Реферат понятие цифрового двойника практика применения

Обновлено: 04.07.2024

Концепция Цифрового двойника

Концепция Цифрового двойника была предложена в 2002 году Майклом Гривзом из Мичиганского университета [1]. С момента появления Интернета вещей (IoT) данная концепция претерпела существенную эволюцию. И сегодня под термином Цифрового двойника понимают динамическую виртуальную модель системы, процесса или услуги. Для облегчения анализа, быстрого решения проблем и разработки планов по усовершенствованию технологий концепция Цифрового двойника требует включения в виртуальную модель системы коммерческих, контекстных данных и информации от датчиков из физических систем (или процессов). Цифровой двойник дает возможность осуществлять в реальном времени мониторинг систем и процессов, а также своевременный анализ данных для предотвращения проблем до их возникновения (так называемая предиктивная аналитика); позволяет планировать профилактический ремонт с целью сокращения и предотвращения простоев; планировать будущие обновления и осуществление новых разработок.

С появлением Интернета вещей (IoT) внедрение Цифровых двойников стало экономически выгодным, и технология стала получать все большее признание в сообществе Промышленного Интернета вещей (IIoT), делающем упор на большое, сложное и капиталоемкое оборудование. По данным Gartner [2], к 2021 году почти половина крупных промышленных компаний будут использовать технологию Цифровых двойников с целью упрощения оценки производительности системы и технических рисков, достигая при этом повышения эффективности системы примерно на 10%.

Рис. 1. Концепция Цифрового двойника в структуре MBSE (модельно-ориентированного системного проектирования)

Как видно из рис. 1, Цифровой двойник связывает физическое и цифровое оборудование. Физическое оборудование включает физическую систему, бортовые и внешние датчики, коммуникационные интерфейсы и другую технику, работающую в открытой среде с доступом к данным GPS. Информация об эксплуатации и обслуживании физической системы передается в цифровое оборудование для обновления виртуальной модели Цифрового двойника. Таким образом, Цифровой двойник становится точной и актуальной копией физической системы, которая также отражает эксплуатационный контекст физического оборудования. Наличие постоянной связи Цифрового двойника с физическим прототипом позволяет в динамике отслеживать производительность и данные о техническом обслуживании каждого физического аналога, выявлять и сообщать об отклонениях, а также планировать техническое обслуживание.

Комбинируя данные из различных источников информации, Цифровой двойник может непрерывно прогнозировать состояние работоспособности и оставшийся срок службы технического изделия. Сравнивая прогнозируемые и фактические данные обратной связи, Цифровой двойник может прогнозировать реакции системы на критически важные для безопасности события, а также для выявления новых проблем на ранней стадии, когда они еще не достигли критического состояния.

В контекст работы Цифрового двойника включена отдельная имитационная/системная модель для моделирования различных сценариев работы физического объекта. Знания, полученные в условиях эксплуатации, используются для изменения параметров этой модели (для калибровки модели).

Уровни цифрового двойника

Уровень

Степень сложности модели

Физический близнец

Данные, получаемые от физического близнеца

Машинное обучение (настройки оператора)

Машинное обучение (система/ среда)

1 — доцифровой двойник

2 — Цифровой двойник

Виртуальная модель физического близнеца

Производительность; работоспособность; ТО; пакетные обновления

3 — адаптивный Цифровой двойник

Виртуальная модель физического близнеца с адаптивным интерфейсом

Производительность; работоспособность; ТО; обновления в режиме реального времени

4 — умный Цифровой двойник

Виртуальная модель физического близнеца с адаптивным интерфейсом и обучением

Производительность; работоспособность; ТО; данные об окружающей среде; пакетные обновления и обновления в режиме реального времени

Модели виртуальной системы могут быть разного уровня сложности: от упрощенных до полномасштабных. Облегченные модели отражают упрощенную структуру (например, упрощенную геометрию) и упрощенную физику (например, модели пониженного порядка). В концепцию Цифрового двойника входит также ряд автоматизированных и неавтоматизированных процессов, осуществляемых в производственных условиях. Данные о производительности, обслуживании и техническом состоянии могут быть собраны с физического близнеца и переданы Цифровому двойнику. Эти данные включают характеристики рабочей среды и состояние отдельных узлов технического объекта.

