"Основне їхнє завдання - перевірити все до дрібниць, пояснити хірургу, що саме він повинен робити під час операції. Ви ж не хочете, щоб він вже зробивши надріз запитав: «Добре, і що мені потрібно робити далі?». Вони надають додаткові можливості, і лікар, який працює з коліном пацієнта, точно знає, якої форми імплантанти йому будуть потрібні, до початку операції ", - роз'яснює Майкл Гривс (Michael Grieves), описуючи застосування цифрових двійників в охороні здоров'я, концепцію, яку він розробив більше десяти років тому. Не дивлячись на те, що вперше ця ідея була запропонована вже в 2003 році як спосіб здешевлення розробки продуктів за допомогою цифрових моделей, тільки зараз цей підхід отримав широке застосування. Гривс - професор, дослідник і помічник директора Центру управління життєвим циклом та інноваціями в технологічному інституті Флориди. У своїй статті 2003 року "Цифрові двійники: перевага у виробництві на основі віртуального прототипу заводу "Гривс писав: «Застосування цифрового двійника відбувається протягом усього життєвого циклу виробу - щоб забезпечити високий рівень якості для споживача, і надати інформацію про те, як він насправді користується продуктом - для виробника».
Термін «Цифровий двійник» був придуманий інженером, з яким Гривс працював у НАСА. Незалежно від того, чи є розглянутий об'єкт штучним колінним суглобом або аеродинамічним двигуном, Гривс вважає, що застосовуючи єдиний підхід можна значно скоротити витрати на проектування, виготовлення, експлуатацію та подальше обслуговування виробу. Цілий ряд компаній, що працюють в області автоматизованого проектування (САПР) схвалили цю ідею.
Компанія PTC, що займається розробкою промислового програмного забезпечення, підтримала ідею цифрового двійника фізичного продукту як для організації, так і для обслуговування і підтримки продукту. Спільно з цим PTC застосовує технології віртуальної реальності (VR) і доповненої реальності (AR). Так, наприклад, наводячи планшет з камерою, на машину, яка потребує ремонту, програмне забезпечення, робить запит до цифрового двійника, і визначає, які дії необхідно виконати працівнику. "Дані з САПР [створені під час проектування] можуть бути використані для формування" інструкцій доповненої реальності ", які паралельно використовують реальні дані, що надходять від реально існуючого виробу. Таким чином, можна знайти, де стався збій і навіть зрозуміти причину збою ", - пояснює віце-президент підрозділу САПР компанії PTC Брайан Томпсон. "Це схоже найбільш перспективний промисловий варіант використання технологій Інтернету Речей і VR/AR, заснованих на даних з бази САПР. Спільне використання цих технологій може дати позитивний ефект. Це дуже зручно, коли ви, як сервіс-інженер, можете отримувати якесь цифрове уявлення про те, як вам необхідно працювати з виробом далі ". Задовго до того, як сервіс-інженер добереться до готового виробу, був створений віртуальний двійник у вигляді САПР моделі, яка потім, протягом декількох років, була значно опрацьована, щоб її можна було вважати цифровим двійником.
Спочатку Гривс виклав три основні вимоги до моделі, яку можна було назвати справжньою цифровою копією. «Я запропонував три вимоги до віртуального двійника, перша вимога - перевірка на відповідність зовнішнього вигляду, але потім я розширив цю вимогу до відповідності оцінки сприйняття всіма органами почуттів». Важливо зазначити, що основною в першій вимозі є не тільки лише зовнішній вигляд. Віртуальний візуальний аналіз включає в себе розбір продукту на частини і детальний огляд всіх його складових частин.
Друга вимога Гривса - віртуальний продукт повинен поводитися реалістично при проведенні різних випробувань, наприклад, таких як продування в цифровій аеродинамічній трубі або аналіз напружень.
Його третя вимога полягає в отриманні інформації від віртуального продукту за допомогою фізичної експертизи, як якщо б користувач міг перевірити реальний продукт, наприклад, визначення величини витрати палива двигуном.
Гривень відзначає зростання промислових можливостей для виконання його вимог: "Де ж знаходиться реалізація цифрового двійника сьогодні? Коли я тільки починав свою роботу, ми не могли виконати навіть візуальну вимогу - сьогодні це рідко є проблемою. Сьогодні ви вже не зможете відрізнити фотографію справжнього автомобіля від фотографічного рендерінга.
Виконавчий директор «Dassault Systemes» EuroNorth Стівен Чадвік повністю згоден з цим: "Фотореалістичний рендеринг автомобілів Ауді вже давно використовується в рекламних відео роликах. З використанням нашого продукту 3D Excite, отримані цифрові відео складно відрізнити від знятого фільму. Рекламні відео ролики Ауді, які ви бачите по телебаченню або в кінотеатрах, виробляються виключно за допомогою нашої програмної платформи. Те, що виглядає як красивий і досконалий автомобіль Ауді, фактично являє собою візуалізацію на основі САПР моделі ".
