“DIGITAL TWIN” TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING

ТЕХНОЛОГИЯ «ЦИФРОВОЙ БЛИЗНЕЦ» ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

Обзорная статья

Магомадов В.С. *

 ORCID: 0000-0002-7542-6896,

Чеченский государственный университет, Грозный, Россия

* Корреспондирующий автор (vmagomadov[at]gmail.com)

Аннотация

Одной из самых заметных технологий в контексте Четвертой промышленной революции (также известной как Индустрия 4.0) является технология, называемая «Цифровым близнецом». Эта технология является особенно уместной в плане производства, и в данной статье, основное внимание уделяется применению этой технологии именно в этой области. Статья объясняет, что из себя представляет цифровой близнец, а также, рассматривает несколько различных определений этого феномена. Затем, данная технология сравнивается с некоторыми другими технологиями, также считающимися частью Индустрии 4.0, и рассматриваются основные различия и сходства. Завершается данная статья рассмотрением ценности цифрового близнеца для бизнеса.

Ключевые слова: цифровой близнец, цифровой двойник, производство, Интернет вещей, большие данные, бизнес

“DIGITAL TWIN” TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING

Review article

Magomadov V.S.*

ORCID: 0000-0002-7542-6896,

Chechen State University, Grozny, Russia;

* Corresponding author (vmagomadov[at]gmail.com)

Abstract

The technology called Digital Twin is one of the most promising ones in the context of the Fourth Industrial Revolution (also known as Industry 4.0). This technology is particularly appropriate in terms of manufacturing, and in this article, the main attention is paid to its application in this area. The author explains what a digital twin is like and considers several different definitions of this phenomenon as well. Besides, this technology is compared with some other ones, also considered as the part of Industry 4.0; their main differences and similarities are considered. The paper concludes with a discussion of the value of the digital twin for business.

Keywords: digital twin, digital twins, manufacturing, Internet of things, big data, business

Введение

Сегодня, многие промышленные предприятия начинают внедрять цифровые технологии в свою деятельность, и в этом обстоятельстве, когда многие процессы принимают цифровую форму, многие компании пытаются найти новые способы для предоставления пользы. С точки зрения предоставления пользы, цифровые решения могут быть большой помощью для компаний, и такое обстоятельство является беспрецедентным. Эти подключенные смарт-технологии обеспечивают пользу, которая не могла быть достигнута до их изобретения. Одной из самых интересных технологий, вызывающих в последнее время особый интерес у производственных предприятий, является технология, известная как «цифровой близнец» [1].

В недавнем прошлом, технология цифрового близнеца не была возможностью для многих компаний, поскольку она требует обработки огромных объемов данных, что было невозможно из-за таких ограничений, как хранение данных и цены на пропускную способность. Однако, сейчас эти ограничения оказывают гораздо меньшее влияние, и компании могут воспользоваться преимуществом этой технологии [1].

Технология «цифровой близнец» имеет большое значение по следующим причинам:

• При условии, что цифровой близнец применяется правильно, он способен подключаться к бэкенд-приложениям компаний для получения бизнес-результатов [2].
• Цифровой близнец позволяет визуализировать функции машин и устройств, включая более крупные взаимосвязанные системы, такие как производственные предприятия и аэропорты [2].
• Это позволяет задавать модели вопросы типа «что-если», моделируя различные условия, которые было бы нецелесообразно строить в реальности [2].

Создание цифрового близнеца для того, чтобы применить его ко всем процедурам предприятия, может быть сложной задачей, которая потребовала бы много времени и усилий. Более эффективный подход заключается в его применении в одном качестве, получении пользы в этом качестве, и дальнейшем развитии. Однако, для того, чтобы выполнить эти задачи, не перегружая себя, компаниям крайне важно разобраться с понятием цифрового близнеца, прежде чем предпринимать какие-либо шаги по его созданию. Что такое цифровой близнец, как его можно построить, как извлечь из него выгоду, и какие приложения уже используются, обсуждается далее в статье [3].