Цифровой двойник (ЦД) имеет существенные отличия от традиционных CADмоделей или расчетных CAEмоделей:

ЦД — это виртуальная копия конкретного изделия, которая отражает структуру, производительность, текущее рабочее состояние, историю технического обслуживания и ремонта;
ЦД помогает планировать профилактическое обслуживание, основываясь на знании истории технического обслуживания изделия и наблюдениях за его работой;
ЦД позволяет отслеживать изделие между фазами жизненного цикла посредством связи, обеспечиваемой цифровым потоком данных;
ЦД позволяет персоналу дистанционно устранять неисправности оборудования и выполнять дистанционное обслуживание;
ЦД объединяет данные, поступающие через Интернет вещей с данными физической системы, например, для оптимизации процессов обслуживания и производства и для определения того, какие изменения необходимо произвести в конструкции изделия.

Уровни сложности Цифрового двойника

Сегодня любую цифровую версию системы, компонента или объекта называют Цифровым двойником. При такой широкой интерпретации возникает естественный вопрос об уровне виртуальной репрезентации физического объекта. В приведенной таблице представлены уровни Цифрового двойника вместе с характеристиками, которые определяют каждый уровень.

Доцифровой двойник

Уровень 1 — это традиционный виртуальный прототип, создаваемый на этапе предварительного проектирования. Он помогает принимать решения при разработке концепции и предварительного проекта. Виртуальный прототип — это универсальная виртуальная модель создаваемой, еще только предполагаемой системы. Обычно такая модель создается раньше физического прототипа. Ее основная цель состоит в том, чтобы уменьшить технические риски и выявить проблемы на стадии предварительного проектирования. Такой виртуальный прототип можно условно назвать доцифровым двойником. На рис. 2 представлен пример виртуальной репрезентации автомобиля 1го уровня с использованием библиотеки Planar Mechanics от Modelica. Эта системная модель включает упрощенную модель фрикционного контакта шины, простую модель дифференциальной передачи для равномерного распределения крутящего момента по колесам и отражает такие свойства, как инерция, масса, фиксированное перемещение и крутящий момент. Таким образом представляется базовая структура транспортного средства с массовоинерционными характеристиками. Такие модели с низкой точностью могут применяться в алгоритмах испытания, планирования и принятия решений, связанных, например, с управлением траекторией автономных транспортных средств, выполняющих перестроение между полосами движения.

Рис. 2. Виртуальная модель транспортного средства, построенная с использованием библиотеки Planar Mechanics с открытым исходным кодом

Цифровой двойник

Уровень 2 — это Цифровой двойник, в котором виртуальная модель системы способна объединять данные о производительности, работоспособности и обслуживании физического близнеца. Сбор данных от физических датчиков и вычислительных элементов физического близнеца включает как данные о работоспособности (например, текущий уровень заряда АКБ), так и технические характеристики (например, пробег автомобиля). Данные передаются Цифровому двойнику, который обновляет свою модель, включая график технического обслуживания физической системы. Цифровой двойник 2го уровня используется для изучения поведения физического близнеца в различных вероятных сценариях. На рис. 3 представлен пример модели 2го уровня системы легкового автомобиля. Эта модель построена с применением библиотеки интерфейса транспортного средства от Modelica и включает легковой автомобиль с гибридной силовой установкой.

Рис. 3. Модель Цифрового двойника, созданная с использованием открытой библиотеки интерфейса транспортного средства

Адаптивный Цифровой двойник

Адаптивный Цифровой двойник 3го уровня располагает адаптивным пользовательским интерфейсом (в духе модели умного устройства) для физических и Цифровых двойников. Адаптивный пользовательский интерфейс восприимчив к предпочтениям и приоритетам пользователя/оператора. Ключевой возможностью на этом уровне является способность изучать предпочтения и приоритеты операторов в разных контекстах. Предпочтительные характеристики фиксируются с помощью алгоритма машинного обучения на основе технологии нейронных сетей. Модели, используемые в таком Цифровом двойнике, постоянно обновляются на основе данных, получаемых от физического близнеца в режиме реального времени.

