Digitální model dvojčat aktuálně rychle vstupuje do výroby a dalších průmyslových odvětví hlavně díky měření a shromažďování velkého množství digitálních dat a informací z funkcí strojů, produkce a plně automatizovaného řízení výrobních linek, které se již přenášejí i do nadřazených serverů či dokonce cloudu mimo samotnou řídicí jednotku a systém dané aplikace. A vzhledem k tomu, že již dnešní návrh a výrobu strojů od prvopočátku doprovází vytváření elektronických modelů a následně jejich simulace a vizualizace před jejich fyzickou výrobou, je zajímavé tyto zdroje i následně dále využít po dodání strojů a linek pro predikci poruch a opotřebení v době již fyzického provozu.
Co je digitální dvojče?
Obecně lze říct, že tzv. Digitální dvojčata (Digital Twins) jsou dynamické digitální nebo virtuální softwarové kopie (repliky) fyzických aktiv, produktů a konstrukcí, které na základě informací získaných ze skutečných běžících systémů virtuálně "stínují" jejich provozní stav a funkci. Velmi zjednodušeno jsou digitální dvojčata digitální (softwarové) pohyblivé kopie fyzického majetku.
Vezměme si například zcela triviální digitalizaci papírových informací. Máme zde například fyzický papírový dokument, který byl nejdříve vytvořen v nějakém textovém editoru v PC a pak následně vytištěn. Nebo případně ručně vytvořený papírový dokument a ten následně naskenován. V obou případech zde máme fyzický papírový dokument a jeho plně elektronickou, prakticky virtuální kopii jeho reálné fyzické verze. Uvažujme zde, že jde například o nějaký úřední dokument, který se musí ještě uchovávat i v papírové podobě. Následně pak lze fyzickou verzi založit do šanonu do nějaké skříně a podobně i jeho elektronickou digitální verzi uložit na archivační disk. Nebo lze fyzických dokument poslat reálně poštou a elektronickou verzi poslat podobně e-mailem. Dále můžeme například fyzický dokument vyhodit a jeho digitální verzi vymazat, protože když dokument již ztratí svojí platnost nemá smysl jej archivovat ve fyzické ani jeho digitální podobě.
To samé platí u digitálního dvojčete, kde (jak název napovídá) máme opět dvě verze stejné „věci“: fyzickou a digitální (virtuální). V tomto případě si pod "věcí" můžeme představit prakticky libovolná fyzická aktiva, jak je známe z internetu věcí a dnes hlavně kyberfyzikálních systémů průmyslového internetu, včetně i například celé inteligentní továrny. Tak, jak se fyzický dokument skládá z papíru a inkoustu a digitální dokument jen z uložených dat na elektronickém médiu, tak i fyzické zařízení je tvořené kovem, plastem, součástkami, zatímco digitální dvojče jen elektronickými daty, jeho přesným digitálním modelem. A tak, jak by se změnil zmíněný papírový dokument, když bychom do něj něco ručně dopsali, tak by se musela i doupravit připsáním i jeho digitální verze, aby obsahovaly stále stejné údaje. Pokud by například do fyzického dokumentu někdo něco "tajně" připsal a tyto informace by pak při kontrole chyběly v digitální verzi, lze například rozeznat neoprávněnou či chybnou manipulci s dokumentem. Podobně tak lze využít digitální dvojče, které bude přijímat stejné informace od senzorů a ovládací povely jako reálným systém a jeho řídicí software bude ve zcela stejné verzi jako ve fyzické řídicí jednotce (např. PLC), tak se i model musí chovat stejně (simulovat paralelně stejné chování) jako reálný systém. Toho pak lze využít k mnoha aplikacím, jako je hlídání neoprávněných nezměn řídicího softwaru či kofigurace fyzického systému, dopředného hlídání opotřebení, predikci možných poruch a údržby nebo i dalšího vývoje a pokusného ladění strojů a linek za chodu, protože na virtuálním digitálním dvojčeti lze vyzkoušet věci a nastavení, které by v reálném světě mohly způsobit havárie s fyzickými následky.
Příklad digitálního dvojčete
Můžeme si představit motor se senzory a spoustou sofistikovaných dílů a technologií. K němu pak v cloudu existuje jeho plně virtuální replika. To je plně funkční matematický model popisující jeho fyzikální chování i jeho řídicí a elektronické části. Nejde zde tedy o rozšířenou realitu, která jen zobrazuje hodnoty - prezentuje výsledky z řídící jednotky obsluze, ale o složitější dynamický systém, který sám simuluje funkci pohybu - rotace a funkci řídící jednotky v reálném čase paralelně k fyzickému motoru. Potřebné modely jsou ve většině případů vytvářeny inženýry pomocí sofistikovaných 3D CAD návrhových simulačních a vývojových PC softwarů pro samotný vývoj spojený se simulacemi a testováním zařízení před jeho fyzickou výrobou. V tomto případě motoru se například pro testování využívá prostředků na bázi SiL (Software in the Loop), kde na počítač na jedné straně vhodným modelem simuluje fyzikální chování motoru a jeho senzorů a na straně druhé provádí běh samotného řídicího softwaru a jeho ovládací signály. Toto je však stále jen simulace, kde se vstupní data definují ze zadání a jsou také jen virtuální.