Определение цифрового близнеца

В настоящее время, существуют различные способы определения этой технологии. Например, некоторые люди определяют его, как виртуальную модель продукта, цель которой заключается в выявлении любых недостатков продукта, пока он находится на начальной стадии разработки, и постоянном обновлении его. Он также определяется, как цифровая модель, имитирующая объект в реальной жизни, предназначенная для представления физического объекта [4].

Эта технология отличается от САПР (система автоматизированного проектирования) и любых технологий Интернета вещей, которые в настоящее время доступны на рынке. Считается, что цифровой близнец может предложить гораздо больше, чем обе эти технологии.

Истинный потенциал этой технологии заключается в ее способности обеспечить всеобъемлющую связь между реальной жизнью и цифровой сферой. Вполне возможно, что благодаря этой связи, непредсказуемость будет измеряться более эффективно. Кроме того, благодаря тому, что компьютеры, в настоящее время, стоят дешевле, и обладают вычислительной мощностью получше, они могут получать обратную связь о продукте в режиме реального времени, и проводить его автономную экспертизу. Это то, что не может быть достигнуто с помощью методов, доступных нам в настоящее время.

Сложные свойства и процедуры, которые по-разному взаимодействуют со своим окружением, могут быть смоделированы с помощью цифрового близнеца. Можно построить цифровые близнецы в самых разных условиях, чтобы выполнить различные задачи. Например, эта технология иногда используется для имитации карьерных самосвалов и реактивных двигателей, чтобы оценить, на что они способны в реальной жизни [5].

Ценность технологии для бизнеса

Прежде чем компании будут инвестировать в эту технологию, они должны понять, какую пользу она может принести для бизнеса, и как они могли бы воспользоваться ею. Как этот новый метод может помочь компании изменить способы осуществления своей деятельности и извлечь из нее пользу для бизнеса? До недавнего времени, создание цифрового близнеца требовало больших затрат и не предоставляло так уж много преимуществ. Однако, теперь, когда есть больше возможностей для хранения больших данных и цены на вычислительную технику снизились, можно получить большую коммерческую пользу от использования этой технологии [6].

Когда предприятия принимают во внимание коммерческую ценность этой технологии, они должны делать акцент на проблемах, связанных с производительностью и ситуацией на рынке.

Одним из главных преимуществ цифрового близнеца является то, что он не устает и не застаивается. Однако, то же самое нельзя сказать о физических активах или людях. Эта технология всегда находится в процессе обучения и выполнения анализа данных на объектах, которые она моделирует, и это приводит к появлению новых возможностей для бизнеса [7].

Основные сложности

ИТ-инфраструктура. ИТ-инфраструктура – это один из самых важных аспектов разработки эффективного цифрового близнеца, способного выполнять поставленные перед ним задачи. Для того, чтобы эта технология была успешной и позволяла предприятиям извлекать из нее выгоду, крайне важно иметь хорошо связанную и бесперебойно работающую ИТ-инфраструктуру [1].

Инженерия. Производственный процесс часто непредсказуем, и меняется в результате постоянно меняющихся потребительских предпочтений, технологий и дизайна продукта. Непредсказуемость часто усугубляется законодательством и различиями между странами. Такая непредсказуемость приводит к еще большим сложностям в производственном процессе, и для преодоления этих сложностей требуется разработать структуру, которая является еще более сложной [8].

Стандартизация. Разработка стандартов имеет решающее значение, поскольку по мере того как технология становится все более и более распространенной, возникает вопрос о совместимости. Цифровой близнец в значительной степени зависит от технологий Интернета вещей, т.е. он получает данные от интеллектуальных продуктов и устройств, которые включены в Интернет вещей. Однако, нынешнее состояние стандартов в области Интернета вещей требует значительного усовершенствования, и это, конечно же, влияет на стандартизацию цифрового близнеца [9].

Обмен данными. Не будет преувеличением говорить, что одним из самых больших барьеров производства в наши дни является обмен данными, поскольку это основано на отношении людей (культурном и личном) к нему, что, в свою очередь, оказывает влияние на политику компании в отношении того, как обмениваться данными. Таким образом, обмен данными превращается в серьезную проблему для данной технологии. Сложность обмена данными мешает разработчиками находить более интегрированные идеи [10].