Умный Цифровой двойник

На 4м уровне находится умный Цифровой двойник. Он обладает всеми возможностями Цифрового двойника 3го уровня (включая контролируемое машинное обучение), но наряду с этим он наделен способностью машинного неконтролируемого обучения, благодаря чему распознает объекты и шаблоны, встречающиеся в рабочей среде. Кроме того, он поддерживает обучение и распознавание состояний системы и окружающей среды с подкреплением сигналами от среды взаимодействия в неопределенной, частично наблюдаемой среде. На этом уровне Цифровой двойник обладает высокой степенью автономии.

Цифровой двойник и системное моделирование

Для того чтобы предсказать, как физический близнец будет работать в реальных условиях, инженеры могут использовать моделирование в сочетании с технологиями Цифрового двойника [3]. Это не сравнимо с традиционным процессом проектирования, при котором приходилось полагаться лишь на знание об идеальных и возможных наихудших условиях эксплуатации.

Дополняя Цифровой двойник данными с физического близнеца, инженеры могут совершенствовать системные модели и впоследствии использовать результаты анализа, произведенного с помощью Цифрового двойника, для улучшения работы физической системы в реальном мире. Важной функцией моделирования является оценка ожидаемого срока службы системы. В этом плане Цифровой двойник может отслеживать свою подверженность отказам в зависимости от износа физического близнеца. С помощью моделирования Цифровой двойник способен оценить оставшийся срок службы физического близнеца и заранее составить график технического обслуживания. Другими словами, обслуживание по состоянию может использоваться для оценки того, как долго физическая система способна нормально функционировать. Эти знания можно использовать, чтобы заблаговременно запланировать и выполнить отключение системы, вместо ожидания того, когда физический близнец сам выйдет из строя, что может повлечь серьезные финансовые потери и даже привести к катастрофе.

Цифровой двойник и численное моделирование

Сегодня математическое моделирование стало ключевым компонентом Цифровых двойников. Для создания моделей пониженного порядка, которые применяются при создании системных моделей, Цифровой двойник может использовать результаты детальных трехмерных численных расчетов, выполненных с применением многодисциплинарных CAEрешателей, например, от компании Ansys. При этом надо понимать, что для одного и того же физического компонента возможно существование нескольких разных моделей, в зависимости от задачи, для решения которой они созданы. Для примера Цифровой двойник электродвигателя может включать несколько имитационных моделей: механическую модель — для проверки механической устойчивости ротора или крепления двигателя; электрическую модель — для расчета электромагнитных полей и результирующих сил; тепловую модель — для оценки количества тепла, выделяемого вследствие электрических потерь.

Цифровой двойник и Интернет вещей (IoT)

Интегрирование технологии Цифровых двойников с Интернетом вещей позволяет получать данные, необходимые для понимания того, как физический близнец (например, производственная сборочная линия, сеть автономных транспортных средств) ведет себя и работает в условиях эксплуатации. Кроме того, совместное применение Интернета вещей и Цифровых двойников поможет оптимизировать профилактическое обслуживание для совершенствования физического объекта и бизнеспроцессов. Действуя как мост между физическим и виртуальным миром, Интернет вещей может передавать данные о производительности, обслуживании и работоспособности от физического близнеца к цифровому. Объединение аналитики реальных данных с прогнозным моделированием может улучшить способность принимать обоснованные решения, которые потенциально могут привести к созданию более эффективных систем, разработке оптимизированных производственных операций и новых бизнесмоделей. Кроме того, Интернет вещей обеспечивает гибкость, столь необходимую, когда речь идет о мобильности системы, ее расположении и вариантах монетизации. Подобная гибкость способствует созданию новых вариантов бизнеса, таких, например, как продажа возможностей (то есть продукта как услуги). Например, Caterpillar продает возможность перемещать породу/сыпучие материалы (то есть услугу) в противовес простой продаже оборудования (то есть продукта).

