Цифровые двойники

Что такое цифровой двойник?

Понятию Цифрового двойника (ЦД) за последние годы было дано множество разных определений, родившихся как из научных исследований, так и из практической деятельности отдельных экспертов и организаций. При этом единого общепризнанного однозначного определения пока не существует, а мнения экспертов различаются в вопросах состава ЦД, масштаба охвата и характерных признаков.

Например, читатели wiki увидят следующее определение:

Цифровой двойник (англ. Digital Twin) – цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность бизнеса.

Компания IBM, являющаяся одним из лидеров в сфере информационных технологий, формулирует это понятие следующим образом:

Цифровой двойник – виртуальное представление объекта или системы, которое существует в течении его жизненного цикла, обновляется на основе данных в режиме реального времени и использует методы моделирования1 и машинного обучения для обеспечения поддержки принятий решений.

Подробно с историей возникновения термина и его многогранностью можно в книге Александра Прохорова и Михаила Лысачева2. Данная книга представляет собой исчерпывающее современное исследование области цифровых двойников и может быть рекомендована как источник информации для более широкого и детального изучения предмета.

На Рис. 3.9.1 приведена диаграмма из этой книги, иллюстрирующая возможное содержание понятия цифрового двойника.

Рис. 1. Содержание цифрового двойника.

В данной статье мы сосредоточимся не столько на поиске единого определения, сколько на вопросах извлечения пользы из практического применения ЦД в той парадигме, которая позволяет сочетать все имеющиеся на эту тему наработки. Для этого считаем необходимым задать набор признаков, по которым можно более четко определить, что относится к классу ЦД, а что нет. В данном описании под цифровым двойником будем понимать прежде всего цифровой продукт (информационную систему), который встроен в ИТ-ландшафт компании и решает конкретные производственные задачи. При этом технологии, используемые для реализации, могут быть совершенно разными, т. е. они вторичны. Таким образом, ЦД представляет собой объект или процесс3 (далее моделируемый процесс или объект будем называть общим словом – система) в виде математической модели4 или комплекса моделей (далее для краткости будем писать просто Модель), которые в цифровом представлении дублируют поведение реального объекта. С помощью таких моделей можно анализировать поведение объекта или процесса, изменение его состояния с течением времени, а также делать выводы об интересующих нас качествах и ограничениях системы без непосредственного проведения экспериментов на реальной системе.

Исследования поведения системы приобретают особую значимость, если реальная система находится в стадии проектирования и фактически еще не существует. Это позволяет нам оценить, насколько будущая система соответствует предъявляемым к ней требованиям – как с технологической, так и с экономической точки зрения – и, при необходимости, внести изменения в проект. Кроме того, для существующих систем не всегда есть возможность проводить эксперименты – по соображениям промышленной безопасности, особенно на опасных производствах, или из-за высоких экономических рисков. В данном случае использование математической модели позволит сделать необходимые оценки и выводы.

Существенным признаком ЦД является обеспечение синхронизации Модели с фактическим состоянием на основе реальных данных, собираемых с помощью сенсоров и датчиков, установленных на объекте. Это выделяет его из множества решений, в которых так или иначе моделируются различные реальные системы.

Таким образом, ЦД – это цифровой продукт, который включает в свой состав комплекс математических моделей и синхронизирован с производственными данными в реальном времени, т. е. можно сказать, что это живая система, которая с одной стороны обладает «собственным мнением» о происходящем, а с другой стороны осуществляет сверку с актуальными данными, поступающими с производства. Производственные данные существуют независимо от наличия или отсутствия ЦД, поэтому не могут считаться его частью. Но при отсутствии актуальных данных, поступающих в обработку в ЦД, он перестает быть таковым. Разумеется, период актуализации данных зависит от конкретной задачи.

Существует распространенное мнение, что ЦД неразрывно связан с технологиями IoT, Big Data и т.д., которые используются для сбора и обработки информации. Однако, сама идея и основные принципы цифрового двойника, так же, как и первые реализации, появились задолго до появления этих терминов. Технологию IoT можно рассматривать в качестве одного из драйверов развития ЦД, который упрощает построение ЦД за счет унификации протоколов коммуникаций, то есть является одним из факторов, которые делают ЦД типовым решением и способствуют распространению ЦД.

В силу того, что любая реальная система включает множество взаимосвязанных компонентов, еще одним признаком цифрового двойника является периметр охвата или масштаб. Если предметом математического моделирования в привычном для математиков смысле может быть какое-то одно физическое явление в ограниченных условиях, например, распространение тепла в стержне, то зона охвата цифрового двойника на практике гораздо шире.