Реальные примеры использования цифрового близнеца

Компания MAN Truck & Bus, являющаяся ведущим поставщиком коммерческих транспортных средств в Европе, использует данную технологию в рамках своей цифровой трансформации. Компания уже предприняла шаги по переходу на консолидированную систему управления данными продукта и обеспечению более быстрого и легкого доступа к данным с помощью ролевых приложений [11].

На данный момент, компания изучает использование умных, подключенных продуктов и создание цифрового близнеца. До этих пор они работали над подключенным грузовиком, сочетающим в себе GPS и другую реальную информацию из сфер машиностроения, и производства. Это сочетание цифрового и физического пространств позволяет компании MAN определить, когда и где возникают проблемы, и отправить полученную информацию в производство [11].

Между тем, Компания Hirotec, производящая автомобильные двери, выхлопные компоненты и прочие, использует цифровой близнец для мониторинга своего оборудования в цехе. Компания обычно проверяла каждую из производимых ею выхлопных систем вручную, но этот процесс был слишком трудоемким [11].

Таким образом, разработчики компании Hirotec внедрили усовершенствованную роботизированную систему, которая включала в себя датчики зрения, лазерные измерительные датчики и датчики силы для проверки выхлопных систем. Эта роботизированная система, в конечном итоге, собрала более 465 точек данных для каждой проверки. С помощью цифрового близнеца, компания измеряет эти точки данных в соответствии с проектными требованиями, чтобы проанализировать тенденции каждой точки контроля и определить возможности для внесения улучшений. Это значительно сократило время, необходимое для внесения улучшений: если раньше на сбор данных и изучение потенциальных улучшений уходил месяц, то теперь этот процесс завершается в течение недели [11].

Вышеуказанные компании отмечают, что для успешного внедрения данной технологии необходимо преодолеть определенные барьеры. Одним из таких барьеров считается то, насколько «цифровизированными» являются операции компании, и только преодолев данный барьер, можно говорить о внедрении цифрового близнеца. Это означает, что компании необходимо облегчить поиск и доступ к данным о продукте. Цифровое определение продукта позволяет легко консолидировать все данные, создавая полную основу для стратегии трансформации [1], [11].

Еще один барьер заключается в распространении данных о продукции по всему предприятию для обеспечения всеобщего доступа к данным. Всеобщий доступ к данным повышает производительность и позволяет заинтересованным сторонам принимать более быстрые и эффективные решения [11].

Обсуждение

Эта технология добилась определенных успехов в своем развитии, что также подтверждается количеством работ, опубликованных в этой области. Кроме того, есть лидеры отрасли, внесшие значительные инвестиции в развитие этого направления. Сферы искусственного интеллекта и Интернета вещей также были главными движущими силами этой технологии. Производство является основным направлением исследований в этой области, о чем свидетельствует большинство опубликованных работ. Когда речь заходит об использовании этой технологии в таких областях, как здравоохранение и умные города, содержание публикуемых работ заметно отличается от производства. Этот пробел можно было бы использовать как возможность заставить эту технологию работать в сочетании с искусственным интеллектом. Есть публикации, в которых обсуждается рассматриваемая технология в сочетании с искусственным интеллектом, но объем таких работ невелик. Большая часть исследований в этой области в будущем, вероятно, будет посвящена тому, как масштабировать маленькие цифровые близнецы, которые были успешно реализованы. Отсутствие стандартизации является одним из наиболее важных выводов этого исследования, и решение этих вопросов стандартизации будет решающим шагом на пути к успеху этой технологии [9], [10].

