Цифровой двойник: для чего служит и как создается?
Цифровой двойник — это виртуальная копия любого материального (а иногда и нематериального) объекта, процесса или явления. Это одна из технологий, часто упоминаемых в контексте четвертой промышленной революции, которая происходит прямо сейчас. Цифровой двойник (digital twin) помогает вовремя выявлять проблемы, прогнозировать изменения и в итоге делать бизнес эффективнее. Разберемся, как и за счет чего это происходит.
Что такое цифровой двойник и чем он отличается от цифрового профиля
Хотя о технологии цифровых двойников сейчас говорят очень много, не всем до конца понятно, что это такое. Сходство определения с другим термином — «цифровой профиль» — добавляет путаницы. Пора внести ясность и рассказать, чем одно отличается от другого.
Из истории
Концепция использования цифровых двойников возникла еще в прошлом веке, когда в НАСА стали применять симуляцию космического корабля при строительстве, испытаниях и запуске [1] . Впоследствии, по мере цифровизации бизнеса, интерес к этой идее возобновился. Но создание полноценной цифровой копии объекта в реальном времени стало возможно только с развитием искусственного интеллекта, машинного обучения и интернета вещей, поскольку эти технологии тесно взаимосвязаны.
Точного определения цифрового двойника не существует — толкования термина в разных источниках отличаются. Можно сказать, что это непрерывно меняющийся цифровой профиль, который содержит текущие и исторические данные об объекте или процессе. Изменяемость объясняется тем, что digital twin регулярно обогащается вновь поступающей информацией: документами, фото и видео, сведениями о транзакциях, данными о геолокации и тому подобным. Таким образом, цифровой двойник наиболее достоверно описывает текущее состояние объекта или процесса, однозначно его идентифицирует. Более того, он может предсказывать будущее поведение объекта при различных изменениях. Это свойство основано на возможностях искусственного интеллекта и машинного обучения.
Цифровая копия сопровождает объект (процесс) на протяжении всего его жизненного цикла. Предположим, речь идет о строительстве здания. Цикл начинается с выделения финансирования и заканчивается эксплуатацией. На всех этапах этого процесса постоянно появляются данные: договоры, счета, фотографии, схемы, отчеты, записи с камер. Информация регулярно обновляется: устаревшие сведения сменяются другими, более актуальными. Цифровой двойник представляет весь этот набор данных — структурированных, очищенных от ошибок и дублирования. Он характеризует точное состояние объекта в текущий момент и фиксирует любые изменения.
Цифровая копия необязательно воспроизводит свойства и состояние материальных предметов (людей, зданий, продуктов, оборудования). Можно создать виртуальный двойник системы или процесса — например, распространения коронавируса.
Связующим звеном между физическим объектом и его цифровой копией служит интернет вещей. На основе информации, которая поступает с датчиков, с помощью алгоритмов машинного обучения моделируется поведение двойника, идентичное поведению реального объекта.
Существуют разные виды цифровых двойников. Например, прототип представляет свойства и параметры будущего, еще не существующего объекта. Он используется при проектировании и создании изделий. Другой вид — экземпляр — служит копией конкретного реального объекта и сопровождает его в течение всего жизненного цикла, меняясь вместе с ним. Наконец, существуют агрегированные экземпляры — двойники нескольких объектов. Они позволяют моделировать групповое поведение, которое далеко не всегда равно простой сумме индивидуальных закономерностей [2] .
В чем заключаются преимущества цифровых двойников и каким образом они помогают повышать эффективность бизнеса? Вот лишь несколько возможностей, предоставляемых этой технологией:
- Цифровой двойник точно показывает, как работает объект. Это позволяет заметить и вовремя устранить неисправности или слабые места. С помощью цифровой копии можно увидеть ошибки еще до того, как продукт будет запущен в производство. Благодаря этому предприятие экономит ресурсы и увеличивает эффективность производственных процессов. Различие между результатами физических и виртуальных, осуществляемых посредством цифрового двойника испытаний составляет, как правило, около 5% [3] .
- С помощью электронной копии можно удаленно управлять объектом, менять его свойства, даже находясь физически в другой точке мира.
- Digital twin продукта или изделия позволяет отслеживать процесс его использования клиентами. Это предоставляет неограниченный потенциал для оптимизации.
- Наконец, цифровая копия прогнозирует будущее поведение объектов, а значит, дает возможность быть на шаг впереди времени.
- Цифровой двойник дает возможность проводить эксперименты над объектом: разрушать, уничтожать, воспроизводить неограниченное количество раз, находить правильное решение в определенной ситуации.
- Цифровой двойник позволяет разобраться со всеми свойствами, особенностями и возможностями реального объекта: как «эффект присутствия», но без физического перемещения объекта.