Например, в промышленности это может быть производственная установка или целый завод, представляющий собой комплекс установок для последовательной обработки продукции. А ЦД завода моделирует весь комплекс происходящих на нем процессов с учетом их взаимосвязей и зависимостей. Таким образом, сложность модели определяется в т. ч. периметром охвата. При этом необходимо отметить, что чем больше процессов и систем покрывает цифровой двойник, тем сложнее и дороже реализовать низкоуровневую детализацию. Но при рациональном подходе высокая стоимость разработки ЦД, обусловленная сложностью системы, должна окупаться за счет возможности целостного управления производством и, как следствие, его уровнем эффективности.

Таким образом, в зависимости от масштаба производственной системы, ЦД может включать в свой контур одну или несколько моделей, или представлять некоторую надстройку, которая агрегирует большое число более низкоуровневых ЦД, образуя в наиболее сложных случаях многоуровневую иерархию. Ряд экспертов считают, что непосредственно модели концептуально не включаются в состав Цифрового двойника, представляя собой внешние сервисы, которые он использует. С нашей точки зрения, это, скорее, вопрос архитектурной реализации. Главное, чем определяется Цифровой двойник – это свойства, которыми он обладает, и характер решаемой задачи.

Цифровой двойник в идеале появляется раньше его материального «близнеца», существует на всех этапах жизненного цикла производства, включая проектирование, эксплуатацию и модернизацию. На этапе проектирования можно проводить анализ работы производства посредством вычислительных экспериментов и вносить изменения как в параметры будущей установки, так и в процессы завода в целом. На этапе эксплуатации ЦД используется для получения оптимальных показателей работы производства. На этапе модернизации производства ЦД позволяет на основе заданных требований выбрать наиболее эффективный путь модернизации, учитывая экономические и производственные факторы, такие как выбор комплектующих, ремонтные стратегии, оптимальные варианты организации диагностики и прочие.

Для производств, которые были спроектированы и построены без использования ЦД, его можно реализовать уже на стадии эксплуатации на основе существующего производства и применять на всем оставшемся отрезке жизненного цикла системы. Сейчас, как правило, реализуется именно такой сценарий, поскольку большинство производств по всему миру строились задолго до появления возможностей реализации Цифровых двойников. А новые производства уже можно начинать проектировать с применением Цифровых двойников.

Бурное развитие вычислительных систем в части роста их производительности сделало возможным такое моделирование для многих областей, позволяя с высокой точностью моделировать сложные процессы.

Виды цифровых двойников

На текущий момент ЦД представлены в самых разных сферах и отраслях. Некоторые распространенные примеры приведены ниже.

Цифровой двойник производственного процесса5, под которым мы здесь понимаем набор входных потоков (сырья, материалов или комплектующих), процесс их переработки (или сборки) для получения целевых потоков продукции на выходе.

Например, на перерабатывающем заводе цифровой двойник повторяет процесс производства, то есть процесс получения какого-либо целевого продукта из исходного сырья, позволяя оценивать влияние параметров технологического режима на состояние установки, на которой осуществляется этот процесс, рассчитывать ключевые показатели этого процесса, такие как выход готовой продукции при заданном потреблении сырья и электроэнергии и другие. Имея модель подобной системы, можно проанализировать последствия изменения таких параметров, как температура или давление, на ключевые показатели процесса, а также подобрать оптимальный режим работы установки.

Цифровой двойник процессов управления работой склада.

Модель процессов работы склада позволяет давать качественную и количественную оценку его работы в различных конфигурациях – входных и выходных потоков продукции, условий обработки продукции, численности персонала и его распределения по ролям. Задавая различные условия, такие как уровень загрузки, расписание поставок и отгрузок, требования по обслуживанию и т. д., можно оценить, насколько эти требования выполняются, т.е. какая доля обрабатываемых заказов укладывается в нормативное время по обработке и какие вероятны отклонения.

Цифровой двойник транспортной сети города.

Как и в предыдущем примере, данный ЦД моделирует процесс движения транспорта в городе и позволяет при заданных статистических показателях транспортных потоков оценивать скорость дорожного движения на различных участках, определять проблемные зоны («бутылочное горлышко»), видеть влияние различных точечных изменений на дорожную обстановку в целом. Под транспортной сетью можно понимать систему автомобильных дорог, развязок, перекрестков и светофоров. Можно расширить периметр модели и включать также другие виды транспорта – в зависимости от решаемых задач.

Это лишь несколько примеров, показывающих, насколько разнообразными могут быть системы, для которых разрабатываются цифровые двойники. Как следствие, также богаты и разнообразны подходы и инструменты для их построения, предлагающие набор решений для каждого направления моделирования.

Резюмируя сказанное, создание цифрового двойника позволяет:

• 

определить ограничения, выявить проблемные участки будущего объекта на этапе проектирования;

• 

оценивать граничные значения режимов эксплуатации и влияние на экономические показатели;

• 

отслеживать отклонения от целевого процесса в режиме реального времени для своевременной реакции и корректировки;