Jste zde

Výhody a rizika technologie digitálních dvojčat

Antonín Vojáček, 6. Leden 2022 - 8:54

Technologie tzv. digitálních dvojčat se má v následujících letech stát jedním z hlavních tahounů vývoje nejen průmyslového designu a automatizace, ale doslova obsadit většinu oblastí moderní lidské společnosti. Jaké prostředky je nutné použít pro realizaci a jaké jsou hlavní výhody i rizika použití?

Trocha historie vizualizace procesů

Po staletí lidé používali obrázky a modely, které jim pomohou zvládnout složité problémy. Nejprve se formovaly velké budovy na rýsovacím prkně architekta. Klasická auta byla tvarována ze dřeva a hlíny. V posledních 50 letech již naše modelovací schopnosti začaly být sofistikovanější a počítače nahradily tužky. 3D počítačové modely postupně nahradily 2D výkresy. Pokročilé modelovací systémy dnes již mohou simulovat provoz a chování produktu stejně jako jeho geometrii. Po mnoho let pak tvořili vědci a inženýři matematické modely objektů reálného světa a postupně jsou tyto modely stále sofistikovanější. Donedávna však zůstal nepřeklenutý onen předěl mezi modelem a realitou. Žádné dva vyrobené předměty nejsou zcela skutečně totožné, i když byly postaveny stejnými technologiemi a ze stejných výkresů. Počítačové modely strojů se pak doposud obvykle postupně nevyvíjely podle toho, jak se díly opotřebovávají a vyměňují, jak se únava hromadí ve strukturách, nebo jak majitelé provádějí úpravy, aby jim vyhovovaly měnící se potřeby. Tato propast se ale nyní začíná uzavírat.

Dnes vývoj senzorů a síťových technologií umožňuje, aby se propojily dříve offline fyzické stavy a informace s digitálními modely. Rozvoj na poli internetu věcí (IoT), velká data, umělá inteligence, cloud computing, virtuální realita a nedávný příchod technologie digitálních dvojčat pak skutečně ohlašuje bod zlomu, kde fyzický a digitální svět mohou být spravovány jako jeden celek. Místo sledování a inspekce fyzického stroje je pak možné vzdáleně komunikovat jen s digitálním protějškem fyzické věci, ale přitom s ní pracovat podobně, jako bychom měli dané objekty přímo u sebe. V oblasti inženýrství, výroby, v automobilovém a energetickém průmyslu tak digitální dvojčata vytvářejí nové hodnoty. Pomáhají společnosti navrhovat, vizualizovat, monitorovat, více spravovat a udržovat svá aktiva účinně. A také odemykají nové obchodní příležitosti, jako je poskytování pokročilých služeb a generace cenných poznatků z provozních dat.

Progres a potenciál technologie digitálních dvojčat

Zatímco koncept digitálního dvojčete existoval od počátku 21. století, až teď řada klíčových technologií dosáhla nezbytné úrovně vyspělosti pro efektivní využití digitálních dvojčat v širokém spektru aplikací. Mezi tyto nezbytné technologie patří levné ukládání dat a výpočetní technika, výkon, dostupnost robustní vysokorychlostní drátové a bezdrátové sítě a levné a spolehlivé senzory. Nejprve vysoká složitost a náklady při budování systému digitálních dvojčat tuto technologii omezily jejich použití jen na sektory letectví a vojenství, kde fyzické předměty mají vysokou hodnotu a kritické stavy působící v náročném prostředí se jinak jen velmi obtížně simulují.

Tato situace se však již rychle mění. Dnes již v rámci běžných provozních procesů, které firmy využívají, z velké části umožňují o nasazení digitálních dvojčat uvažovat nebo již i realizovat. A tak firemní zájem o digitální dvojčata roste, stejně jako počet poskytovatelů technologií. Očekává se, že trh s digitálními dvojčaty v následujících několika letech poroste o více než 38 % a objem financí investovaných do technologie digitálních dvojčat do roku 2025 dosáhne částek okolo 26 miliard USD. Široká škála požadovaných základních technologií stimuluje trh. Společnosti jako SAP, Microsoft, IBM apod. již poskytují potřebné prostředky k vytvoření řešení digitálního dvojčete. Kromě toho tvůrci automatizačních systémů a průmyslových zařízení jako GE, Siemens, Honeywell, Fanuc, Dassault Systèmes a další již zahájili novou éru realizace průmyslové stroje a poskytují služby postavené na digitálních dvojčatech umožňující i řízení životního cyklu produktu (PLM) pro správu produktu od vývoje prvotního konceptu až do cyklu konce života stroje či celé linky a v budoucnu i celé továrny. Digitální dvojčata jsou také příležitostí pro nové začínající firmy jako Cityzenith, NavVis a SWIM.AI, které vyvíjí vlastní řešení přizpůsobené konkrétním požadavkům.