Важно отметить, что комбинация Цифрового двойника и Интернета вещей позволяет организации получить представление о том, как система/продукт используется клиентами. Такое понимание позволит клиентам оптимизировать график технического обслуживания и применение ресурсов, заблаговременно прогнозировать возможные сбои продукта и избегать/сокращать простои системы. В конечном счете, Цифровой двойник — это основное средство, позволяющее с течением времени улучшать обслуживание системы, опираясь на опыт ее эксплуатации и историю обслуживания.

Возможно, самые большие потенциальные преимущества Интернета вещей лежат в сфере услуг. Например, служба, которая непрерывно получает данные о рабочем состоянии системы, может быть эффективной в обеспечении экономии затрат и высокой отказоустойчивости. Аналогично можно, например, использовать прогнозную аналитику для предварительного подбора и быстрой доставки требуемой детали обслуживающей бригаде.

Перспективы

В будущем можно ожидать, что технология Цифровых двойников станет центральной как в предварительном проектировании (например, при разработке концепции системы и для верификации модели) и при испытаниях (например, для валидации системы с помощью модели), так и в обслуживании системы (например, обслуживании по состоянию) и интеллектуальном производстве. Кроме того, в ближайшем будущем ожидается, что с целью осуществления более эффективного предиктивного обслуживания и проектирования технология Цифровых двойников будет интегрироваться с процессами производства и технического обслуживания. Например, Цифровые двойники помогут организациям перейти от планового обслуживания к обслуживанию по техническому состоянию, что существенно сократит затраты на обслуживание системы и повысит ее отказоустойчивость.

Анализ существующих сред 3D моделирования и проектирования. Методики разработки цифровых двойников. Моделирование и текстурирование модели. Разработка программного приложения в среде Unity на основе цифрового двойника с пользовательским интерфейсом.

Рубрика	Программирование, компьютеры и кибернетика
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	10.06.2020
Размер файла	18,5 M

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

HTML-версии работы пока нет.
Cкачать архив работы можно перейдя по ссылке, которая находятся ниже.

Подобные документы

Изучение работы цифрового интерфейса, способ осуществления помехоустойчивого кодирования. Выбор среды программирования. Разработка структуры программного обеспечения и методики его тестирования. Создание алгоритмов работы имитатора цифрового канала связи.

дипломная работа [2,7 M], добавлен 10.09.2011

Разработка цифрового измерительного устройства на базе ПЛИС QUARTUS II 9.1SP2 WEB EDITION. Схема подключения МК ATMEGA8515. Схема включения буфера RS-485. Расчёт потребляемой мощности. Разработка программного кода для микроконтроллера ATmega8515.

курсовая работа [491,5 K], добавлен 03.06.2015

Применение клаузуры как графического начерка для образной характеристики сооружения в окружающей среде. Возможности трехмерного моделирования: визуализация предметов, ландшафтов, технических процессов. Программное обеспечение для цифрового моделирования.

презентация [1,6 M], добавлен 27.11.2012

Расчет параметров моделирования в системе Fortran. Описание алгоритма и математической модели системы, их составляющих. Моделирование шума с заданной плотностью распределения вероятностей. Выполнение моделирования работы системы при входном сигнале N(t).

курсовая работа [896,3 K], добавлен 20.06.2012

Описание языков программирования Java и JavaFX. Среда разработки NetBeans и класс численных методов. Архитектура и принцип работы апплета с понятным пользовательским интерфейсом. Разработка алгоритма программы на примере модели межвидовой конкуренции.

В настоящее время разные сферы производства активно внедряют данные технологии в свою деятельность. С учетом того, что с каждым годом уровень использования цифровых ресурсов становится выше, цифровые двойники стали неотъемлемой частью строительства, экономики, сферы обслуживания и многих других направлений. С помощью данного продукта цифровой деятельности происходит оптимизация многих рабочих процессов. Например, цифровые двойники позволяют человеку увидеть виртуальный мир, что многократно сокращает затраты его ресурсов при планировании какого-либо проекта. Цифровые двойники помогают предприятиям решать их физические задачи с минимальными потерями. Их активно применяют в сферу обслуживания, для быстрой и качественной работы с клиентами. С этим типом интеллектуального архитектурного проектирования компании могут реализовывать ценность и выгоды итеративно и быстрее, чем когда-либо прежде [1].

