چگونه دوقلوهای دیجیتال سیستم های فیزیکی را بهبود می بخشند

این فناوری نوظهور دنیای فیزیکی و دیجیتال را به گونه‌ای ادغام می‌کند که پتانسیل تغییر بسیاری از صنایع را دارد.

نسل طولانی فناوری‌ها و ابزارهایی وجود دارد که برای مدل‌سازی دنیای فیزیکی از جمله نقشه‌ها، نمودارها و مدل‌های CAD استفاده می‌شوند. همچنین راه‌های زیادی برای استفاده از فناوری برای مدل‌سازی سیستم‌های دنیای واقعی و پیش‌بینی وجود دارد، از جمله شبیه‌سازهای معاملات مالی، پیش‌بینی‌کننده‌های آب و هوا، و مدل‌های الگوی ترافیک.

وقتی این دو قابلیت را در کنار هم قرار می دهید – ترکیب یک نمایش دیجیتال از یک سیستم دنیای فیزیکی و مدلی که شرایط خروجی را بر اساس ورودی های گرفته شده از محیط فیزیکی شبیه سازی می کند – یک دوقلو دیجیتال. یک دوقلو دیجیتال به شما امکان می‌دهد سیستم را در برابر طیف وسیعی از موقعیت‌های دنیای واقعی اعتبارسنجی کنید.

مهندسان از دوقلوهای دیجیتال در تولید، ساخت و ساز، انرژی، حمل و نقل، پزشکی، علم و سایر صنایع برای توسعه محصولات و اعتبارسنجی سیستم های دنیای واقعی استفاده می کنند. این ممکن است علمی تخیلی به نظر برسد، اما با پیشرفت در یادگیری ماشین، مدل‌سازی سیستم، حسگرهای اینترنت اشیا (IoT)، پلتفرم‌های جریان داده، فناوری‌های شبیه‌سازی، و زیرساخت‌های ابری، دوقلوهای دیجیتالی هر روز رایج‌تر می‌شوند.

برای جدا کردن واقعیت از داستان، با چندین متخصص تماس گرفتم تا در مورد دوقلوهای دیجیتال و نحوه استفاده تیم‌های مهندسی و کسب‌وکار امروزه از آنها اطلاعاتی را به اشتراک بگذارم.

یک دوقلو دیجیتال چیست؟

پریت بانرجی، مدیر ارشد فناوری در Ansys، دوقلوهای دیجیتالی را به عنوان “یک کپی متصل و مجازی از یک موجودیت فیزیکی در حال خدمت، مانند دارایی، کارخانه یا فرآیند. حسگرهای نصب شده روی موجودیت، داده‌ها را به یک مدل شبیه‌سازی شده (دوقلو دیجیتال) جمع‌آوری می‌کنند تا تجربه دنیای واقعی آن محصول را منعکس کنند.”

فرای یک کپی، دوقلوهای دیجیتال همان جریان‌های داده بلادرنگ را مانند سیستم‌های دنیای فیزیکی دریافت می‌کنند. سیمون کرازبی، مدیر ارشد فناوری شنا، در تعریف خود بر روی این جنبه از دوقلوهای دیجیتال تمرکز دارد. او می‌گوید: «یک دوقلو دیجیتال عامل زنده‌ای است که به‌طور پیوسته رویدادهای جریانی را از «چیز» در دنیای واقعی، همانطور که در متن دریافت می‌شوند، تجزیه و تحلیل می‌کند و نتایج را در زمان واقعی به دیگر عوامل، برنامه‌ها و رابط‌های کاربری تحویل می‌دهد. این دوقلوهای دیجیتال همیشه وضعیت فعلی دنیای واقعی را به دقت منعکس می‌کنند.»

دوقلوهای دیجیتال چه نوع مشکلاتی را حل می کنند؟

کراسبی دو روش را برای استفاده از دوقلوهای دیجیتال به اشتراک می‌گذارد: واقعیت افزوده و نماهای بی‌درنگ کل سیستم‌ها. برنامه های واقعیت افزوده چندین مورد کاربرد عملی دارند. او می‌گوید: «دوقلوهای دیجیتال به‌عنوان پوشش‌های دیجیتالی در زمان طراحی برای استفاده در برنامه‌های واقعیت افزوده تصور شدند: برای مثال، مهندس در حال تعمیر موتور جت».

واقعیت افزوده می‌تواند به آموزش مهندسان یا شبیه‌سازی روش‌ها قبل از اجرای آن‌ها در دنیای واقعی کمک کند. واقعیت افزوده و دوقلوهای دیجیتال کاربردهایی در تولید، پزشکی، انرژی و هر زمان که آموزش‌ها و رویه‌های پیچیده روی تجهیزات گران قیمت انجام می‌شود، یا زمانی که ایمنی انسان یک عامل حیاتی است، کاربرد دارد.

