойника можно получить любую информацию об оборудовании. Это позволяет компании решать сразу несколько важных задач:

• Отслеживать неполадки. Датчики транслируют информацию в режиме реального времени. Таким образом, сотрудники компании могут быстро реагировать на ошибки оборудования.
• Планировать техобслуживание. Цифровые модели позволяют специалистам прогнозировать неполадки и износ оборудования. Тем самым компания получает возможность заблаговременно менять нужные детали.
• Оптимизировать работу предприятия. В виртуальной копии хранится информация о функционировании оборудования. Это позволяет специалистам выполнять оптимизацию работы производства, сокращая лишние траты.

Отрасли, где активно внедряются цифровые двойники

Виртуальные копии используются во многих сферах. Согласно исследованию Gartner, 24 % компаний, применяющих IoT-технологии, создают виртуальные копии. Кроме того, 42 % предприятий собираются внедрить цифровые двойники в ближайшие 3 года.

Перечислим отрасли, в которых активно используются цифровые двойники:

• Добыча и переработка полезных ископаемых

С помощью виртуальных копий можно уменьшить риски, возникающие в процессе добычи и переработки нефти и газа. Таким образом, технология цифровых двойников помогает обезопасить работников. Снижается риск загрязнения окружающей среды.

Читайте также: Роботизация производства: будущее промышленного выпуска продукции

• Крупное производство

При помощи виртуальных копий можно изготавливать отдельные компоненты и воспроизводить целые производственные цепочки. Цифровые модели можно использовать во время испытаний, чтобы своевременно выявлять ошибки в функционировании оборудования.

• Энергетика

Виртуальные двойники используются для улучшения работы электростанций. Они позволяют снизить вероятность возникновения перебоев в подаче электричества и оптимизировать энергопотребление.

• ИТ-инфраструктура

Специалисты могут создавать двойники конкретного оборудования или даже целой сети. Тем самым компания получает возможность рассчитать предельные нагрузки и повысить уровень безопасности.

• Строительство

Виртуальные двойники применяются для создания моделей будущих сооружений. Можно создавать копии целых кварталов. Это позволяет заранее понять, что будет со зданием при различных климатических воздействиях и нагрузках на несущие конструкции.

• Дизайн

Благодаря цифровым двойникам дизайнер может узнать, каков будет внешний вид объекта. Это нужно для того, чтобы заранее изменять форму, цвет и прочие параметры предметов интерьера.

• Ритейл

Виртуальные копии могут использоваться для планирования загрузки торговых залов, перемещения покупателей и работников. Плюс ко всему, такие модели позволяют выявлять наиболее подходящий уровень освещённости и температурный режим.

• Транспорт и логистика

Виртуальные копии применяются в процессе оптимизации маршрутов транспорта и пассажиропотоков. Более того, они позволяют улучшать работу технических служб.

• Образование

С помощью цифровых двойников можно исследовать физические объекты и процессы. При обучении применяются технологии виртуальной, дополненной и смешанной реальности.

• Космическая отрасль

Цифровые копии помогают создавать, испытывать и запускать не только отдельные космические корабли, но и целые программы.

• Медицина

Врачи могут использовать цифровые копии пациентов для изучения жизненных показателей в режиме онлайн. Виртуальные модели помогают подбирать оптимальное лечение и проводить операции.

• Спорт

Цифровые копии позволяют тестировать различные тактики и стратегии командной игры, а также проводить индивидуальные тренировки.

Читайте также: Автоматические линии упаковки: виды, плюсы и минусы

• Урбанистика

На данный момент создано множество цифровых моделей городов (Сингапура, Кронштадта и пр.). Благодаря им могут анализироваться транспортные потоки, контролироваться работа коммуникаций. Виртуальные копии также помогают отслеживать экологическую обстановку и энергопотребление.

• Сельское хозяйство

Специалисты могут использовать виртуальные модели для прогнозирования климатических изменений и урожая.