Цифрове виробництво
Цифрова копія, яка значною мірою відповідає першим двом вимогам Гривса, може використовуватися в роботі «віртуального виробництва» і оновлюватися, доповнюючись на кожній «станції». Саме в ці моменти цифровий двійник отримує дані про підготовку до виробництва і дані автоматизованого конструювання (CAE). Кожна із заводських цифрових станцій, на яких виконуються операції над віртуальним продуктом: складання вузлів продукту і кінцева збірка продукту - також вже були змодельовані раніше.
«Ми можемо провести збірку цифрового продукту на цифровій фабриці, перевіривши тим самим, що продукт збираємо для заданого виробничого процесу», - пояснює Зві Фейєр, виконавчий віце-президент з розробки програмного забезпечення Siemens. Siemens може змоделювати спільну роботу декількох машин, наприклад, робота і конвеєра, а також можливі збої і відновлення. Феєр пояснює, як цифровий двійник може допомогти заощадити гроші компаній за допомогою технологій віртуального виробництва. "У перших 10-20 циклах [запуск виробництва нового продукту] ви з великою ймовірністю зіткнетеся з проблемами. Інформація, надана постачальнику, не була достатньо точною, постачальник використовував невідповідний матеріал або виробничий процес. Ці частини не підходять один одному, допуск виявився більшим, ніж очікувалося; Ми стикаємося з цим, це відбувається знову і знову. Сьогодні у нас є можливість спрогнозувати можливість складання, визначити допуски, які мають найбільший вплив на процес ". У Гривса є серйозні претензії до тих компаній, особливо з аерокосмічної галузі, які не можуть надати віртуальний продукт для моделювання виробництва. "Boeing і Lockheed Martin вимагають від компаній-постачальників надсилати свої віртуальні моделі, щоб їх можна було перевіряти. Я думаю, що це дійсно важливо для Boeing і Airbuses, вони отримують віртуальну інформацію поряд з фізичними виробами. Вони навіть вибирають своїх постачальників на основі наступного критерію, "ви повинні мати можливість надати нам віртуальну модель", тому що це дозволити уникнути затримок на створення цієї моделі в майбутньому ".
Віртуальне тестування
Після того як у віртуальний продукт внесли поліпшення на основі моделювання його виготовлення на цифровій фабриці, є ще одна область потенційної економії коштів - моделювання перевірки якості. Замість дорогих інструментів і стендів - все моделюється всередині комп'ютера ". Віртуальні тести мають перевагу перед фізичними у вартості. Коли ви проводите один або два тести для аерокосмічної галузі, це все одно дорого, але ви можете провести досить багато випробувань практично без додаткових витрат ", - повідомляє Гривс. Чадвік додає: "Ми виявили, що багато наших клієнтів використовують платформу [Dassault software], щоб мати можливість виконувати такі перевірки, і дійсно багато з них відмовилися від фізичного тестування, тому що для сертифікації цього більше не потрібно. Модель, заснована на цифрових даних, досить точна ". Потім, після затвердження і на етапі експлуатації передбачається, що з вбудованих датчиків буде отримано зворотний зв'язок, щоб допомогти поліпшити характеристики виробу і врахувати недоліки в наступних версіях продукту. Торік PTC продемонструвала, як віртуальний продукт, в їхньому випадку велосипед, може бути поліпшений з використанням такого підходу. Томпсон пояснює це наступним чином: "Клієнти розглядають те, що вони можуть відстежувати зміну параметрів у міру експлуатації, як гідність.
Результати, які ми отримали на прикладі велосипедів, будуть опубліковані восени ". Тим не менш, Томпсон вже зараз бачить складнощі при обробці даних про всі параметри продукту. «Якщо у вас є 10 000 унікальних моделей продукту, які відстежують в режимі реального часу - 10 000 велосипедів, ми отримуємо великий обсяг даних». Рішення полягає в тому, щоб виділити ключові елементи дизайну, наприклад, вилка велосипеда. Він зазначає, що з точки зору бізнесу весь обсяг даних може виявитися зайвим, а витрати, пов'язані з їх обробкою можуть виявитися невиправданими. Замість цього - виділення ключових параметрів продукту, таких як знос вилки велосипеда, зменшують витрати на обробку даних, забезпечуючи інформацію про конкретні поліпшення продукту.
