Cyfrowe bliźniaki - przegląd aplikacji

Koncepcję wykorzystania cyfrowych bliźniaków w badaniach fizycznych obiektów wprowadziła NASA w latach sześćdziesiątych XX wieku, opracowując wirtualne repliki pojazdów kosmicznych na potrzeby przygotowań do misji w przestrzeni kosmicznej. Ich użyteczność została dowiedziona także później, gdy podczas awarii Apollo 13 inżynierowie w centrum kontroli lotów na Ziemi zasymulowali warunki panujące w uszkodzonym statku na orbicie. Dzięki temu zdołali opracować rozwiązania pozwalające na bezpieczne sprowadzenie astronautów do domu.

Z czasem następował postęp w technologii cyfrowych bliźniaków. Przyczyniał się do tego głównie rozwój programów do modelowania i symulacji 2D/3D, wzrost mocy obliczeniowej i zwiększanie pojemności pamięci komputerów. Ważny był też rozwój sprzętu umożliwiającego odwzorowywanie rzeczywistych obiektów do postaci cyfrowej, zaś w ostatnim czasie dodatkowo rosnąca dostępność danych z Internetu Rzeczy i rozwój metod wizualizacji w postaci technik rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej.

Dzięki temu obecnie tworzone cyfrowe repliki są nieporównywalnie bardziej precyzyjne, a więc i realistyczniejsze niż dawniej i możliwa jest interakcja z nimi w czasie rzeczywistym. W rezultacie przybywa dla nich zastosowań i są uznawane za jedną z kluczowych technologii Przemysłu 4.0.

Rynek i aplikacje cyfrowych bliźniaków

Według raportu firmy IoT Analytics pt. Digital Twin Market Report 2023‒2027 światowy rynek cyfrowych bliźniaków wzrósł w latach 2020‒2022 o 71%. Dotychczas 29% firm produkcyjnych na świecie już stworzyło wirtualne repliki swoich aktywów operacyjnych, natomiast kolejne 63% przedsiębiorstw nad takimi cyfrowymi odwzorowywaniami właśnie pracuje.

Oprócz oceny rynku IoT Analytics we wspomnianym raporcie przeanalizowało 100 przypadków wdrożeń cyfrowych bliźniaków i na tej podstawie rozróżniło sześć kategorii ich najczęstszych zastosowań. Są to: przewidywanie systemów (30%), symulowanie systemów (28%), zapewnienie interoperacyjności zasobów (24%), konserwacja (21%), wizualizacja systemów (20%) i symulacje produktów na etapie ich projektowania (9%). Większość z istniejących wirtualnych replik zostało zakwalifikowanych do więcej niż jednej grupy aplikacji. Dalej szerzej charakteryzujemy wybrane z nich.

Cyfrowe bliźniaki w prognozowaniu

Najpopularniejszym zastosowaniem cyfrowych bliźniaków okazało się przewidywanie działania i przyszłych stanów systemów, takich jak część albo cała fabryka, budynek, farma wiatrowa, a nawet miasto, w czasie gdy ich fizyczne odpowiedniki są eksploatowane i celem jest ich optymalizacja. Prognozowanie opiera się na bieżących danych i tych zapisanych w historii operacyjnej rzeczywistych obiektów. W tym celu wykorzystuje się opracowane dla nich modele predykcyjne.

Jako przykład dla tej kategorii zastosowań IoT Analytics podaje koreańskiego operatora elektrowni wiatrowych, firmę Doosan Enerbility. Przedsiębiorstwo to wykorzystuje wirtualne repliki, aby móc prognozować wydajność farm wiatrowych, którymi zarządza w oparciu o pomiary z czujników IoT zainstalowanych w turbinach, informacje pogodowe oraz modele oczekiwanej mocy wyjściowej.

Cyfrowy bliźniak w tym przypadku pozwala zrealizować dwa cele. Pierwszym jest monitorowanie wydajności instalacji. W oparciu o model turbiny obliczana jest jej teoretyczna spodziewana moc wyjściowa z uwzględnieniem aktualnie panujących warunków pogodowych. Jest ona następnie zestawiana z tą rzeczywiście uzyskiwaną. Jeżeli między tymi wartościami występują rozbieżności, jest to sygnalizowane.