Анализируя на результаты исследований, можно утверждать, что тема цифровых двойников актуальна, и она будет актуальна до тех пор, пока человечество не перерастет из информационного общества во что-то совершенно иное.

Исходя из теории, цифровые двойники – это виртуальный прототип реальных производственных активов – скважины, турбины, ветроэлектрической установки и т.д. Это сложный программный продукт, создается он на основе самых разнообразных данных и с помощью многочисленных IoT-датчиков.

Тему цифровых двойников обсуждают многие авторы, и некоторые из них считают, что промышленные и научные определения отличаются по своей сути. Одно из них представляет интегрированную модель данного продукта, что должно отражать производственные дефекты и возможный износ данного продукта [2]. Второе определяет понятие цифрового двойника как цифровая модель физического объекта с поддержкой датчиков, что позволяет показывать объект в режиме реального времени [2]. Есть вероятность того, что эксперты, которые внедряют данную технологию в разные сферы жизнедеятельности человека, могут опираться как на одно, так и на второе определение цифрового двойника.

Несмотря на всю сложность данного цифрового явления, оно стало неотъемлемой частью многих сфер человеческой жизни. Применение цифровых двойников можно отследить в проектировании, в логистике, в экономике, в сфере обслуживания. Сейчас человек сталкивается с этим везде. Рассмотрим одно из направлений использование цифровых двойников.

Несколько лет цифровые двойники используются в сфере промышленного дизайна и испытания. По мнению экспертов, каждая деталь сложной конструкции тщательно создается, а за тем проходит испытания на прочность и выносливость [3]. Помимо этого, объемные и дорогостоящие детали, на создание которых уходит большое количество временного ресурса, можно заменить на трехмерную модель, то есть на цифрового двойника. Использование цифровых двойников гарантирует на 95% точность прогноза реакции оборудования на эксплуатационные нагрузки и снижение эксплуатационных расходов 5-10%.

Если говорить о сферах деятельности, которые близки к жизни человека, то здесь цифровые двойники также играют немаловажную роль. Так как цифровой двойник является виртуальной копией любого объекта, процесса и даже самого человека, то его можно встретить в медицине. На данный момент разные направления медицины либо внедрили, либо на пути к использованию цифровых двойников.

Рассмотрим использование цифровых двойников в лечении аутизма. По данным CDC у 1% или 70 млн жителей планеты выявлено расстройство аутистического спектра, то есть этим людям тяжело коммуницировать с внешним миров, но им необходима медицинская помощь. Инновационные технологии предлагают таким людям использовать VR -устройства, с помощью которых пациенты смогут проходить социализацию, находясь в безопасной для них территории. Oculus финансирует похожие проекты. Как мы видим, сфера применения цифровых двойников безгранична и неисчерпаема.

Нас заинтересовала эта тема, потому что общество все больше внедряет технологии, которые основываются на цифровых двойниках. Начиная с атомной энергетики, заканчивая сферой обслуживания. Как мы видим, сейчас самые разные сферы человеческой деятельности переплетаются с цифровизацией. Благодаря цифровым двойникам развитие общества сделало огромный скачок вперед, что благоприятно отразилось во многих сферах.

По последним данным, в следующем году может стартовать проект по дублированию основных документов человека в цифровые аналоги [4]. Данный проект предложил глава Минцифры Максут Шадаев, основываясь на том, что данную технологию применили в период самоизоляции в виде цифровых пропусков. По его словам, цифровые документы будут храниться в приложении, и в 9 из 10 случаев их можно будет использовать вместо тех, которые будут на бумажном носителе. Нам кажется, что данная идея достаточно интересна, за исключением увеличения риска утечки данных.

