Struktura danych, ich przepływ oraz API

Ważnym zadaniem w projektowaniu cyfrowych bliźniaków jest usystematyzowanie organizacji danych oraz modeli. Trzeba opracować metamodel, definiujący reguły dla modeli w różnych przypadkach użycia. Należy określić mechanizmy strukturyzacji oraz modularyzacji danych i rozwiązania, które umożliwią ich rozszerzenie o nowe informacje udostępniane w cyklu życia pierwowzoru. Potrzebne są standardy dotyczące postaci oraz treści danych, które pozwolą na ich wymianę i mechanizmy dostosowywania do nich dostępnych informacji. Określić trzeba też relacje między danymi w ramach cyfrowego bliźniaka.

Trzeba ponadto zorganizować przepływ informacji. Wymagane są m.in.: mechanizmy odbierania danych z wielu źródeł, ich buforowania i łączenia z innymi. Istotna kwestia to ich synchronizacja. Jest wymagana w przypadku danych, którymi wymieniają się cyfrowe bliźniaki z modelowanym obiektem w obu kierunkach, w jakich informacje między nimi przepływają. Ponadto powinno się zaimplementować mechanizm wymiany danych między cyfrowymi bliźniakami, uwzględniając różne typy relacji, jakie mogą je łączyć.

Ważnym aspektem ich projektowania jest udostępnienie API (Application Programming Interface) dla różnego typu aplikacji, na przykład symulacji w czasie rzeczywistym, aplikacji analitycznych, sztucznej inteligencji, które będą wykorzystywać cyfrowe bliźniaki lub będą przez nie używane. Wymagane jest również API do interakcji z: innymi cyfrowymi bliźniakami, w tym od innych dostawców, z modelowanym obiektem, z innymi źródłami informacji. Projektując API, trzeba zaimplementować mechanizmy: dostępu do danych offline i online, masowej i strumieniowej wymiany informacji, interakcji na poziomie chmury (obsługa komunikacji z chmurą, między chmurami), spełniające standardy interfejsów API, ułatwiających współdziałanie pomiędzy dostawcami.

Komunikacja, instancje, bezpieczeństwo

Niezwykle ważnym aspektem cyfrowych bliźniaków jest komunikacja. Projektując je, należy się zatem skupić na takich kwestiach, jak implementacja mechanizmów jednoznacznej identyfikacji cyfrowego bliźniaka i obiektu, który modeluje w celu nawiązania połączenia między nimi oraz rozwiązań automatycznego wykrywania obiektu oraz innych wirtualnych bliźniaków w sieci. Dostosować się trzeba również, to standardów komunikacji, co zapewni interoperacyjność.

Kolejnym zagadnieniem jest możliwość uruchamiania cyfrowych bliźniaków w różnych środowiskach, w chmurze i lokalnie. Zależy ona od kilku czynników. Najważniejsze są: dopuszczalne opóźnienia i wymagany czas odpowiedzi, interoperacyjność i możliwość integracji z innymi systemami, stopień skomplikowania i wymagana moc obliczeniowa. Mechanizm, który trzeba w tym celu zaimplementować, obejmuje zatem rozpoznawanie cyfrowych bliźniaków uruchamianych w różnych środowiskach i komponowanie z nich złożonych modeli. Trzeba ponadto zapewnić wsparcie dla wielopostaciowych modeli, co praktycznie oznacza, że można uruchamiać jednocześnie wiele ich instancji. Jedna z nich przeważnie jest nadrzędną, przechowywaną w repozytorium. Pozostałe są dostosowane do różnych aplikacji, na przykład pracy w trybie offline do celów symulacji lub działania online w zadaniu zdalnego monitorowania.

Trzeba również zadbać o cyberbezpieczeństwo wirtualnych bliźniaków. W tym celu należy zaimplementować: mechanizmy kontroli dostępu do cyfrowych bliźniaków, w obrębie tych dyskretnych, jak i tych, które są z nich skomponowane, w tym tych od różnych dostawców, zabezpieczenia interakcji z odpowiednikiem w rzeczywistości, mechanizmy potwierdzania autentyczności danych, rozwiązania w zakresie bezpiecznej instalacji i aktualizacji.

Przypadki użycia

Podejmuje się liczne próby standaryzacji cyfrowych bliźniaków – na przykład na początku tego roku organizacja IPC ogłosiła wydanie IPC-2551, międzynarodowego standardu dla cyfrowych replik. Usystematyzowanie stawianych im wymogów, środków do ich spełnienia oraz dobrych praktyk z pewnością ułatwi ich projektowanie i zwiększy interoperacyjność. Szczegóły ich implementacji zależą jednak zawsze od wymagań oraz potrzeb danego przypadku użycia. Przykładów tych w przemyśle, w zastosowaniach automatyki poza przemysłem, na przykład w automatyce budynkowej i wielu innych dziedzinach (m.in. medycynie), można podać wiele. Dalej przedstawiamy wybrane z nich.

Jedną ze sztandarowych aplikacji cyfrowych bliźniaków w przemyśle jest wirtualne prototypowanie – zanim podejmie się decyzję o zbudowaniu fizycznego prototypu, tworzy się jego cyfrowy model. Można go wirtualnie testować i ulepszać, nie ponosząc strat, gdy nie spełnia wymagań i potrzebne są dalsze poprawki. Cyfrowe repliki pozwalają też projektować różne wersje produktu. Wirtualnie można oprócz tego sprawdzić ich wykonalność przed wprowadzeniem do produkcji, rozwiązując zawczasu zidentyfikowane problemy, które w rzeczywistości mogłyby zatrzymać cały proces. Testuje się również, jak różne zmiany w jego projekcie mogą wpływać na przebieg, wydajność, jakość, koszty produkcji. Kolejnym zastosowaniem jest poprawa wydajności hal produkcyjnych oraz linii technologicznych. W tym celu ich cyfrowe bliźniaki uruchamia się wirtualnie, zmieniając warunki, wymagania, konfiguracje ciągów technologicznych, ustawienia maszyn.

Optymalizacja i śledzenie zasobów

Cyfrowe bliźniaki hal, linii i całych zakładów produkcyjnych wykorzystuje się także, żeby optymalizować te obiekty pod różnymi kątami. Przykładowo pozwalają ocenić sprawność energetyczną i przetestować sposoby na jej poprawę. Ponadto umożliwiają analizę stanu zasobów (narzędzi, maszyn, innego wyposażenia) i prognozować, jak długo będą się nadawać do użytku, zależnie od warunków eksploatacji i uwzględniając typowy dla nich postęp zużycia. Ułatwia to planowanie konserwacji. Odpowiednie moduły cyfrowych bliźniaków prognozują też awarie, zapobiegając nieplanowanym przestojom.

Kolejnym zastosowaniem cyfrowych modeli jest śledzenie zasobów. Jest przydatne szczególnie w rozległych obiektach, takich jak zakłady przemysłowe i szpitale, w których sprzęt produkcyjny i medyczny dostępny dla wszystkich pracowników często trudno jest zlokalizować, zwłaszcza gdy jest potrzebny nagle. W takim przypadku, dysponując wirtualnym modelem budynku oraz jeśli w sprzęt wbudowano czujniki IoT komunikujące się z cyfrowym bliźniakiem, łatwo jest poszukiwany sprzęt odnaleźć. Dodatkowo można, jeżeli na przykład wymaga tego alarmowa sytuacja, wyznaczyć najkrótszą trasę dotarcia do niego albo powiadomić osoby znajdujące się najbliżej. W ramce przedstawiamy przykłady wykorzystania cyfrowych bliźniaków także poza przemysłem.