8 примеров успешного внедрения цифрового двойника

Перечислим наиболее яркие примеры применения виртуальных копий в различных отраслях:

1. Формула-1. С помощью цифровых симуляций специалисты улучшают болиды. Делается это посредством расчёта идеальных показателей и технических параметров для гоночных трасс.
2. Аполлон-13. Благодаря цифровому двойнику в 1970 году специалисты смогли завершить миссию, даже несмотря на возникшие неполадки.
3. Schneider Electric. С помощью данной системы предикативной (прогнозной) аналитики одна европейская компания, занимающиеся нефтепереработкой, смогла предотвратить поломку большого компрессора. На основании информации цифрового двойника был сделан прогноз неполадки за 25 дней до ее возникновения. Таким образом, предприятие смогло избежать многомиллионных убытков.
4. Нотр-Дам. Цифровая копия применялась в процессе восстановления собора.
5. Tesla. Эта компания разрабатывает цифровых двойников для всех своих автомобилей. Встроенные датчики отправляют важную информацию на завод. После этого искусственный интеллект анализирует данные и делает вывод о том, необходимо ли провести техническое обслуживание транспортного средства. Затем компания устраняет ошибки с помощью интернета, загружая новое ПО.
6. Siemens. Корпорация применяет технологию виртуальных копий в целях создания двигателей, систем коммуникации и скоростных поездов.
7. Chevron Corporation. Цифровые двойники позволяют данной компании узнавать о технических проблемах на нефтяных месторождениях ещё до того, как они возникнут.
8. Сингапур. Для этого города была разработана цифровая 3D-модель. Она содержит в себе всевозможные объекты, включая здания, мосты и даже бордюры. В городе установлены датчики, которые передают информацию в виртуальную копию. Государственные учреждения также отправляют различные данные в цифровой Сингапур. Это позволяет планировать мероприятия, которые необходимо будет осуществить при возникновении чрезвычайных ситуаций. Кроме того, архитекторы используют виртуальную копию города для разработки новых построек, основываясь на цифровой копии инфраструктуры региона.

Как внедряют цифрового двойника

Для начала можно создать цифровой двойник конкретного оборудования или процесса. Если всё пройдёт хорошо, то результат можно переносить на более крупные объекты. Рассмотрим базовые шаги внедрения цифровых двойников:

1. Определите подразделение и категорию оборудования для внедрения технологии. Цифровой двойник должен копировать важный элемент производственного процесса. В конечном итоге созданная модель должна повысить эффективность предприятия.
2. Выберите конкретное оборудование для создания модели. Вначале не стоит копировать очень сложные устройства или процессы. В противном случае вы можете столкнуться с целым рядом проблем.
3. Разработайте и реализуйте пилотный проект двойника. Чтобы создать виртуальную копию, которая не будет зависеть от внешних подрядчиков, необходимо сформировать комплексное решение. Если всё пройдёт хорошо, то вы сможете масштабировать свой проект.
4. Создайте двойников смежных процессов. При этом необходимо учесть проблемы, с которыми вы столкнулись при реализации пилота.
5. Отслеживайте эффективность двойников. Таким образом, вы сможете определить выгоду, которую приносит виртуальная копия. Для подбора наиболее подходящей вариации можно корректировать цифровой двойник итерациями.
6. Используйте технологи IIoT на локальных серверах, в частном или публичном облаке.

Учтите, для размещения виртуальной копии объекта на серверах компании нужна будет команда технических специалистов и соответствующее аппаратное обеспечение.

Если же использовать облако, то вам придётся платить лишь за те мощности, которые вы реально используете. Тем самым можно минимизировать траты. У вас появится возможность хранить огромные объёмы информации от сотен тысяч IoT-устройств. Чтобы использовать виртуальные копии в облаке, необходимо установить на оборудование специальные датчики и приборы. Посредством адаптеров информация будет отправляться в облачный сервис для последующей визуализации.

В сфере промышленности цифровые двойники получили широкое распространение. С их помощью эффективность отрасли увеличилась на 10 %. В нефтегазовой области внедренные цифровые двойники помогли на 5-20 % снизить затраты. В скором будущем виртуальные системы помогут предприятиям организовать удалённый контроль над производствами.

Всё больше городов будет воссоздано в цифровом виде. Такие модели будут включать в себя различные системы, районы и объекты инфраструктуры. IoT-датчики позволят отслеживать важную информацию в режиме реального времени. Ту же функцию будут выполнять камеры и дроны с машинным обучением. При этом виртуальные системы будут помещены в облако. Государство сможет использовать цифровые линии для того, чтобы оперативно устранять ЧС.

Виртуальные копии будут применяться и обычными людьми. Такие модели позволят анализировать жизненные показатели и оптимизировать работу различных приборов. Благодаря интернету вещей люди объединят всевозможные коммуникации и технику в доме, сформировав единую систему. Поэтому управление будет осуществляться посредством цифрового двойника жилища.