Digital twin – co cyfrowy bliźniak może wnieść do przemysłu?

Przewiduje awarie, zanim jeszcze wystąpią. Ułatwia projektowanie produktu i przyspiesza proces wprowadzenia go na rynek. Pionierami w tej dziedzinie są NASA i Formuła 1. Co jeszcze potrafi cyfrowy bliźniak? Odpowiadamy w tym artykule.

We współczesnych czasach właściwie każdy produkt oraz proces prowadzący do jego powstania jest niepowtarzalny. Czy jednak na pewno? Niekoniecznie. Dzięki rozwojowi technologii cyfrowych możliwe jest bowiem wierne skopiowanie praktycznie każdego procesu, systemu, zasobu fizycznego, produktu lub usługi. Taka wirtualna kopia wycinka realnego świata to właśnie cyfrowy bliźniak – dynamiczne połączenie świata fizycznego i cyfrowego.

Digital twin jest jednak czymś więcej niż tylko geometrycznym modelem istniejącego realnie bytu. To dokładne odwzorowanie cech obiektu lub procesu, sposobu funkcjonowania oraz możliwych problemów z nimi związanych, aktualizujące się w określonych odstępach czasowych poprzez dane dostarczane z czujników. Im więcej miejsc poboru danych i im częściej są pobierane, tym bliższy swojemu realnemu desygnatowi jest digital twin.

Niezależnie od tego, jak szeroki zakres obejmie digital twin, jego sens istnienia w przemyśle jest podobny: zyskujemy dzięki niemu cyfrową reprezentację, której można użyć, aby zdobyć więcej wiedzy i głębszy wgląd w swoją produkcję.

Choć zjawisko cyfrowych bliźniaków kojarzone jest (i słusznie) z Internetem Rzeczy, jego początki sięgają dużo wcześniej, do czasów, gdy błyskawiczna wymiana ogromnej ilości danych pozostawała wciąż w sferze marzeń. Cofnijmy się zatem w przeszłość, do lat 60. ubiegłego wieku.

Houston, mamy… bliźniaka!

Pierwsze znane zastosowanie koncepcji, która potem ewoluowała do znanych obecnie rozwiązań digital twins, związane jest z NASA i programem Apollo. W ramach niego wykonano „bliźniaki” między innymi Modułu Dowodzenia, Modułu Księżycowego oraz pojazdu kołowego do przemieszczania się po powierzchni Lunar Rovera. Cel był prosty: możliwość odwzorowania na Ziemi procesów zachodzących w przestrzeni kosmicznej, by w ten sposób służyć wsparciem technicznym astronautom.

Jak pewnie domyśli się każdy, kto widział film „Apollo 13”, koncepcja ta okazała się trafna: model adaptera filtru dwutlenku węgla stworzony przez personel naziemny został potem skopiowany przez załogę misji, co pozwoliło jej wrócić bezpiecznie na Ziemię.

Terminu „digital twin” użyto w 1998 r. w odniesieniu do cyfrowego głosu Alana Aldy. Cztery lata później, na prezentacji w Uniwersytecie Michigan, doktor Michael Grieves zdefiniował cyfrowe bliźniaki jako model koncepcyjny pozwalający zarządzać całym cyklem życia produktu (Product Lifecycle Management).

Cyfrowy bliźniak – sposób na pole position w biznesie?

Kolejnym pionierem wytyczającym szlaki w wykorzystywaniu digital twins jest Formuła 1. Wirtualne odwzorowania bolidów pozwalają skutecznie analizować ich możliwe zachowanie w różnych warunkach, ostrzegać o awariach, zanim one nastąpią, czy wreszcie efektywniej wykorzystywać terabajty danych zebrane podczas wyścigów.

Jak nietrudno się domyślić, rozwiązania digital twins stosowane w F1 doskonale sprawdzają się w całej branży motoryzacyjnej. Wielu producentów już teraz tworzy cyfrowe bliźniaki dla nowych modeli swoich samochodów, by w ten sposób dokonywać pogłębionych analiz prototypów. Mariaż motoryzacji z cyfrowymi bliźniakami jest jednak dużo mocniejszy: w dużej mierze opiera się na nim choćby rozwój technologii pojazdów autonomicznych.

Przykłady realnych, udanych wdrożeń digital twins można mnożyć. Brytyjskie przedsiębiorstwo naftowe BP w Angoli zredukowało w ten sposób o jedną czwartą czas potrzebny na prace inżynieryjne, oszczędzając tym samym aż 135 milionów dolarów rocznie. 

