IT.UA - home page

Меню
Aside section
Назад к списку

Цифровой двойник (digital twin)

Исследовательская и консалтинговая компания Gartner дает очень короткое определение:

Цифровой двойник — это цифровое представление реального объекта или системы.1

Расширенное определение может быть таким:

Цифровой двойник (digital twin) — программный аналог физического устройства, моделирующий внутренние процессы, технические характеристики и поведение реального объекта в условиях воздействия помех и окружающей среды. Важной особенностью цифрового двойника является то, что для задания на него входных воздействий используется информация с датчиков реального устройства, работающего параллельно. Работа возможна как в онлайн-, так и в офлайн-режиме. Далее возможно проведение сравнения информации виртуальных датчиков цифрового двойника с датчиками реального устройства, выявление аномалий и причин их возникновения.2

Установка датчиков на реальное устройство осуществляется в процессе внедрения на предприятии технологий промышленного интернета вещей (IIoT).

Без создания цифровых двойников выпускаемых изделий невозможно внедрение современной технологии PLM (Product Lifecycle Management, управление жизненным циклом изделия). IIoT и PLM — неотъемлемые атрибуты "умной фабрики" (Smart Factory). Ее характерная особенность — формирование и использование цифровой модели материальных потоков, т.е. цифрового двойника уже не отдельного изделия, а производственной системы. Все названные выше технологии — подходы к реализации концепции Четвертой индустриальной революции (Industry 4.0). Если в традиционной промышленности достижение нужных характеристик изделия ведется через многочисленные натурные испытания, то в Индустрии 4.0 ставится задача проводить многократные испытания с помощью цифрового двойника, а натурные испытания проходить с первого раза.3

Цифровой двойник изделия включает:

  • Геометрическую и структурную модель объекта.
  • Набор расчетных данных деталей, узлов и изделия в целом.
  • Математические модели, описывающие все происходящие в изделии физические процессы.
  • Информацию о технологических процессах изготовления и сборки отдельных элементов и изделия в целом.
  • Систему управления жизненным циклом изделия.

Цифровой двойник применяется на всех стадиях жизненного цикла изделия, включая проектирование, производство, эксплуатацию и утилизацию.

На этапе эскизного проектирования: создаются варианты компьютерной модели разрабатываемого изделия для оценки и выбора возможных технических решений.

На этапе технического проектирования: выбранный на предыдущем этапе вариант дорабатывается и уточняется с использованием моделей элементов. Полученная в результате модель изделия позволяет учесть и оптимизировать взаимодействие всех элементов с учетом режимов работы и воздействий окружающей среды, ее уже можно называть цифровым двойником разрабатываемого изделия.

На этапе изготовления: разработанная модель помогает определить требуемые допуски при изготовлении для достижения требуемых характеристик и обеспечения безотказной работы изделия в течение всего срока службы, а также позволяет быстро выявлять причины неисправностей в процессе тестирования.

На этапе эксплуатации: модель цифрового двойника может быть доработана и использована для реализации обратной связи с целью внесения корректив в разработку и изготовление изделий, диагностику и прогнозирование неисправностей, повышение эффективности работы, для выявления новых запросов потребителей.

Классификация двойников изделия:

Цифровые двойники-прототипы (Digital Twin Prototype, DTP). DTP-двойник содержит информацию, необходимую для описания и создания физических версий экземпляров изделия. Эта информация включает геометрическую и структурную модели, технические требования и условия; стоимостную модель, расчетную (проектную) и технологическую модели изделия. DTP-двойник можно считать условно-постоянной виртуальной моделью изделия.

Цифровые двойники-экземпляры (Digital Twin Instance, DTI). DTI-двойники изделия описывают конкретный физический экземпляр изделия, с которым двойник остается связанным на протяжении всего срока службы. Двойники этого типа создаются на базе DTP-двойника и дополнительно содержат производственную и эксплуатационную модели, которые включают историю изготовления изделия, применяемость материалов и комплектующих, а также статистику отказов, ремонтов, замены узлов и агрегатов и др. Таким образом, DTI-двойник изделия подвергается изменениям в соответствии с изменениями физического экземпляра при его эксплуатации.

Агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA). DTA-двойники изделия определяются как информационная система управления физическими экземплярами семейства изделий, которая имеет доступ ко всем их цифровым двойникам.4

Классификация двойников производственной системы:

  • Цифровой двойник всей производственной системы (ПС)
  • Цифровой двойник производственной линии
  • Цифровой двойник конкретного актива в производственной линии

Цифровой двойник ПС включает в себя:

  • Инжиниринговую модель ПС, содержащую цифровое описание ресурсов предприятия, структуру производственных активов, средства технологического оснащения, номенклатуру и технологии изготовления изделий, систему сбора информации о текущем состоянии оборудования.
  • Эксплуатационную модель ПС, являющуюся цифровой платформой для описания логистической структуры предприятия, формирования планов-графиков изготовления изделий, межцеховой и внешней кооперации, включая регламенты технического обслуживания и ремонта оборудования. Математическому описанию также подлежит динамика внутрицеховых материальных потоков, на основе цифровизации которых формируются оптимальные производственные расписания выполняемых работ.

Наиболее сложной для практической реализации является эксплуатационная модель цифрового двойника ПС, на которую, в частности, возлагаются следующие функции:

  • Проводить необходимые расчеты для принятия управленческих решений.
  • Отображать в режиме реального времени производственные процессы, протекающие в производственной системе.
  • Проводить различные эксперименты "что, если" путем математического моделирования производственных процессов.

Еще одной важной задачей эксплуатационной модели цифрового двойника производственной системы является минимизация возможных отказов технологического оборудования за счет своевременного проведения технического обслуживания и ремонта (ТОиР). Одним из передовых видов ТО является предиктивное обслуживание (PdM). Оно позволяет производить ремонт не по заранее составленному плану, а когда в нем возникает необходимость.

Подразумевается не устранение, а предупреждение отказов оборудования путем интерактивной оценки его технического состояния по совокупности данных, поступающих с датчиков, и определения оптимальных сроков проведения ремонтных работ. Цифровой двойник может служить одним из инструментов предиктивного обслуживания, который позволяет промоделировать различные варианты полных и частичных отказов, работу устройств с учетом режимов их эксплуатации, воздействий окружающей среды и различной степени износа деталей.6 Цифровые двойники позволяют ремонтным бригадам быть хорошо информированными и прибывать на место работы уже со всеми необходимыми запасными частями, инструментами и инструкциями, необходимыми для технического обслуживания.

На уровне эксплуатационной модели цифрового двойника ПС функции ТОиР учитываются как дополнительные операции, оптимизируемые в оперативном плане производства так, чтобы они минимально влияли на скорость прохождения обрабатываемых изделий через производственные активы предприятия. Эту задачу принимают на себя MES-системы (Manufacturing Execution System — программное обеспечение, предназначенное для оперативного календарного планирования производства.)

Важно, чтобы цифровой двойник ПС поддерживался в актуальном состоянии через реализацию непосредственной связи с производственными активами, с учетом текущего состояния изготавливаемых изделий. Для решения этой задачи используются технологии IIoT. С их помощью обеспечивается связь сенсоров, датчиков и другой аппаратуры сбора данных с существующими системами управления производством и c эксплуатационной моделью цифрового двойника ПС.

Таким образом, цифровой двойник — фундаментальное понятие "умной фабрики" (Smart Factory), которое следует связывать как с самим изделием (в этом случае применяется термин "цифровой двойник изделия"), так и с процессом изготовления изделий — в этом случае следует использовать термин "цифровой двойник производственной системы". Используемые совместно на каждом этапе жизненного цикла изделия (PLM), эти цифровые двойники должны быть функционально связаны между собой и обеспечивать эксплуатационные характеристики проектируемого и изготавливаемого изделия в соответствии с его назначением.4

Финансовые перспективы

Реализация технологий цифровых двойников — достаточно серьезный проект, который может потребовать крупных инвестиций и предварительных оценок их окупаемости. Однако, как следует из исследования компании Deloitte, эта технология быстро распространяется в разных отраслях, включая аэрокосмическую промышленность, розничную торговлю, здравоохранение и другие сектора. Цифровые двойники ускоряют разработку продуктов и процессов, оптимизируют выполнение работ и помогают в профилактическом техобслуживании.7 Согласно отчету, глобальный рынок технологий цифровых двойников к 2023 г. достигнет $16 млрд., тогда как обороты рынка технологий, формирующих базу для этого прогресса (в частности, IoT и машинного обучения), к 2020 г. по прогнозам должны удвоиться.