Заключение

Внедрение цифрового близнеца может привести к большой коммерческой пользе для бизнеса и предоставить инновационные способы получения прибыли. Благодаря достижениям в области технологий и стоимости, которая значительно ниже, чем она была в прошлом, предприятия могли бы сэкономить большую часть своих денежных активов в процессе разработки цифрового близнеца. Технология цифрового близнеца имеет много применений в жизненном цикле продукта и может дать ответы на многие вопросы, которые ранее были неразрешимы, и одновременно предоставляя пользу, которая считалась недостижимой еще не так много лет назад. Таким образом, вопрос заключается не в том, следует ли компании использовать эту технологию или нет, а в том, как они могли бы использовать ее таким образом, чтобы получить от нее выгоду в кратчайшие сроки и превзойти своих конкурентов. Однако, решение этой задачи не является легким и на это потребуется много времени, усилий и средств.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Магомадов В. С. Технология «Цифровой близнец» / В. С. Магомадов // Сборник материалов IV Международной научно-практической конференции «BI-технологии и корпоративные информационные системы в оптимизации бизнес-процессов цифровой экономики. – 2019. – С. 17–18.
2. Стасишина Ю. Эра трансформеров: «цифровые близнецы» уже рядом [Электронный ресурс] / Ю. Стасишина // Sciencepop. – 2017. – URL: https://sciencepop.ru/era-transformerov-tsifrovye-bliznetsy-uzhe-ryadom/ (дата обращения: 23.05.2020).
3. Вичугова А. Цифровизация производства и цифровые двойники: объединяем PLM, IoT и Big Data [Электронный ресурс] / А. Вичугова // Bigdataschool. – 2020. – URL: https://www.bigdataschool.ru/bigdata/digital-twin-plm-iot-big-data.html (дата обращения: 23.05.2020).
4. Кокорев Д. С. Цифровые двойники: понятие, типы и преимущества для бизнеса / Д. С. Кокорев, А. А. Юрин // Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». – 2019. – № 10-2 (34). – С. 101–104.
5. Прохоров А. Цифровая трансформация. Анализ, тренды, мировой опыт. / А. Прохоров, Л. Коник. – Litres, 2019. – С. 34–35.
6. Джиджелаева Л. Д. Цифровая трансформация в сфере публичного управления / Л. Д. Джиджелаева, А. В.Родин // Сборник материалов III международной конференции интернет-конференции «Проблемы экономического роста и устойчивого развития территорий». – 2019. С. 97 – 100.
7. Чернов А. В. Управление информатизацией предприятия с использованием архитектурных подходов / А. В. Чернов, В. И. Ананьин, С. М. Авдошин, Е. Ю. Песоцкая. – Москва: АСИТЭКС, 2018. – С. 455–456.
8. Соловьев С. Цифровые двойники в промышленности: сегодня и завтра [Электронный ресурс] / С. Соловьев // Икс Медиа. – 2019. – URL: http://www.iksmedia.ru/articles/5585041-Czifrovye-dvojniki-v-promyshlennost.html (дата обращения: 23.05.2020).
9. Шмотин Ю. Цифровой двойник на производстве: задачи, вопросы, перспективы [Электронный ресурс] / Ю. Шмотин // Управление производством. – 2019. – URL: http://www.up-pro.ru/library/information_systems/project/d7fb9dd59e1ffa29.html (дата обращения: 23.05.2020).
10. Брук П. Цифровые двойники, основанные на симуляции мультифизических процессов [Электронный ресурс] / П. Брук // САПР. – 2019. – URL: https://sapr.ru/article/25888 (дата обращения: 23.05.2020).