Co to vlastně reálně je digitální dvojče?

V praxi s mnoha různými typy aplikací a zúčastněných stran někdy neexistuje dokonalá shoda na tom, co tvoří digitální dvojče. Tato technologie přichází v mnoha různých podobách s mnoha různými atributy. Může tak být pro společnosti lákavé, aby se svezly na vlně zájmu a jen přidaly označení "Digital Twins technology“ k řadě již existujících standardních systémů 3D modelování, simulace a sledování stavů zařízení. Proto je dobré si blíže nadefinovat, co technologii digitálních dvojčat (Digital Twins) hlavně charakterizuje. Většina odborníků v této oblasti se shodla na následujících klíčových vlastnostech, které pomáhají odlišit skutečná digitální dvojčata od ostatních typů počítačových modelů nebo simulací:

Digitální dvojče je přesný virtuální model skutečnosti, tedy skutečného objektu / předmětu (věci).
Digitální dvojče simuluje současně fyzický stav i chování dané věci.
Digitální dvojče je jedinečné, spojené s jedinou konkrétní instancí dané věci.
Digitální dvojče se průběžně aktualizuje v reakci na fyzické změny reálného stavu nebo kontextu dané věci.
Digitální dvojče poskytuje hodnotu vizualizace, analýzy, predikce, popř. optimalizace.

Rozsah potenciálních aplikací digitálního dvojčete však znamená, že i tyto definované atributy se mohou v některých situacích "rozmazat". Digitální dvojče může existovat před vyrobením svého fyzického protějšku a i dlouho poté, co fyzická věc dosáhla konce své životnosti. Jedna věc pak může mít i více než jedno dvojče, kde další "repliky" mohou sloužit například pro plánování, předpovídání či zkoušení různých scénářů chování věci při různých budoucích podmínkách provozu. Například majitelé mohou vytvářet továrny, nemocnice a kanceláře s více modely stávajícího zařízení pro vyhodnocování dopadu změn v uspořádání nebo v provozních procesech.

Co je vhodné pro efektivní realizaci digitálních dvojčat?

Aby byla realizace technologie digitálních dvojčat ekonomicky dostupná a uživatelsky dostatečně efektivní, efektní i výhodná, bylo nejdříve nutné vyvinout následujících 5 technologických oblastí:

Internet věcí (IoT) - rychlý růst internetu věcí je jedním z důležitých faktorů podporující adopci digitálních dvojčat, protože je nyní technicky a ekonomicky proveditelné sbírat velké objemy dat. Digitální dvojče je často ideální způsob strukturování, přístupu a analyzování komplexních dat souvisejících s produktem, tedy volně řečeno pomohou spravovat a dávat smysl všem datům, co se nyní již sbírají.
Cloud Computing - realizace, udržování a používání digitálních dvojčat je obvykle velmi náročné na výpočetní a úložný prostor. Nicméně díky klesajícím nákladům na výpočetní výkon a digitální úložiště a díky velké síti datových center s přístupem prostřednictvím služby (SaaS) nyní firmám umožňují získat přesně ty výpočetní zdroje, které aktuálně potřebují.
API a otevřené standardy - aby bylo možné vzájemně kombinovat a propojit výrobky, technologie a komponenty (ať již hardwarové nebo softwarové) do společného celku, je nutné pro připojovací rozhraní využívat široce zaběhnuté a nejlépe na výrobci nezávislé standardy. Na tomto přístupu mohou v rámci realizace technologie digitálních dvojčat vidělat všichni, jak výrobci komponent, tak vývojáři softwaru. Již nyní dostupnost otevřených standardů a veřejná rozhraní pro programování aplikací (API) dramaticky zjednodušila sdílení a výměnu dat.
Umělá inteligence (AI) - dramatické vylepšení výkonu a použitelnosti pokročilých analytických nástrojů změnilo způsob, jakým společnosti "těží" užitečné poznatky z velkých a komplexních dat. Rámce strojového učení už umožňují vývoj systémů, které mohou samostatně rozhodovat na základě předpovědí budoucích podmínek založených na vývoji historických dat a aktuálních informací v reálném čase.
Rozšířená, smíšená a virtuální realita - umožňuje lépe prakticky využít, vizualizovat a efektivně aplikovat poznatky získané v rámci digitálního dvojčete. Místo zobrazení na displejích a monitorech, umožňuje rozšířená / smíšená realita interakci digitálního v stávajícím fyzickém životním prostředí. Virtuální realita pak umožňuje vytvořit zcela nová prostředí a vykreslit digitální dvojčata i netradičním nebo velmi detailním způsobem a tak nejlépe využít interakci s informacemi.