Pokud má být virtuální replika skutečně digitální dvojče, musí v reálném čase získávat data ze skutečného provozu fyzického motoru, například jeho reálný provozovaný průběh otáček, točivého momentu, teplot, vibrací a podobně v závislosti na skutečných elektrických signálech řídicí jednotky a ovládacích povelech / požadavcích obsluhy. To je dnes možné zajistit díky IoT cloudovému sběru dat, kam například zde uvedený skutečný řízený motor odesílá data ze svých senzorů i ovládací signály, které tak mimo skutečnou řídící jednotku současně "napájí" i její virtuální řídící jednotku digitálního dojčete. A proto se pak i digitální dvojče chová jako skutečná věc v reálném provozu.
Výhody provozu digitálních dvojčat
Digitální dvojčata, jak již bylo nastíněno výše, nabízejí řadu výhod. Jejich chování (chování v nich implementovaného modelu) odpovídají chování ve stejnou dobu běžící reálné verze a tak umožňují podrobné analyzování funkce v reálném čase i ve stavech, které při pouhých virtuálních simulacích nikoho ani nenapadnou. Navíc lze případně běh virtuálního dvojčete kdykoliv pozastavit a zkoumat aktuální stav, aniž by bylo nutné například zastavit výrobu. Navíc dlouhodobou průběžnou podrobnou analýzou lze detekovat možné krátkodobě se nevyskující problémy, virtuálně otestovat nová nastavení nebo reakce na neočekávané ovládací povely, simulovat všechny možné scénáře a podobně s vědomím, že to, co děláme s tímto digitálním dvojčetem, by se také stalo, kdybychom to dělali se „skutečným“ fyzickým majetkem. U digitálního dvojčete však s výrazně nižšími náklady, bez ohrožení fyzického majetku či dokonce životů. A právě zde lze například hovořit o rychlejším vývoji, inovacích a designu produktů zcela novými způsoby.
Příklady výhod použití digitálních dvojčat:
- Inženýři získají přehled o skutečném použití produktů, které navrhli, se všemi výhodami, které přináší.
- Pokročilé způsoby údržby a správy produktů a aktiv, protože existuje digitální dvojče skutečné „věci“ s funkcemi v reálném čase.
- Možnost snadněji optimalizovat procesy, snižovat spotřebu paliva, ovládat prakticky každý aspekt celého prostředí a realizovat tak velké výhody.
- Shromažďovat údaje o spotřebitelích a chování zákazníků, jejich preference,
- Zlepšovat produkty, vyvíjet nové produkty více zákaznickým a datovým způsobem.
- Apod.
Budoucnost digitálních dvojčat
Digitální dvojče lze označit i „živým modelem“, jehož výhodou i je fakt, že se může nacházet stovky i tisíce kilometrů daleko od fyzicky provozovaného zařízení. Výrobní firma stroje tak může naživo sledovat chod svých strojů u sebe v kanceláři a případně svojí zákaznickou podporou a servisem i reagovat dříve, než si nečeho zákazník-uživatel všimne nebo ho to dokonce nějak omezí či ohrozí. To zní z manažerského pohledu mnohem lépe než digitální - virtuální kopie fyzického majetku, protože je to i blíže manažreským cílům firem. Díky moderním možnostem přenosu a správy informací a dat, technologiím umožňujícím digitalizaci a snižováním nákladů na jejich pořízení, již lze i snadněji zajistit i jejich realizaci. Díky IoT se digitální dvojčata stávají cenově dostupnými a zcela jistě mění tvář výrobní technologie.
V budoucnosti však technologie digitálních dvojčat rozšíří svůj dosah nad aktuálně převládající kontext poněkud kritičtějších a / nebo dražších aplikacích, produktů a konstrukcí do „jednodušších“ fyzických produktů. To zahrnuje i spotřební zboží. Digitální dvojčata budou skutečně stále častěji využívána v mnoha oblastech, jako je správa budov, zdravotnictví, inteligentní města, ropa a plyn, inteligentní budovy a mnoha dalších. Je zřejmé, že jelikož digitální dvojčata poskytují dostatek údajů o používání produktů a chování / preferencích zákazníků, začne využívat této oblasti také marketing a různé formy interaktivních školení servisních týmů, techniků, designérů atd.
Nakonec může nastat situace, že s propojováním fyzických zařízení mezi sebou, se budou navzájem propojovat i jejich digitální dvojčata. Celkový přehled a analytika se exponenciálně zvýší. V budoucnu tak pravděpodobně uvidíme dvojčata expandovat i do aplikací s technologiemi, jako jsou řečové schopnosti, rozšířená realita pro pohlcující zážitek, možnosti AI apod. Nakonec vyspělé systémy digitálních dvojčat zcela odstraní i potřebu jít zkontrolovat „skutečnou“ věc fyzicky. Když už mluvíme o budoucnosti, analytici poukazují hlavně na období 2021-2022 jako na roky, kdy budou digitální dvojčata využívána v klíčových podnikových aplikacích. Očekává se, že polovina velkých průmyslových firem bude do konce roku 2022 digitální dvojčata nějakým způsobem používat.