11. Пайк Дж. Всё, что вам нужно знать о цифровом близнеце [Электронный ресурс] / Дж. Пайк // PTC. – 2018. – URL: https://www.ptc.com/en/windchill-blog/all-you-need-to-know-digital-twin (дата обращения: 29.05.2020).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Magomadov V. S. Tekhnologiya «Tsifrovoy bliznets» [Digital twin technology] / V. S. Magomadov // Sbornik materialov IV Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «BI-tekhnologii i korporativnyye informatsionnyye sistemy v optimizatsii biznes-protsessov tsifrovoy ekonomiki [Proceedings of the IV International Scientific and Practical Conference “BI-technologies and corporate information systems in optimizing business processes in the digital economy]. – 2019. – P. 17–18. [in Russian]
2. Stasishina YU. Era transformerov: «tsifrovyye bliznetsy» uzhe ryadom [The era of transformers: “digital twins” are already nearby] [Electronic resource] / Y. U. Stasishina // Sciencepop. – 2017. – URL: https://sciencepop.ru/era-transformerov-tsifrovye-bliznetsy-uzhe-ryadom/ (Date accessed: 23.05.2020). [in Russian]
3. Vichugova A. Tsifrovizatsiya proizvodstva i tsifrovyye dvoyniki: ob"yedinyayem PLM, IoT i Big Data [Digitalization of production and digital twins: combine PLM, IoT and Big Data] [Electronic resource] / A. Vichugova // Bigdataschool. – 2020. – URL: https://www.bigdataschool.ru/bigdata/digital-twin-plm-iot-big-data.html (Date accessed: 23.05.2020). [in Russian]
4. Kokorev D. S. Tsifrovyye dvoyniki: ponyatiye, tipy i preimushchestva dlya biznesa [Digital doubles: concept, types and advantages for business] / D. S. Kokorev, A. A. Yurin // Natsional'nyy issledovatel'skiy yadernyy universitet «MIFI» [National Research Nuclear University “MIFI”]. – 2019. – № 10-2 (34). – P. 101–104. [in Russian]
5. Prokhorov A. Tsifrovaya transformatsiya. Analiz, trendy, mirovoy opyt [Digital transformation. Analysis, trends, world experience]. / A. Prokhorov, L. Konik. – Litres, 2019. – P. 34–35. [in Russian]
6. Dzhidzhelayeva L. D. Tsifrovaya transformatsiya v sfere publichnogo upravleniya [Digital transformation in the field of public administration] / L. D. Dzhidzhelayeva, A. V.Rodin // Sbornik materialov III mezhdunarodnoy konferentsii internet-konferentsii «Problemy ekonomicheskogo rosta i ustoychivogo razvitiya territoriy» [Proceedings of the III international conference of the Internet conference "Problems of economic growth and sustainable development of territories."]. – 2019. P. 97 – 100. [in Russian]
7. Chernov A. V. Upravleniye informatizatsiyey predpriyatiya s ispol'zovaniyem arkhitekturnykh podkhodov [Management of enterprise informatization using architectural approaches] / A. V. Chernov, V. I. Anan'in, S. M. Avdoshin, Ye. YU. Pesotskaya. – Moskva: ASITEKS, 2018. – P. 455–456. [in Russian]
8. Solov'yev S. Tsifrovyye dvoyniki v promyshlennosti: segodnya i zavtra [Digital doubles in industry: today and tomorrow] [Electronic resource] / S. Solov'yev // Iks Media. – 2019. – URL: http://www.iksmedia.ru/articles/5585041-Czifrovye-dvojniki-v-promyshlennost.html (Date accessed: 23.05.2020). [in Russian]
9. Shmotin YU. Tsifrovoy dvoynik na proizvodstve: zadachi, voprosy, perspektivy [Digital twin in production: tasks, questions, prospects] [Electronic resource] / YU. Shmotin // Upravleniye proizvodstvom. – 2019. – URL: http://www.up-pro.ru/library/information_systems/project/d7fb9dd59e1ffa29.html (Data accessed: 23.05.2020). [in Russian]
10. Bruk P. Tsifrovyye dvoyniki, osnovannyye na simulyatsii mul'tifizicheskikh protsessov [Digital twins based on the simulation of multiphysical processes] [Electronic resource] / P. Bruk // SAPR. – 2019. – URL: https://sapr.ru/article/25888 (Date accessed: 23.05.2020). [in Russian]
11. Pike J. Vso, chto vam nuzhno znat' o tsifrovom bliznetse [All you need to know about the digital twin] [Electronic resource] / J. Pike // PTC. – 2018. – URL: https://www.ptc.com/en/windchill-blog/all-you-need-to-know-digital-twin (Date accessed: 29.05.2020).