Přidané hodnoty a výhody použití technologie digitálních dvojčat

Digitální dvojčata lze využít různými způsoby a celkové výhody a náklady jsou dost závislé na konkrétní aplikaci. Mezi výhodami a kladnými hodnotami, které technologie digitálních dvojčat obvykle poskytují, bývají některé z následujících:

Popisná / informační hodnota - schopnost okamžitě vizualizovat stav objektu / zařízení prostřednictvím svého digitálního dvojčete. Velká výhoda je to zejména, když jsou objekty vzdálené nebo je nebezpečné se k nim přibližovat za provozu – příklady zahrnují kosmické lodě, větrné turbíny na moři, elektrárny a v provozu stroje vlastněné výrobcem v zákaznických závodech. Digitální dvojčata zde poskytují dostupnější informace.
Analytická hodnota - simulační technologie začleněné do digitálních dvojčat mohou poskytovat data, která je nemožné měřit přímo na fyzickém objektu – například generované informace uvnitř objektu. Toto lze použít jako a nástroj pro odstraňování problémů pro stávající produkty nebo to může pomoci optimalizovat výkon následujících generací produktů.
Diagnostická hodnota - digitální dvojčata mohou zahrnovat diagnostické systémy, které používají naměřená nebo odvozená data k návrhům / předpovědím příčiny specifických stavů nebo chování. Tyto systémy mohou být implementovány ve formě explicitního pravidla založeného na firemním know-how, nebo mohou využít analýzy a odvozovat přístupy strojového učení se vztahy založenými na historických datech.
Prediktivní hodnota - pomocí modelu digitálního dvojčete lze předvídat pravděpodobný budoucí stav fyzikálního modelu (např. ve větrných elektrárnách předpovídat výstupní výkon). Nejsofistikovanější digitální dvojčata mohou také navrhovat i odpovídající optimální řešení. Digitální dvojčata budou hrát roli v rozvoji budoucích chytrých továren schopných činit autonomní rozhodnutí o tom, co dělat, kdy a jak s cílem maximalizovat spokojenost zákazníka a současně ziskovost.
Výhody pro vývoj produktů - údaje z digitální dvojčat předchozích produktů lze přímo použít k upřesnění požadavků na specifikace těch budoucích. Během fáze návrhu se testováním s digitálními dvojčaty mohou detekovat kolize mezi komponenty, posoudit ergonomii a simulovat chování produktu v široké škále prostředí. Společně tato opatření mohou pomoci snížit náklady na vývoj, urychlit dobu uvedení na trh a zlepšit spolehlivost konečného produktu.
Výhody ve výrobě - digitální dvojčata mohou být použita k objasnění specifikací s dodavateli a umožnit optimalizovat návrhy pro výrobu a dopravu. Pokud organizace vyrábí nové digitální dvojče s každým produktem, který vyrábí, každý model bude obsahovat údaje o konkrétních komponenech a materiálech použitých v produktu, možnosti konfigurací vybrané koncovými zákazníky a zkušenosti s procesními podmínkami během výroby.
Výhody při provozu a servisu - když produkt přechází do rukou koncového uživatele, jeho digitální dvojče stále hromadí údaje o jeho výkonu a provozních podmínkách. Tato data pomáhají podporovat plánování údržby, odstraňování problémů a optimalizaci výkonu produktu. Jak se produkty aktualizují, přizpůsobují nebo opravují náhradními díly, digitální dvojče se odpovídajícím způsobem mění. Z informací od více digitálních dvojčat lze analyzovat a identifikovat i trendy používání a tak optimalizovat budoucí návrhy.
Výhody pro ukončení provozu a recyklaci - údaje o provozních podmínkách konkrétní komponenty umožňuje rozhodnout, zda ji znovu použít, repasovat, recyklovat, popř. sešrotovat. Data nashromážděná digitálním dvojčetem se mohou uchovat pro budoucí analýzu.

