Digital Twin, czyli „cyfrowy bliźniak” to koncepcja wprowadzona w 2002 roku. Obecnie staje się coraz bardziej istotna dla przemysłu i branży IT, a szczególnie dla inżynierii systemów opartych na modelach. Idea cyfrowego bliźniaka została przedstawiona przez Michaela Grievesa na Uniwersytecie w Michigan, a termin Digital Twins wdrożył w życie w 2010 roku John Vickers z NASA. Od tego czasu technologia ta znacząco ewoluowała, na co niemały wpływ miało również pojawienie się Internetu Rzeczy, czyli systemu urządzeń elektronicznych, które mogą komunikować się i wymieniać dane za pomocą sieci bez udziału człowieka. W praktyce Digital Twin jest programem komputerowym wykorzystującym dane ze świata rzeczywistego do tworzenia symulacji, które mogą przewidzieć, jak będzie działać produkt lub proces. Programy te integrują Przemysł 4.0, sztuczną inteligencję i analitykę oprogramowania. Wraz z postępem uczenia maszynowego i tzw. big data, te wirtualne modele stały się podstawą nowoczesnej inżynierii napędzającej innowacje i poprawiającej wydajność.

Czym jest koncepcja cyfrowego bliźniaka?

Pojęcie Digital Twin można zdefiniować jako ewoluujący cyfrowy profil zachowania fizycznego obiektu lub procesu, który pomaga zoptymalizować wydajność biznesową. Może zapewnić wszechstronne połączenie między światem fizycznym i cyfrowym. Integrując je ze sobą, umożliwia modelowanie oraz monitorowanie w czasie rzeczywistym systemów i procesów, a także terminową analizę danych, aby wyprzedzić problemy, zanim się pojawią. Technologia cyfrowego bliźniaka może obniżyć koszty weryfikacji i testowania systemu, jednocześnie zapewniając wczesny wgląd w jego funkcjonowanie. Dzisiaj stanowi ona integralną część inicjatywy Inżynierii Cyfrowej Departamentu Obrony, która ma na celu połączenie systemów i działań operacyjnych na świecie coraz bardziej połączonych i inteligentnych urządzeń fizycznych. Stworzenie technologii Digital Twin wymaga różnych elementów, w tym:

• czujników rejestrujących zachowanie operacyjne aktywów i procesów (wibracji, temperatury, ciśnienia itp.) wraz z ich środowiskami działania (temperaturą powietrza, wilgotnością itp.);
• sieci komunikacyjnych zapewniających bezpieczny i niezawodny transfer danych z urządzeń fizycznych do świata cyfrowego;
• platformy cyfrowej, która służy jako nowoczesne repozytorium danych gromadzące i przechowujące dane z czujników wraz z danymi biznesowymi (np. MES, ERP). Łącząc te źródła, można uzyskać kompleksowe wnioski do podejmowania decyzji na podstawie danych i przy użyciu zaawansowanych algorytmów sztucznej inteligencji/uczenia maszynowego.

Digital Twin a przemysł

Wiele rodzajów projektów w branży przemysłowej odnosi korzyści z wykorzystania modeli cyfrowych. Znajdują zastosowanie przy projektowaniu fizycznie dużych projektów budynków, mostów i innych skomplikowanych konstrukcji objętych ścisłymi zasadami inżynierii. Technologię Digital Twin wykorzystuje się również przy projektach złożonych mechanicznie – konstruowaniu turbin odrzutowych, samochodów i samolotów. Obsługuje również inne technologie Przemysłu 4.0, pomagając usprawnić całkowitą wydajność wyposażenia (OEE), zmniejszyć ilość odpadów, skrócić czas zmiany partii i udoskonalić jakość produktu. Pozwala na sprawne projektowanie i rozwój, łącząc modele trójwymiarowe z symulacją i emulacją kodu sterującego sprzętem. Może pomóc w poprawie wydajności skomplikowanych maszyn i potężnych silników. Urządzenia energetyczne również mogą korzystać z jej dobrodziejstw. Obejmuje to zarówno mechanizmy wytwarzania energii, jak i jej przesyłania. Digital Twin doskonale sprawdzi się też w usprawnianiu wydajności procesów w środowiskach przemysłowych ze współpracującymi systemami maszynowymi. W związku z powyższym, branże, które osiągają największy sukces dzięki tej technologii to te zaangażowane w produkty lub projekty na dużą skalę, jak inżynieria systemów, motoryzacja, energetyka, produkcja przemysłowa czy budownictwo.

Cyfrowy bliźniak w produkcji

W procesach związanych z wykorzystaniem Digital Twin wykorzystuje się wirtualną i rozszerzoną rzeczywistość, a także grafikę 3D i modelowanie danych, aby zbudować model procesu, systemu, usługi, produktu lub innego obiektu fizycznego. Ten cyfrowy bliźniak stanowi dokładną replikę świata fizycznego. Jego status ten jest utrzymywany dzięki aktualizacjom w czasie rzeczywistym. Służy m.in. usprawnianiu procesów identyfikowalności produktów, testowaniu, walidacji i dopracowywaniu założeń, zwiększeniu poziomu integracji pomiędzy niepołączonymi systemami czy zdalnemu rozwiązywaniu problemów ze sprzętem. W produkcji można wykorzystać technologię cyfrowego bliźniaka na różnych poziomach:

• Poziom komponentów — skupiony na pojedynczym, istotnym elemencie w procesie produkcyjnym.
• Poziom aktywów – tworzenie cyfrowego bliźniaka pojedynczego urządzenia na linii produkcyjnej.
• Poziom systemu – wykorzystanie Digital Twin do monitorowania i ulepszania całej linii produkcyjnej.
• Poziom procesu — obejmuje cały proces produkcyjny, od projektowania i rozwoju produktu po produkcję. Dotyczy to również dystrybucji i użytkowania gotowego produktu przez klientów w całym cyklu życia, a także rozwoju przyszłych produktów.

Digital Twin w inteligentnych miastach

Wykorzystanie i potencjał Digital Twin może być niezwykle efektywnie wykorzystany w tzw. inteligentnych miastach. Można zauważyć stały rozwój łączności za pośrednictwem Internetu Rzeczy i wzrost liczby rozwijanych „smart cities” – im bardziej połączone są społeczności, tym częściej będzie się korzystać z technologii Digital Twin. Mało tego, coraz więcej danych będzie docierać z czujników rozmieszczonych w mieście, co utoruje również drogę do badań mających na celu stworzenie zaawansowanych algorytmów sztucznej inteligencji. Możliwość monitorowania usług i infrastruktury w ramach smart city ma wielką wartość dla wszelkiego rodzaju zabezpieczeń na przyszłość oraz planowania i rozwoju ośrodków miejskich.

Przyszłość Digital Twin

Digital Twin do tej pory został już wykorzystany do rozwiązania wielu problemów technologicznych. Wyzwania te obejmowały próby zmęczeniowe, testowanie odporności na korozję morskich turbin wiatrowych oraz poprawę wydajności w samochodach wyścigowych. Inne zastosowania obejmowały usprawnianie działania szpitali odnośnie do organizacji zadań personelu w celu znalezienia ulepszeń procedur. Nadal można obserwować zachodzące fundamentalne zmiany w istniejących modelach operacyjnych. Przyszłość Digital Twin jest bardzo obiecująca, ponieważ coraz więcej mocy poznawczych jest przeznaczanych na jej poznanie i wykorzystanie. Cyfrowi bliźniacy nieustannie „uczą się” nowych umiejętności i możliwości, co oznacza, że mogą nadal generować informacje potrzebne do ulepszania produktów i wydajniejszych procesów.