Чем цифровые двойники отличаются от цифровых профилей (или цифровых паспортов)? Последние достаточно давно используются в промышленности: с их помощью обычно осуществляют мониторинг состояния эксплуатируемых изделий. Цифровой профиль тоже описывает поведение физического объекта или процесса, но его прогностические возможности ограничены. Он обладает только памятью, иначе говоря, «помнит» лишь то, что уже происходило. Цифровой профиль может предсказать поведение объекта в тех условиях, в которых производился сбор данных, то есть, как правило, в стандартных. Но с его помощью нельзя прогнозировать, например, аварийные ситуации. А вот цифровой двойник позволяет моделировать даже те условия, в которых объект никогда не эксплуатировался. Поэтому его предсказательный потенциал обладает большей ценностью.
У цифрового двойника есть еще одно свойство, отличающее его от цифрового профиля. Он «знает», какие данные нужны для получения необходимых результатов и как их правильно собирать. Цифровой двойник сам подскажет, какие датчики, маяки и метрики устанавливать на объект, как и где именно это следует делать. Цифровой профиль такими возможностями не обладает [4] .
Статистика
В 2017 году Министерство энергетики США представило данные о результатах внедрения цифровых двойников. Статистические исследования показали, что за год производительность оборудования выросла на 20%, расходы на его техобслуживание сократились на 25%, сроки незапланированных простоев уменьшились на 35%, а влияние аварий ‒– на 70% [5] .
Особая разновидность — цифровой профиль человека . Это набор информации о физическом лице, собранной из баз разных учреждений. Цифровой профиль может содержать личные данные (Ф. И. О., дату и место рождения, пол), реквизиты документов (паспорт, ИНН, СНИЛС, водительское удостоверение и др.), сведения о доходах, кредитную историю. Информация автоматически обновляется при ее изменении в базах учреждений. Цифровые профили клиентов востребованы банками, страховыми компаниями, финансовыми организациями, продавцами товаров и услуг. Они упрощают получение информации, помогают ускорить обслуживание, снизить риски при выдаче кредитов, обеспечивают актуальность данных в картотеке. Использование цифровых профилей удобно и для клиентов: электронные анкеты заполняются автоматически, ошибки при вводе исключены.
Как создается цифровая копия
Технология создания цифрового двойника зависит от свойств физической сущности, для которой необходимо сделать виртуальную копию. Например, авиационный электродвигатель — отдельный, но сложный объект; для описания его работы требуются непростые математические вычисления. А если нужно создать, предположим, модель системы автоматизации сортировочного центра, подход будет иным: здесь каждый из элементов (транспортная линия) сам по себе не представляет сложности, но важно их бесперебойное слаженное взаимодействие как в нормальных, так и в экстремальных условиях. Это должно учитываться при разработке цифрового двойника, ведь одна из его важнейших задач — предупреждать проблемы еще до начала эксплуатации.
Для создания цифрового двойника объекта или системы необходимы:
- сама физическая сущность с установленным комплектом датчиков, метрик;
- специальное программное обеспечение — платформа;
- постоянная связь между физическим и цифровым оборудованием.
Процесс создания цифровой копии всегда начинается с обследования объекта (системы, процесса), изучения всех его свойств и особенностей функционирования. Разработчики действуют совместно с техническими специалистами на стороне заказчика, так как последние хорошо разбираются в предмете и знают, какие проблемы могут возникнуть с его эксплуатацией.
На основе математического описания сущности, после сбора данных телеметрии с датчиков создается линейная или древовидная модель будущего цифрового двойника. Пока она еще статична и показывает то, как устроен объект, как расположены в пространстве его элементы.
Затем статичную модель превращают в динамическую, «оживляя» ее описаниями рабочих процессов. На этом этапе исследуются все возможные варианты поведения объекта как в обычной, так и в нештатной или аварийной ситуации. Технические специалисты пишут сценарии и составляют чек-листы для проверки работоспособности, проводятся различные виды тестовых испытаний. Впоследствии, во время пусконаладки реального объекта (если речь об оборудовании), это поможет экономить до 90% времени [6] .
С написанием динамической симуляционной модели процесс создания цифрового двойника не заканчивается. Виртуальная копия продолжает жить параллельно со своим прототипом и развиваться вместе с ним. Прежде чем вносить изменения в реальную систему, их тестируют на двойнике, экономя таким образом время и деньги.
Вот лишь пара примеров применения цифровых двойников. В аэрокосмической отрасли технология используется для того, чтобы отслеживать самолеты, точно определять погоду, вовремя обнаруживать (и даже прогнозировать) неисправности. Это позволяет сводить к минимуму простои оборудования. Например, голландской авиакомпании KLM удалось при помощи цифровых копий вдвое сократить случаи задержки и отмены рейсов [7] . А в логистике технология помогает повысить производительность за счет мониторинга веса: благодаря моделированию транспортные компании точно знают, какая максимальная нагрузка допустима в том или ином случае, следовательно, им не нужно ограничивать вес грузов ради перестраховки.
Цифровые двойники физических объектов уже не фантастика, а реальность. Технология будущего активно используется в производстве, банковском деле и других сферах. Благодаря цифровым копиям изделий, оборудования, производственных, финансовых, логистических процессов бизнес становится эффективнее, а продукты и услуги — качественнее.