Ponadto cyfrowe odwzorowanie elektrowni pozwala na szacowanie przyszłej produkcji energii elektrycznej na podstawie również prognozowanych danych pogodowych. Dzięki temu firma, podpisując umowy z odbiorcami energii, może deklarować odpowiednio większą albo mniejszą moc wyjściową z większą pewnością, że będzie w stanie dotrzymać tych zobowiązań, nie narażając się na kary w razie ich niespełnienia.

Symulacje na replikach

Drugim pod względem popularności zastosowaniem cyfrowych bliźniaków są symulacje systemów. Przeprowadza się je na etapach ich tworzenia albo eksploatacji w celu ich optymalizacji. Dotyczy to przede wszystkim dużych, skomplikowanych systemów. Przykładami są symulacje nowych fabryk, na etapie ich planowania i istniejących, przed wprowadzeniem w nich zmian. Cechą wspólną takich systemów jest współzależność dużej liczby zmiennych, która powinna zostać uwzględniana w ich wirtualnych odwzorowaniach. To pozwala na testowanie wielu scenariuszy „co by było, gdyby” bez konieczności wprowadzania rzeczywistych zmian, a dzięki temu bez narażania zasobów i aktywów na skutki nietrafionych decyzji projektowych.

Przykładem dla tej grupy zastosowań cyfrowych bliźniaków jest replika wykorzystana przez firmę Siemens Mobility przy okazji realizacji zamówienia na pociągi dużych prędkości dla niemieckiego operatora kolejowego Deutsche Bahn. Na potrzeby tego kontraktu opracowano nową architekturę sterowania składami. By ją przetestować, Siemens opracował cyfrowego bliźniaka, który replikował funkcjonalność w sumie kilkudziesięciu różnych podsystemów pociągu. Przeprowadzając na nim symulację działania nowego systemu sterowania, firma, jak oszacowano, mogła zaoszczędzić nawet kilka milionów dolarów.

Konserwacja i wizualizacja

Część z analizowanych cyfrowych replik jest wykorzystywana w konserwacji. W tym zastosowaniu ich głównym zadaniem jest zapewnienie wsparcia na etapie utrzymaniu ruchu. To często obejmuje także jakąś formę prognozowania. Tego typu wirtualne odwzorowania są projektowane pod kątem zapewnienia efektywności operacyjnej systemu, na przykład przez wspieranie pracowników podczas zaplanowanych przestojów, jak też niespodziewanych usterek, przez dostarczanie im szczegółowych informacji o fizycznym zasobie albo systemie. Cyfrowe bliźniaki są oprócz tego wykorzystywane w konserwacji predykcyjnej, która pozwala zapobiegać awariom przez wykrywanie ich pierwszych oznak, ale zanim jeszcze do nich dojdzie.

Ważnym zastosowaniem wirtualnych replik jest również wizualizacja systemów. W tym zakresie wykorzystuje się techniki obrazowania 3D, by zapewnić wgląd w aktualne warunki pracy systemu w sposób jak najbardziej intuicyjny. Przykład takiego odwzorowania to projekt włoskiego operatora kolejowego, firmy Ferrovie dello Stato. Stworzyła ona cyfrową kopię infrastruktury kolejowej, którą zarządza. Na podstawie danych z licznych czujników, takich jak kamery i odbiorniki GPS, replikuje ona tysiące kilometrów torów, stacje, tunele, mosty, sygnalizację, zwrotnice i inny sprzęt kolejowy oraz systemy informatyczne, które to wszystko koordynują. Cyfrowy bliźniak pomaga w zdalnym zarządzaniu koleją, tak by unikać sytuacji niebezpiecznych, a zarazem zapewnić terminową obsługę pasażerów.

Symulacje na etapie projektu

Wirtualne kopie zyskują także na znaczeniu w opracowywaniu nowych i ulepszonych produktów. W tym zastosowaniu są wykorzystywane do symulowania różnych wersji projektów potencjalnego przyszłego wyrobu przed jego wykonaniem. Dzięki temu eliminuje się konieczność tworzenia prototypów, które pozwoliłyby przetestować cechy produktu pod kątem oczekiwań. To z kolei umożliwia sprawdzenie tysięcy, a nawet milionów modeli produktów, szybciej i przy nieporównywalnie mniejszym koszcie niż w przypadku testowania fizycznych pierwowzorów.

Monika Jaworowska