Зонами наиболее интенсивного роста использования цифровых двойников, по-видимому, станут ресурсоемкие отрасли, такие как промышленное производство, нефтегазовая индустрия, аэрокосмическая и автомобильная промышленности. Тем не менее эти технологии также имеют перспективы применения в розничной торговле, здравоохранении и в проектировании "умных" городов.

Учитывая, что технологии цифровых двойников пользуются поддержкой IT-гигантов, включая IBM и SAP, предприятиям сегодня следует обратить на эти технологии самое пристальное внимание. "Цифровые двойники могут существенно усилить способность предприятий принимать проактивные решения на базе данных, повысить эффективность их деятельности и избавить от потенциальных проблем, — утверждает отчет Deloitte. — Они также могут предоставить возможность безопасным и экономным образом прорабатывать сценарии "что, если", то есть по сути дела экспериментировать с будущим".8
По данным компании Gartner, по состоянию на начало 2019 г. 13% организаций, реализующих проекты IoT, уже используют цифровые двойники, в то время как 62% либо находятся в процессе создания цифровых двойников, либо планируют сделать это.

"Результаты — особенно по сравнению с прошлыми опросами — показывают, что цифровые двойники постепенно входят в массовое использование, — сказал Бенуа Леруо (Benoit Lheureux), вице-президент Gartner по исследованиям. — Мы прогнозировали, что к 2022 году более двух третей компаний, внедривших IoT, развернут как минимум один цифровой двойник в производстве. Мы можем достичь этого показателя в течение года".

Есть две причины этого внезапного спроса на цифровые двойники. Во-первых, они приносят ощутимую ценность для бизнеса и стали необходимыми для IoT и цифровых стратегий. Во-вторых, по мнению Gartner, быстрый рост внедрения объясняется, в частности, активным маркетингом и организацией обучения со стороны поставщиков этих технологий.9

В системе IT-Enterprise имеется продукт "Управление жизненным циклом изделия (PLM), обеспечивающий многовариантное проектирование новых изделий, управление конфигурациями и исполнениями, а также управление цифровым макетом для каждого серийного номера или партии изделий на протяжении всего жизненного цикла. 

Продукт "Промышленный интернет вещей (IIoT)" системы IT-Enterprise обеспечивает сбор данных о состоянии оборудования, благодаря чему можно перейти от реактивного ТО к предиктивному. 

Входящий в состав системы IT-Enterprise продукт MES обеспечивает оперативное управление производственными процессами, синхронизацию, координацию, анализ и контроль выпуска продукции. 

Ссылки:
1. https://www.gartner.com/it-glossary/digital-twin
2. http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Цифровой_двойник_(Digital_Twin)
3. https://4science.ru/articles/Cifrovie-dvoiniki-i-cifrovie-teni-v-visokotehnologichnoi-promishlennosti
4. https://www.e-xecutive.ru/management/practices/1989564-mes-bazis-dlya-sozdaniya-tsifrovogo-dvoinika
5. https://www.it.ua/ru/knowledge-base/technology-innovation/manufacturing-execution-system-mes
6. https://www.cadfem-cis.ru/products/digital-twin/
7. https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/cip/deloitte-cn-cip-industry-4-0-digital-twin-technology-en-171215.pdf
8. https://www.itweek.ru/iot/article/detail.php?ID=200690
9. https://www.information-age.com/gartner-digital-twins-123479330/

 

 

 

  • Предыдущая
  • следующая
Get in touch

Получить
наше бизнес предложение
Получить
наше бизнес предложение
Заполнить форму