Producent żywności i środków czyszczących Unilever podczas pilotażu w jednej z fabryk zwiększył w ten sposób produktywność, generując oszczędności na poziomie 2,8 miliona dolarów. Warto zwrócić też uwagę na szybkość tworzenia wirtualnych kopii – cyfrowy bliźniak jednego oddziału Unilever jest gotowy w miesiąc.

Digital twins w praktyce: od jednej maszyny do całego miasta

Cyfrowe bliźniaki w przemyśle pozwalają zmienić metodę prób i błędów we w pełni usystematyzowane działania, umożliwiające kontrolę całego trybu życia produktu, polepszanie jego jakości i dalszy rozwój. Wcześniej, aby stworzyć dopracowany produkt, nierzadko konieczne było przygotowanie fizycznego prototypu i modyfikowanie go po każdym etapie testów. Koncepcja digital twins przenosi ten proces do wirtualnej rzeczywistości, pozwalając zaoszczędzić koszty operacyjne oraz bezcenny czas.

Co również ważne, cyfrowe bliźniaki mogą obejmować praktycznie dowolny zakres funkcjonowania przedsiębiorstwa.

Trzy poziomy cyfrowych bliźniaków w przemyśle

• Cyfrowy bliźniak zasobu, który chcemy usprawnić, na przykład ważnej maszyny lub urządzenia będącego „wąskim gardłem” w procesach produkcyjnych. Stworzenie cyfrowej kopii będzie przydatne przy wdrażaniu kolejnych urządzeń tego typu.
• Cyfrowy bliźniak procesu – modele wszystkich maszyn biorących udział w określonym procesie.
• Cyfrowy bliźniak biznesu – zdigitalizowane odwzorowanie całej strategii biznesowej przedsiębiorstwa, łącznie z rozproszeniem geograficznym.

Gdzie więc leży granica możliwości cyfrowych bliźniaków? Jak pokazuje przykład Las Vegas – bardzo daleko. Miasto to zaprezentowało niedawno cyfrowego bliźniaka o powierzchni… siedmiu kilometrów kwadratowych. Ten spory wycinek śródmieścia „stolicy hazardu” ma służyć jako model do analizowania i przewidywania scenariuszy związanych ze zużyciem energii, ograniczeniem emisji hałasu, kontrolą ruchu, parkowaniem czy wreszcie zarządzaniem kryzysowym.

Z kolei władze 6-milionowego Singapuru dzięki tej technologii mogą monitorować funkcjonowanie autonomicznych taksówek czy wydajność paneli słonecznych, a nawet przeprowadzać symulacje klęsk żywiołowych i katastrof w ruchu drogowym.

Jakie są realne korzyści z digital twins?

• Elastyczność, jaką dają digital twins, sprawia, że poziom złożoności i obszar objęty przez cyfrowego bliźniaka zależy głównie od możliwości oraz potrzeb przedsiębiorstwa. Zastanówmy się teraz, w jakich aspektach funkcjonowania przedsiębiorstwa cyfrowe bliźniaki mogą okazać się pomocne:
• oczywistym wydaje się monitorowanie maszyn, procesu lub całego biznesu w czasie rzeczywistym i praktycznie z dowolnego miejsca,
• złożone dane z procesu produkcyjnego pozwolą zidentyfikować ewentualne awarie, jakie mogą wydarzyć się podczas niego, a więc skuteczniej zarządzać oceną ryzyka,
• duże zbiory danych to idealny materiał do analiz i tym samym lepszego prognozowania newralgicznych sytuacji, planowania konserwacji, wymiany podzespołów itd.,
• w oparciu o dane dostarczone przez cyfrowe bliźniaki firmy mogą tworzyć strategie finansowe, zarządzać procesem zakupowym i szeroko pojętym rozwojem biznesu,
• ułatwiony proces testowania produktów pozwala na szybsze ich wprowadzanie na rynek. Równocześnie testy mogą uwzględniać więcej zmiennych, co przekłada się na wyższy poziom zadowolenia klientów.

Czy warto mieć cyfrowego bliźniaka?

Przy wdrożeniu rozwiązań z zakresu digital twins ważna jest realna ocena możliwości technicznych przedsiębiorstwa, szczególnie w kwestii przepływu informacji. Kolejny czynnik, na który należy zwrócić uwagę, to jasne zdefiniowanie newralgicznych obszarów, które powinny być priorytetowe dla digital twin.

Jednak w dłuższej perspektywie czasowej przemysł na cyfrowych bliźniakach może tylko zyskać: pozwolą one obniżyć koszty operacyjne, zwiększyć efektywność produkcji, zmniejszyć ryzyko przestojów oraz skrócić czas wprowadzania produktu na rynek. Trudno o lepsze „rodzeństwo” w biznesie.