کراسبی روش گسترده تری برای تفکر در مورد دوقلوهای دیجیتال به اشتراک می گذارد. او می‌افزاید: «برنامه‌ها می‌توانند دوقلوهای دیجیتال را به هم پیوند دهند تا مدل‌های قدرتمندی بسازند که نمایش‌های گسترده سیستم را در زمان واقعی ارائه می‌کنند، به عنوان مثال، وضعیت ترافیک فعلی و پیش‌بینی‌شده در یک شهر.

به عبارت دیگر، دوقلوهای دیجیتالی یک شهر هوشمند، مجموعه‌ای است که از پیوند دوقلوهای دیجیتال از ساختمان‌ها، حمل‌ونقل، خدمات دولتی و سایر سیستم‌ها تشکیل می‌شود.

بنرجی اضافه می‌کند که مهندسان از دوقلوهای دیجیتالی برای مدل‌سازی رفتارها و سناریوهای آینده استفاده می‌کنند. او می‌گوید: «دوقلوهای دیجیتال ردیابی رفتار گذشته دارایی را امکان‌پذیر می‌سازند، بینش عمیق‌تری نسبت به زمان حال ارائه می‌دهند و مهم‌تر از همه، به پیش‌بینی و تأثیرگذاری بر رفتار آینده کمک می‌کنند».

تیم‌های مهندسی همچنین از دوقلوهای دیجیتالی برای ارزیابی مبادلات طراحی و ارائه سریع‌تر سیستم‌های تولید استفاده می‌کنند. رابین یمن، یکی از اعضای هیئت مشاوران استراتژیک و مدیر بخش مشاوره فیزیکی سایبری در پروژه و تیم، می‌گوید: ساخت دوقلوهای دیجیتالی برای سیستم‌های فیزیکی سایبری به شرکت‌ها این امکان را می‌دهد تا پیش از اجرا، مبادله‌های چندگانه طراحی را در محیط دیجیتال تأیید کنند، کار مجدد را کاهش داده و به آنها اجازه می‌دهد سریع‌تر ارائه دهند.

دوقلوهای دیجیتال چگونه ایجاد می شوند؟

اندرو کلارک، بنیانگذار مدیر ارشد فناوری Monitaur، بینش هایی را در مورد فرآیند مدل سازی و توسعه یک دوقلو دیجیتال به اشتراک می گذارد. او می‌گوید: «برای ایجاد یک دوقلو دیجیتال، باید یک محیط معرف از شی یا اکوسیستم ساخته شود که مستلزم دانش عمیق حوزه رفتارها و مکانیسم‌های سیستم مورد نظر است. پس از اینکه سیگنال های ورودی در دوقلو دیجیتال گنجانده شد و یک مدل از طریق شناسایی سیستم ها ایجاد شد، برون یابی دقیق یا پیش بینی رفتار آینده سیستم می تواند رخ دهد.”

نمونه‌هایی از ساخت یک دوقلو دیجیتال ممکن است شامل مدل‌های اطلاعات ساختمان باشد. در ساخت و سازهایی که دارای جزئیات سطح شی در تمام اجزای ساختمان مانند درها، پنجره ها یا مصالح هستند. در تولید، یک دوقلو دیجیتال می‌تواند فرآیند کامل تولید، از جمله اتصال به سامانه های اجرایی تولید برای تغذیه در داده های زنده.

دوقلوهای دیجیتال نمی توانند مدل های یکبار مصرف باشند و باید تغییرات ایجاد شده در سیستم دنیای واقعی را منعکس کنند. کلارک می افزاید: «ایجاد دوقلوهای دیجیتالی دقیق یک تلاش بسیار پیچیده است که به تخصص عمیق در حوزه نیاز دارد، در غیر این صورت مدل های غیر معرف و نادرست خواهید داشت. برای مقابله با این شکاف، دوقلوهای دیجیتال اغلب به گونه‌ای پیکربندی می‌شوند که سیستم‌های یادگیری آنلاین باشند، به این معنی که دائماً داده‌های ورودی جدید را به روز می‌کنند و دوباره آموزش می‌دهند.»

اگر به فکر ساختن یک دوقلو دیجیتالی هستید، برنت پوخی، معاون اجرایی و مدیر عامل Nutrien ، پیشنهاد می کند مستقیماً با افراد در عملیات با تخصص عمیق در نحوه عملکرد سیستم ها کار کنید. او می‌گوید: «ساختن یک دوقلو دیجیتال به همان اندازه که به فناوری مربوط می‌شود، مربوط به مردم است. کارشناسان موضوع (عملیات، مهندسان، خدمه میدانی) که این دارایی ها را اداره می کنند چه کسانی هستند؟ به ارمغان آوردن درک عمیق، تجربه و دانش عملی آن‌ها در مورد بهره‌برداری از این دارایی‌ها می‌تواند به اندازه فیدهای داده‌ای که از سیستم‌های OT و SCADA شما می‌آیند، مهم باشد.”

