Цифровой двойник

Давайте вспомним старую русскую поговорку «Знал бы где упасть — соломки бы подложил». Смысл этой фразы лег в основу разработки технологии «Цифровой двойник». Множества непредвиденных поломок, аварий и простоев можно бы было избежать, имея возможность заранее смоделировать и проанализировать все рабочие процессы. Как выглядит эта технология, для чего она нужна и где применяется, расскажем в этой статье.

Что такое цифровой двойник

Цифровой двойник — это точная виртуальная копия различных объектов, процессов, людей, воспроизводящая структуру и действия оригинала и синхронизованная с ним.

Первым теорию создания цифрового аналога описал профессор Мичиганского университета Майкл Гривс в 2002 году. Профессор утверждал, что информацию, которую можно получить от любого объекта или его прототипа. Сам термин впервые упоминается в отчете NASA о моделировании и симуляции в 2010 году. В нем описывается сверхреалистичная цифровая копия космического корабля, которая способна воспроизводить все этапы строительства, испытаний и эксплуатации.

На сегодняшний день эта технология встречается в различных сферах деятельности. Различают несколько видов:

• прототип. Это виртуальный аналог объекта, содержащий все характеристики для создания оригинала;
• экземпляр. Такой формат содержит информацию о работе и характеристиках объекта и функционирует параллельно с оригиналом;
• агрегатированный двойник. Это объединенная система из нескольких копий и объектов, которой можно управлять из единого центра.

Спектр решаемых задач

Поскольку цифровой двойник полностью повторяет оригинал, с его помощью можно решить ряд важнейших задач:

1. Осуществление тестового запуска без существенных вложений.
2. Обнаружение неполадок или уязвимостей до запуска в производство или ввода в эксплуатацию.
3. Повышение эффективности процессов благодаря отслеживанию сбоев до старта.
4. Снижение финансовых рисков, а также рисков, связанных с безопасностью жизни и здоровья персонала.
5. Повышение прибыльности и конкурентоспособности компании.
6. Построение долгосрочных планов по развитию компании.
7. Повышение лояльности клиентов за счет прогнозирования спроса и желаемых качеств продукта.

Области применения

Количество сфер деятельности, в которых применяются технологии создания виртуальных копий, очень велико. Расскажем о некоторых из них.

1. Строительство. Позволяет предварительно смоделировать здание, оценить его характеристики и посмотреть, впишется ли оно в существующую среду.
2. Энергетика. Цифровые двойники помогают в оптимизации работы в электроэнергетике, минимизации длительных отключений электроэнергии и рациональном энергопотреблении.
3. Масштабное производство. Появилась возможность создавать копии деталей или целых производственных процессов, предупреждая тем самым сбои и неполадки в работе.
4. Сфера IT-технологий. На сегодняшний момент создаются модели целых сетей, что позволяет просчитать нагрузки и продумать надежную защиту от кибератак.
5. 3D-дизайн. Существует множество программ, с помощью которых дизайнеры разрабатывают 3D-проекты интерьеров. Клиент может сразу увидеть итоговый вариант и внести свои коррективы, что значительно облегчает взаимодействие.
6. Образование. Виртуальные модели помогают лучше донести материал до обучающихся. Как известно, материал, подкрепленный демонстрацией объектов изучения, усваивается лучше.
7. Медицина. С помощью виртуальных двойников отслеживаются жизненно важные показатели, назначается эффективное лечение и принимаются решения о проведении операций.
8. Спорт. Смоделировав командную игру, можно определиться с тактикой и детально проработать ее. Благодаря цифровым симуляторам также появилась возможность усовершенствования показателей гоночных автомобилей без прохождения множественных тестов реальными моделями.

Это далеко не весь список областей применения цифровых двойников. Почти в каждой сфере им нашлось применение.

Процесс создания

Двойники создаются с помощью различных инструментов: графических 3D-моделей, технологий визуализации, интегрированных математических моделей и моделей на базе интернета вещей.

Процесс создания делится на несколько основных этапов.

1. Изучение объекта. Если у двойника существует реальный прототип, то разработчики собирают его детальное описание с указанием всех процессов и характеристик в различных условиях.
2. Моделирование цифровой копии. При отсутствии реального прототипа этот этап является первым. Например, в сфере дизайна сначала создается 3D-модель и только потом оригинал. На этом этапе работа проводится с использованием математических методов вычисления и анализа.
3. Создание модели. Разработанную ранее систему переносят на специализированные платформы, такие как Siemens или Dassault Systemes. Происходит процесс объединения данных, интерфейса, математической модели и преобразование в виртуальную копию. Этот процесс похож на трансформацию программного кода в программу или приложение с понятным интерфейсом.
4. Тестирование. На этапе тестирования основной целью является прогнозирование поведения объекта или системы в обычном режиме работы и при непредвиденных обстоятельствах для избежания поломок и перегрузок после ввода в эксплуатацию.
5. Запуск и наладка. От успешности проведения предыдущего этапа зависит безотказность работы реального прототипа. Но не все ситуации можно спрогнозировать во время проведения тестов, поэтому некоторые моменты отслеживают при запуске и наладке двойника.
6. Корректировка. Работа с цифровым двойником ведется до тех пор, пока не будут отлажены все процессы и системы. Итогом проделанной работы является доработка оригинального объекта с целью получения максимальной эффективности.

Примеры цифровых двойников

На сегодняшний момент популярность использования технологий создания цифровых двойников стремительно растет. По данным исследовательской и консалтинговой компании, специализирующейся на рынках информационных технологий Gartner, 24 % компаний, использующих интернет вещей в своей работе, уже внедрили эту разработку. 42 % планируют это сделать в ближайшие 3 года.

Смоделировать копию можно практически для любого объекта. Рассмотрим примеры создания двойников в различных областях деятельности.

Tesla

Компания создает двойников для всех проданных автомобилей. Информация о состоянии машины передается на завод, где искусственный интеллект принимает решение о необходимости технического обслуживания. Определенные сбои в работе удается устранить дистанционно путем переустановки ПО.

Сингапур

У города существует динамический трехмерный двойник, включающий в себя все объекты (здания, мосты и даже зеленые насаждения). С помощью этой модели правительство может спланировать действия в случае возникновения чрезвычайных ситуаций, а архитекторы — вносить изменения в план города.

Chevron Corporation

Организация применяет разработку на нефтяных месторождениях и заводах по нефтепереработке — для предотвращения потенциальных технических угроз. К 2024 году на производстве планируется расширение применения технологии цифровых двойников.

Заключение

Цифровые двойники являются одной из самых перспективных технологий на сегодняшний день. С помощью этой разработки удалось решить множество задач, и в недалеком будущем она будет внедрена в нашу повседневную жизнь повсеместно.