Rizika a náročnost použití digitálních dvojčat

Mimo svoje výhody však má použití technologie digitálních dvojčat, podobně jako každá jiná technologie, i svá rizika a složitosti, se kterými je nutné počítat a je nutné je při uvažování a plánování použití digitálních dvojčat zahrnout do plánování a nákladů / rozpočtu. Pokud má být potenciál této technologie skutečně využit, je obvykle nutné i myslet na úpravu podstatné části struktury firmy z pohledu jejího fungování a to nejen po stránce technologické, ale i personální a přizpůsobit tomu i subdodavatelské řetězce. Je nutné obvykle přenastavit i pravidla bezpečnosti a provést intenzivní přeškolování nejen svých zaměstnanců a obvykle v určité míře i pracovníky trvalých dlouhodobých subdodavatelů. Nutné je však zvážit i další možná rizika a náročnost:

Náklady na realizaci - digitální dvojčata vyžadují značné množství investice do technologických platforem, vývoj modelů a údržby. I když většina těchto nákladů bude spíše klesat, rozhodnutí realizovat digitální dvojče se musí vždy porovnávat s alternativními přístupy, které by mohly poskytovat podobnou hodnotu za nižší cenu. Pokud společnost má zájem jen o malý počet kritických parametrů, tyto poznatky mohou být shromažďovány efektivněji prostřednictvím systému IoT, který je založený na senzorech a konvenční databázi.
Přesnost modelu - realizovat odpovídající fyzický, chemický, elektrický a tepelný stav celého zařízení je stále ještě extrémně náročné a vyžaduje značné úsilí. To má tendenci vyžadovat od inženýrů, aby vytvořili zjednodušení ve svých modelech, které vyváží požadované vlastnosti dvojčete s technickými a ekonomickými omezeními.
Kvalita dat - dobré modely závisí na dobrých datech. To může být obtížné zaručit v aplikacích digitálního dvojčete, které závisí na datech poskytnutých stovkami nebo tisíci vzdálených senzorů pracujících v náročných podmínkách a komunikujících přes nespolehlivé sítě. Systém musí automaticky identifikovat a izolovat špatná data a naopak zvládnout doplnit mezery a nesrovnalosti v datové toku produktu.
Nahraditelnost - navzdory značnému pokroku v otevřenosti a standardizaci stále existují překážky u výměny dat, kde některé specializované technologie dodávané konkrétním prodejcem mohou být jen obtížně nahraditelné alternativní dodavatelem. Tím hrozí nutná dlouhodobá závislost uživatele digitálního dvojčete na jednom dodavateli bez možnosti jeho snadné změny.
Vzdělání a zaškolení zaměstnanců - použití digitálních dvojčat bude vyžadovat u zaměstnanců, zákazníků i dodavatelů, aby přijali nové způsoby práce. To představuje výzvy z hlediska řízení změn. Společnosti musí zajistit dostatečné nové dovednosti a nástroje pro efektivní využívání digitálních dvojčat a pracovníci musí být dostatečně motivováni k tomuto přechodu.
Zabezpečení přístupu k datům - digitální dvojče je "nádrž" duševního vlastnictví a know-how. Modely a data začleněná do dvojčete obsahují podrobnosti o designu produktu i jeho výkonu. Může také obsahovat citlivé údaje o zákaznických procesech a používání. To vytváří výzvy kolem vlastnictví dat, ochrany identity, datové kontroly a řízení přístupu k datům pro různé skupiny uživatelů.
Kybernetická bezpečnost - digitální dvojčata budou lákavé cíle pro kybernetické zločince. Datová propojení, která spojují fyzické objekty s jejich dvojčaty, mohou poskytnout nový možný bod přístupu pro zločince, kteří se snaží narušit chod organizace. Tam, kde digitální dvojčata hrají roli i v ovládání svých fyzických protějšků, to potenciálně může mít i skutečný zničující dopad. Kybernetická bezpečnost je tak zde kritickou prioritou, která bude pro mnohé firmy a organizace představovat nové výzvy.

Závěr

Každá technologická vlna je doprovázena svou vlastní jedinečnou sadou výzev a digitální dvojčata nejsou výjimkou. Odvětví, která závisí na složitých produktech a procesech byla první, která využila jejich výhody. Od skromných začátků v letectví, kosmonautice a vojenském průmyslu, se digitální dvojčata nyní posouvají i do provozních řetězců strojírenství, výroby, energetiky a automobilového průmyslu. V blízké budoucnosti se pak očekává i široké uplatnění ve stále náročnějším odvětví logistiky.