Великі дані (Big Data)
Вирішення проблем великих даних не розглядається Гривсом. "Мене не турбують структури даних. У нас є необхідні інструменти, щоб вирішити всі подібні проблеми ", - говорить він. Його більше турбує те, що у сфері інформаційних технологій спостерігається брак співпраці, розвиток відбувається занадто швидко, швидше ніж формування стандартів. «Найкраще, на що ми можемо сподіватися, це кооперація, - щоб всі розробники грали разом в одній пісочниці, замість того, щоб мати безліч власних структур даних, які потім складно використовувати спільно». Каменем спотикання в цій ситуації є інформаційна безпека. «Це одна з яких гострих проблем», - говорить Гривс. "Коли ми створюємо інтелектуальні продукти, які відображають те, як вони виглядають, ми повинні бути впевнені, що тільки авторизовані користувачі зможуть отримати доступ до цієї інформації, не всі. Я пропоную поставитися до цього з високою ступінь параної. Необхідно визначити того, хто запитує інформацію ".
Інформаційна безпека також має фундаментальне значення для іншого ІТ-напрямку, що підтримує концепцію цифрового двійника - Інтернет речей (Internet of Things IoT). На думку Томсона, стратегія компанії з використання IoT нерозривно пов'язана з віртуальним продуктом: "Мені здається дивним, коли ви говорите, що у вас є стратегія для цифрового двійника, але немає стратегії для IoT. У вас повинен бути спосіб зв'язати ці дві технології ". Підхід IoT вже широко використовується виробниками літакових двигунів. Це пояснює Гривс:"Компанія Rolls-Royce добре працює саме так. Якщо ви запитаєте у них - вони збирають дані для кожного окремого двигуна і кожного окремого польоту, таким чином у них є можливість спрогнозувати збій продукту, за допомогою гігантського механізму кореляції. Коли вони бачать ось цей статус і той статус, вони знають, що у них буде проблема з тим-то компонентом ". Згідно з Феєром таке зіставлення даних IoT в режимі реального часу може допомогти поліпшити бізнес-модель компанії, а не тільки проектування або ремонт продукту. Як приклад він наводить бізнес-модель друкарні. "Розглянемо друкарню: чому вона розумна? Тому що технології сьогодні дозволяють нам встановити датчики для збору інформації виробником, і тепер ми можемо запропонувати нову бізнес-модель, наприклад, оплата за друковану сторінку або оплата тільки за чорнило ".
Цифрові двійники і PLM
Таке використання віртуального продукту схоже на управління життєвим циклом продукту (PLM). Це також пов'язано з тим, що концепція цифрового двійника сьогодні розглядається як частина PLM. Визначення PLM розглядається як процес управління всім життєвим циклом продукту: ініціалізація, дизайн і проектування, підготовка до виробництва, обслуговування та утилізація. Як і цифровий двійник Гривса, ступінь впровадження PLM різна від однієї сфери промисловості до іншої і від однієї компанії до іншої, так і уявлення про віртуальний продукт також розрізняються. Феєр каже: «Цифровий двійник - це рішення в рамках PLM на шляху до переходу до Промисловості 4.0», - концепції цифрового промислового підприємства.
Томпсон бачить PLM як поєднання віртуального продукту і місця, де цифрова копія буде «створена». Він також бачить, що двійник є тим, що об'єднує дані з PLM і таких областей, як планування ресурсів підприємства (ERP), яке він ставить поза управлінням життєвим циклом. «Як тільки ви переходите на етап виготовлення продукту, зв'язок з PLM-системою закінчується, і ви перебуваєте в сфері ERP або в подібній системі, яка відстежує параметри двійника». Двійник ефективно збирає всю необхідну інформацію, інформацію компанії в рамках PLM-діяльності та іншу, таку як інформацію з датчиків обслуговування, доповнюючи вихідну модель САПР. Феєр пропонує більш широко поглянути на PLM: "PLM постійно розвивається. Якби ви запитали мого боса 15 років тому він сказав би, що PLM - це управління даними CAD, а CAD це набір деяких CAE інструментів. Але якщо ви запитаєте його сьогодні, він розповість про PLM як про систему, що охоплює всю область інтелектуального продукту, яка включає в себе вимоги до продукту, які формуються ще до появи CAD моделей, потім CAD моделі, CAE, виробництво, програмне забезпечення, управління життєвим циклом і етап інтеграції для електроніки ". Так само, як ідея Гривса для цифрового двійника розвивається в промисловості, PLM також не стоїть на місці. Як вважає Феєр, «ми постійно усвідомлюємо, що PLM сьогодні це щось більше, ніж те, з чого ця подорож почалася 35 років тому». Концепція цифрового двійника Гривса повільно, але реалізується, технологічно. З точки зору застосування цієї технології, аерокосмічна промисловість, ймовірно, є самою передовою. Зрозуміло, що за 13 років, що минули відтоді, як Гривс і його колега з НАСА сформували цю ідею, концепція розглядалася як така, що має переваги порівняно з тими підходами, які використовувалися в той час. І ці відмінні переваги в майбутньому будуть мати ще більш сильний вплив, включаючи вплив на зміни в бізнес-моделях і обслуговуванні. Так що ж буде через 35 років?