Опасность использования цифровых двойников касается не только документов, но и многих других аспектов жизни общества. С ростом цифровизации человек все больше полагается на технику, что приводит к проблемам разного масштаба. Нельзя сказать, что система использования цифровых двойников идеальна, нет, но все чаще происходят неприятные ситуации из-за человеческого фактора.

С каждым годом область применения цифровых двойников становится все более обширной. Благодаря данному цифровому явлению общество сможет:

прогнозировать с существенно более высокой степенью достоверности состояние объекта, возможные нештатные ситуации, оперативно на них реагировать, снижая угрозы безопасности, здоровью людей и окружающей среде;

более точно рассчитывать экономику проекта и управлять ею;

выявлять слабые звенья и улучшать конструктивные особенности;

сократить время внедрения необходимых изменений [5].

Но все же не стоит забывать, что нерациональное использование цифровых двойников может приводить к проблемам, которые, если их вовремя не решить, могут повлечь за собой серьезные последствия.

Michael W. Grieves Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication – LLC, 2014

Кокорев Д. С., Юрин А. А. Цифровые двойники: понятия, типы и преимущества для бизнеса 2019

Что такое цифровые двойники

Дабы нас минула судьба древнего Вавилона, нам нужно говорить на одном языке, когда мы обсуждаем цифровых двойников. Вот моё любимое определение цифровых двойников, которое, с моей точки зрения, сжато и точно улавливает их сущность:

Цифровой двойник – это синхронизированная виртуальная модель любых объектов, систем, людей, процессов и сред. Цифровой двойник отслеживает прошлое и предсказывает будущее.

Это короткое определение содержит несколько важных идей, на которых нужно остановиться подробнее:

Канонический пример цифровых двойников

Этот пример демонстрирует, что цифровые двойники созданы для достижения конкретных бизнес-целей, например: максимальное использование площади рабочего помещения, в сочетании с увеличением удовлетворенности клиентов посредством точного прогнозирования доступности помещения (что спасает клиентов от неблагоприятного опыта когда они приезжают в полностью заполненный офис). Помимо всего прочего, при изменении бизнес целей тот же объект реального мира будет иметь другого цифрового двойника.

История цифровых двойников

Цифровые двойники сегодня

Возвращаясь к современности, нужно отметить, что растущая популярность цифровых двойников в их современном понимании совпала с пиком популярности интернета вещей и искусственного интеллекта в своеобразном цикле зрелости технологии (Hype Cycle) компании Gartner. Обратите внимание, что и интернет вещей и машинное обучение занимают высокие позиции в Gartner Hype Cycle за 2015 год.

В 2016 году цифровые двойники вошли в Gartner Hype Cycle и уже к 2018 году оказались на самом верху кривой.

Что вы можете создать с помощью цифровых двойников?

Современное поколение услуг, создаваемых посредством цифровых двойников в Azure, поддерживает сложные доменные модели, показанные на архитектурной диаграмме выше. Кроме того, о скором релизе следующего поколения услуг цифровых двойников Azure было объявлено на недавнем мероприятии Microsoft Build 2020.

В заключение хочется сказать: сейчас нам, создателям технологических решений, нужно быть готовыми помогать нашим клиентам успешно внедрять их инициативы с использованием цифровых двойников. А что ВЫ создадите с помощью цифровых двойников, чтобы изменить жизнь к лучшему?

Автор: Podnozov Andre, Senior consultant

Андрей живет в Сиэтле и работает IoT Архитектором в компании Luxoft, a DXC Technology Company. Он помогает клиентам успешно внедрять IoT решения, в поддержку их инициатив Цифровой трансформации. Андрей имеет более 20 лет опыта в распределенных и облачных технологиях, а также исследовательский опыт в научной и коммерческой среде. В результате работы в двух крупнейших облачных провайдерах, Андрей имеет сертификат Архитектора как в Azure, так и в AWS. Недавно он помог компании Microsoft создать новый экзамен для сертификации AZ-220: Azure IoT Developer Specialty.

Читайте также: