Что такое цифровой двойник и как он работает?

Цифровой двойник — это не просто цифровая копия физических активов; он ведет себя как настоящий объект, отражая все — от того, как работает машина, до того, как функционирует город, — и все это в режиме реального времени.

Цифровые двойники используются для оптимизации процессов, повышения эффективности и снижения рисков в различных секторах  среди которых производство, умные города, здравоохранение или даже исследование космоса.

Создание цифрового двойника подразумевает сбор огромных объемов данных и использование датчиков для непрерывной передачи информации в режиме реального времени обратно в цифровую модель, гарантируя ее точное соответствие своему физическому аналогу.

Концепция цифровых двойников не нова, но она постоянно развивается. По мере развития технологий цифровые двойники становятся все более неотъемлемой частью работы отраслей, расширяя границы инноваций и эффективности.

Цифровой двойник уже некоторое время является интригующей концепцией в технологическом пространстве. Если вы когда-либо хотели иметь идеальную виртуальную копию чего-либо в реальном мире — машины, здания или даже целого города. Так и с цифровым двойником

Эти виртуальные модели не просто выглядят как их физические аналоги; они также ведут себя как они. Это как зеркало, которое отражает не только внешность, но и поведение, условия и все мелкие детали — в реальном времени.

Здесь объясняется как создается цифровой двойник, какие типы цифровых двойников существуют, каковы преимущества и риски цифровых двойников, примеры использования цифровых двойников и история цифровых двойников.

Цифровой двойник предмета, процесса или системы — это как виртуальная копия реальной вещи. Представьте себе цифровую копию завода, автомобиля или города на вашем компьютере. Этот цифровой двойник действует точно так же, как реальная вещь, позволяя виртуально экспериментировать с различными ситуациями.

Вы можете предвидеть потенциальные проблемы и оптимизировать производительность, не взаимодействуя с физической версией. Например, инженеры могут использовать цифровой двойник реактивного двигателя, чтобы смоделировать, как он будет работать в различных условиях, без необходимости использовать реальный двигатель.

Цифровой двойник работает эффективно благодаря постоянному потоку данных от физического двойника. Его можно использовать в различных приложениях, таких как умные города, здравоохранение, промышленные исследования и космические исследования.

Для  начала собирается тонны данных об активе: как он выглядит, как ведет себя в разных условиях и как взаимодействует с окружающими его вещами. Вы создаете цифровую версию, которая по сути является копией оригинального актива.

Но это не просто внешний вид; этот цифровой двойник ведет себя как настоящий, благодаря таким технологиям, как дополненная реальность (AR), виртуальная реальность (VR), 3D-моделирование, искусственный интеллект и Интернет вещей ( IoT ) . Затем вы подключаете реальный актив к датчикам, которые отправляют данные обратно цифровому двойнику в режиме реального времени.

Таким образом, вы можете постоянно все контролировать и анализировать через облачную платформу. Результат? Цифровой двойник, отражающий реальный актив.

На  заметку:  ИИ может генерировать реалистичные сценарии в цифровых двойниках, позволяя нам тестировать беспилотные автомобили или методы лечения без реальных рисков.

Как работает цифровой двойник?

Хотите узнать, что делает цифровой двойник? Это зависит от того, сколько данных вы ему передаете и что вы хотите, чтобы он делал. Например, хотите ли вы, чтобы он просто следил за активом или чтобы он шел дальше, например, выявлял проблемы до их возникновения и предлагал исправления?

Обычно эти цифровые двойники предназначены для мониторинга физического объекта, анализа его производительности и корректировки по мере необходимости. Инженеры обновляют цифровой двойник данными реального объекта, чтобы моделировать происходящее в режиме реального времени и предлагать идеи. Таким образом, потенциальные проблемы выявляются на ранней стадии, прежде чем они станут серьезными проблемами.

Давайте разберем эту концепцию на примере. Volvo, шведская автомобильная компания, известная своим вниманием к безопасности пассажиров, использует цифровых двойников для создания виртуальных копий своих автобусов и грузовиков, что позволяет ей тестировать различные материалы и конструкции.

Представьте себе датчики, встроенные в прототип транспортного средства, которые отслеживают все: от того, как он держится структурно, до того, как он справляется с аэродинамикой и безопасностью во время краш-тестов. Все эти данные поступают в цифровой двойник, который моделирует, как автомобиль будет вести себя в различных ситуациях, например, при движении по шоссе или при столкновении.

Инженеры Volvo могут затем доработать конструкцию, выбрать лучшие материалы и оптимизировать производительность и топливную экономичность с помощью цифрового двойника. Volvo может тестировать новые функции безопасности в этом виртуальном пространстве, прежде чем внедрять их в реальном мире, снижая риск дорогостоящих ошибок и обеспечивая первоклассную безопасность для пассажиров.

Типы цифровых двойников

Существуют различные типы цифровых близнецов, каждый из которых играет свою роль:

Двойники компонентов или близнецы частей: Подумайте о них как о строительных блоках системы.

Двойники активов: Объедините несколько компонентов, и у вас получится актив. Двойники активов помогают контролировать, как эти части работают вместе, и показывают, где можно внести улучшения.

Двойники систем или блоков: они позволяют увидеть, как различные активы работают вместе, образуя целостную систему, помогая понять взаимодействия и найти способы повышения общей производительности.

Двойники процессов: на самом высоком уровне двойники процессов дают вам общее представление о том, как взаимодействуют целые системы в рамках более крупной операции, например, на заводе. Они ключевые для обеспечения плавной и эффективной  работы системы 

Несмотря на то, что они звучат одинаково, цифровой двойник и симуляция — это не одно и то же. Симуляции предлагают возможность тестировать сценарии в контролируемой среде, но цифровой двойник расширяет эту возможность. Это живая, синхронизированная с реальной цифровая копия в реальном времени, которая предоставляет информацию в реальном времени. Вы можете думать о цифровом двойнике как о гораздо более мощной и живой симуляции.

Преимущества технологии цифровых двойников

Технология цифровых двойников предлагает множество преимуществ, в том числе:

Экономия средств и управление рисками: цифровые двойники позволяют компаниям экономить деньги и управлять рисками, выполняя виртуальные симуляции и испытания вместо того, чтобы полагаться на физические прототипы. Это снижает затраты и потенциальные опасности, связанные с разработкой продукта.

Повышение эффективности НИОКР: цифровые двойники способствуют более эффективным исследованиям и разработкам, предоставляя платформу для виртуального тестирования продукции. Компании могут собирать подробные данные о производительности продукции и вносить необходимые коррективы перед переходом к физическому производству.

Оптимизация производства: цифровые двойники помогают оптимизировать производственные процессы, контролируя операции в режиме реального времени. Они позволяют компаниям выявлять неэффективность и быстро вносить коррективы, гарантируя бесперебойную и эффективную работу производственных линий.

Устойчивое управление окончанием жизненного цикла: когда продукты заканчивают свой жизненный цикл, цифровые двойники помогают производителям определить, как эффективно перерабатывать или повторно использовать материалы. Это уменьшает напрасно тратить и поддерживает устойчивость усилия.

Высококачественное производство: цифровые двойники способствуют повышению качества продукции, позволяя компаниям обнаруживать и устранять дефекты на ранних этапах производства. Этот проактивный подход гарантирует, что конечный продукт соответствует стандартам качества и снижает количество жалоб клиентов.

Риски цифровых технологий

Как и любая другая технология, цифровые близнецы также несут в себе свою долю возможных рисков,  среди которых:

Проблемы безопасности данных: при таком большом объеме данных, перемещаемых между физическим объектом и его виртуальным аналогом, существует риск попадания этих данных в чужие руки. Кибербезопасность становится высоко важный в этом случае

Высокие затраты на внедрение: создание цифрового двойника требует больших затрат. Малым предприятиям может быть сложно позволить себе первоначальные инвестиции из-за высокой стоимости программного обеспечения и датчиков.

Перегрузка данными: можно потерять сознание от объема получаемых данных. Обилие информации может вызвать паралич анализа, затрудняя концентрацию на самом важном.

Зависимость от точности данных: эффективность цифрового двойника зависит от качества данных, которые ему передаются.

Сложность интеграции: Интеграция цифрового двойника с существующими системами может быть сложной процедурой

Рассмотрим некоторые применения цифровых двойников в различных секторах:

Производство: Производители используют цифровых двойников для создания виртуальных представлений своих производственных линий. Это помогает им выявлять узкие места, корректировать процедуры и даже прогнозировать, когда оборудование может выйти из строя. Это переводит в меньше икота и более производительность.

Инфраструктура и умные города: можете ли вы представить себе город, где все, от светофоров до систем водоснабжения, отслеживается и оптимизируется в режиме реального времени? Цифровые двойники позволяют городским планировщикам делать именно это. Это помогает им лучше управлять ресурсами, моделировать последствия новых разработок и даже планировать такие кризисы, как наводнения или пробки.

Например, Сингапур использует цифровых двойников для оптимизации транспортных потоков и потребления энергии, создавая более интеллектуальную городскую среду.

Здравоохранение: Технология цифрового двойника помогает создать виртуальное представление части человеческого тела. Медицинские специалисты могут использовать ее для тестирования новых методов лечения, оценки реакции пациента на лекарство или даже для проведения имитационных операций перед выполнением реальной процедуры.

Автомобили: Автопроизводители используют цифровых двойников для тестирования новых материалов, моделирования аварий и улучшения конструкций без необходимости создания реальных прототипов транспортных средств. Это ускоряет  дизайн процесс транспортного средства.

Энергетика: Цифровые близнецы используются в энергетическом секторе для управления и мониторинга активов, таких как нефтяные вышки, электростанции и ветряные турбины. Предприятия могут минимизировать время простоя, прогнозировать требования к техническому обслуживанию и максимизировать производство энергии, моделируя работу этих активов.

Оборона и аэрокосмическая промышленность: В аэрокосмической промышленности цифровые двойники помогают поддерживать эффективность и безопасность самолетов. Инженеры могут оценивать усталостную прочность различных материалов, моделировать полет и даже прогнозировать требования к техническому обслуживанию, создавая виртуальные модели самолетов. Это продлевает  самолеты продолжительность жизни и увеличивается безопасность.

История  появления  цифровых  двойников

Историю цифрового двойника можно проследить до книги Дэвида Гелернтера «Зеркальные миры», опубликованной в 1991 году. Но формальную идею программного обеспечения цифрового двойника профессор Мичиганского университета Майкл Гривз представил в 2002 году. В 2010 году Джон Викерс из Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) придумал термин «цифровой двойник», который используется и в  наши дни.

Однако концепция изучения физического объекта через призму цифрового двойника на самом деле появилась гораздо раньше. NASA выдвинуло эту идею в своих космических миссиях в 1960-х годах. У них была такая стратегия, при которой каждый космический корабль, который должен был выйти на орбиту, имел точную копию. Летные экипажи NASA использовали эту наземную версию для проведения исследований и моделирования.

NASA использовало цифровых двойников для виртуального ремонта космического корабля «Аполлон-13», доказав их потенциал спасения жизней еще до того, как появился этот термин.

Будущее цифрового двойника

Невероятно, как технология цифровых двойников изменила работу различных секторов. Цифровые близнецы оказались эффективным инструментом для инноваций, которые могут повысить эффективность производства, сделать города умнее, изменить отрасль здравоохранения и многое другое.

По мере развития технологий важность цифровых двойников будет только возрастать, расширяя границы того, что вы можете сделать в реальном мире, используя цифровые двойники. Понимание технологии цифровых двойников поможет понять, как она повлияет на будущее того, как вы будете создавать, управлять и оптимизировать мир вокруг себя.