چند مورد استفاده برای دوقلوهای دیجیتال چیست؟

Banerjee چندین نمونه دوقلو دیجیتال را به اشتراک می گذارد. دوقلوهای دیجیتال در مراحل مختلفی از جمله طراحی، ساخت و عملیات و در صنایع مختلف مانند هوافضا، خودروسازی، ساخت و ساز، ساختمان‌ها، زیرساخت‌ها و انرژی استفاده می‌شوند. آنها معمولاً بر انواع اهداف تجاری، از جمله اثربخشی کلی تجهیزات، تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌شده، بازده و بودجه تأثیر می‌گذارند.»

در اینجا نمونه ای از پروژه های دوقلو دیجیتال آمده است.

• سیزده کارشناس موارد کاربردی دوگانه دیجیتال را به اشتراک می گذارند که می تواند در صنایع مختلف از جمله محاسبه عملکرد محصول، شبیه سازی سناریوهای تولید پیچیده، و تسهیل آموزش ترکیبی استفاده شود.
• همکار من ثور اولاوسرود اخیراً داستان های موفقیت دوقلو دیجیتال را از رولز رویس، مارس، انجمن بیمه و مستمری معلمان آمریکا-صندوق بازنشستگی کالج (TIAA)، و علوم زراعی بایر.
• لاس وگاس در حال ایجاد یک دوقلو دیجیتال است تا به آن کمک کند تا به سمت انتشار کربن صفر حرکت کند.
• یک مشارکت عمومی و خصوصی در حال ایجاد یک است دوقلو دیجیتال برای یارد نیروی دریایی بروکلین برای کاهش ردپای انرژی آن.
• در برنامه ریزی شهری، یک استاد دانشگاه A&M تگزاس در حال توسعه یک دوقلوی دیجیتالی از جوامع ساحلی تگزاس برای مطالعه تاب آوری آنها در برابر خطرات طبیعی.
• در تولید، دوقلوهای دیجیتال برای طراحی محصول، مدیریت زنجیره تامین، نگهداری پیش‌بینی‌کننده و تجزیه و تحلیل تجربه مشتری استفاده می‌شوند.
• CenterLine، یک شرکت فناوری و فرآیند اتوماسیون صنعتی کانادایی، از دوقلو دیجیتالی کف کارخانه استفاده کرد تا مسائل مربوط به ابزار را تا ۹۰% و زمان برنامه‌نویسی در کف کارخانه را تا ۷۵% کاهش دهد.
• دوقلوهای دیجیتال مراقبت های بهداشتی را متحول خواهند کرد همانطور که دانشمندان اندام های مجازی را توسعه می دهند، تجربه مراقب را بهبود می بخشند، خطرات دارو را طبقه بندی می کنند، و موارد دیگر.

انتظار دارم نمونه‌های بیشتری از دوقلوهای دیجیتال را ببینم، به‌ویژه زمانی که شرکت‌ها به توسعه و پشتیبانی از محصولات، فرآیندها و سایر محیط‌های فیزیکی پیچیده‌تر فکر می‌کنند.

چگونه توسعه دهندگان و مهندسان توسعه دهنده می توانند دوقلوهای دیجیتال را فعال کنند؟

پلتفرم‌های دوقلو دیجیتال مانند Ansys، Autodesk، Bosch، Dassault Systems، Siemens، و فروشندگان دیگر قابلیت های مدل سازی و شبیه سازی را ارائه می دهند. علاوه بر این، ابرهای عمومی پلتفرم های IoT خود را با قابلیت های دیجیتالی دوقلو، مانند گسترش داده اند. Azure Digital Twins و قلوهای زنجیره تامین Google. معماری های دوقلوی دیجیتال AWS ممکن است شامل Amazon Kinesis Data Streams، Amazon SageMaker، AWS Lambda و سایر خدمات باشد.

تیم‌های فناوری اطلاعات باید زیرساخت‌های مورد نیاز برای اجرای دوقلوهای دیجیتال را در نظر بگیرند. یمن می گوید: «نیاز به ارائه سریعتر محصول همچنان در حال رشد است. با این حال، زمان‌بندی سخت‌افزار و سفت‌افزار می‌تواند سرعت شرکت‌ها را کاهش دهد.”

توسعه‌دهندگان همچنین باید در نظر داشته باشند که اینترنت اشیا و سایر جریان‌های داده بی‌درنگ ممکن است چندین سیستم، از جمله دوقلوهای دیجیتال را تغذیه کنند. این به معنای پیکربندی فناوری جریان داده برای به اشتراک گذاشتن داده‌های بلادرنگ بین سیستم‌های تولید و محیط‌های توسعه و آزمایش دوقلو دیجیتال است.

دوقلوهای دیجیتال یک فناوری نوظهور مهیج هستند که همگرایی بسیاری از فناوری‌های مختلف از جمله یادگیری ماشینی، اینترنت اشیا، جریان داده و واقعیت افزوده را نشان می‌دهد. این دوره جدیدی از نوآوری، ایمنی و کارایی را برای بسیاری از صنایع به ارمغان خواهد آورد.