Цифровой двойник в производстве: преимущества, недостатки и этапы создания

В последнее время концепция цифрового двойника (англ. digital twin) привлекает всё больше внимания среди участников промышленной индустрии, так как даёт возможность создавать цифровую копию любой физической системы (машины, производственной линии или даже целого завода), которая будет развиваться в режиме реального времени.

Двойник позволяет отслеживать, моделировать и оптимизировать весь производственный цикл за счёт объединения данных с датчиков, рабочего оборудования и информационных систем. При этом виртуальный объект будет не только описывать что-либо, но и давать прогнозы с рекомендациями (предвидеть проблемы, предлагать решения и контролировать ход работы).

Такая интеграция реального и виртуального миров открывает новые возможности с точки зрения эффективности, прогнозирования, соблюдения ESG‑концепции и следования инновациям. Давайте разберёмся, какие именно преимущества дают цифровые двойники, что нужно уметь специалистам, чтобы их создавать и какую роль эта технология играет в промышленной революции.

Разница между цифровым двойником, симуляцией и 3D‑моделями

Эти три понятия часто путают, хотя между ними есть существенные различия. Трёхмерная модель отображает геометрию объекта и его компонентов, но не содержит информации о его поведении. Симуляции, с другой стороны, позволяют тестировать определенные сценарии, но, как правило, являются статичными и не связаны с реальным положением дел.

Цифровой двойник же является живой и динамичной сущностью: в него постоянно поступают актуальные данные, он обновляется и даёт доступ к информации в режиме реального времени. Подобные факторы делают эту технологию незаменимым инструментом не только для анализа, но и для контроля и постоянного совершенствования производственных процессов.

Преимущества цифрового двойника для промышленников

Создание цифрового двойника предприятия даёт значительные бонусы с точки зрения операционной эффективности, качества продукции и соблюдения экологических требований. Благодаря точным актуальным данным каждый этап производства можно будет оптимизировать в режиме реального времени. Ваши вмешательства в процесс станут проактивными и помогут предотвращать сбои, сокращать время простоя и снижать затраты на техническое обслуживание.

Другие преимущества заключаются в:

• Экономии бюджета за счёт предварительного моделирования изменений или перестроек производственной линии
• Усовершенствовании контроля качества и непрерывного отслеживания производственных данных
• Гибкой конфигурации структуры рабочих процессов и адаптируемости к изменениям рынка
• Ускорении прототипирования и вывода продукта на рынок

Что нужно для создания цифровых двойников

Виртуальная копия объекта не могла бы существовать без надёжной инфраструктуры, способной соединять физический и цифровой миры. Главные инструменты и технологии, лежащие в её основе и позволяющие собирать, обрабатывать и анализировать данные в режиме реального времени, это:

1. Датчики интернета вещей (IoT). Интеллектуальные датчики, которые устанавливают на оборудование, каркас здания и производимые товары. Они постоянно собирают данные о температуре, вибрациях, скорости передвижения и т. д., а затем передают их в цифровые модели. Именно благодаря IoT цифровой двойник может точно отражать текущее состояние объекта или системы
2. Системы сбора и управления данными. Получаемая информация должна где-то храниться, систематизироваться и быть легкодоступной. Для этого используются различные локальные решения и облачные технологии, которые обеспечивают масштабируемость цифровой инфраструктуры, а также доступность и безопасность данных
3. Искусственный интеллект (ИИ). Алгоритмы машинного и глубокого обучения автоматически анализируют данные, выявляют закономерности и аномалии, а также составляют прогнозы и рекомендации для улучшения процессов принятия решений

4. Среда общих данных (СОД). Чтобы создать действительно эффективный цифровой двойник необходимо интегрировать между собой все бизнес-процессы. Это помогает специалистам получать единое и актуальное представление о производственной деятельности

Навыки для работы с цифровыми двойниками

Внедрение цифровых двойников в производство предполагает не только технологическое обновление, но и обучение специалистов новым компетенциям. Для проектирования и внедрения этих объектов, а также последующего управления ими, необходимы эксперты междисциплинарного уровня, сочетающие в себе знания в области инженерии, IT и менеджмента.

Так, в список технических навыков или hard skills входят: владение решениями в области BIM и САПР; знание архитектур IoT, промышленных протоколов связи и облачных платформ; умение управлять большими объёмами данных (Big Data), интерпретировать их и использовать для составления прогнозов и сценариев оптимизации. Отдельно стоит выделить навыки, связанные с промышленной автоматизацией и управлением процессами. Специалисты должны уметь использовать программируемые логические контроллеры (PLC), системы диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA) и системы управления производством (MES).

Среди так называемых soft skills сотрудникам будет полезно обладать критическим мышлением для интерпретации информации и принятия оперативных решений, а также быть договороспособным (работа с цифровыми двойниками предполагает участие специалистов разных профилей) и успевать за быстрым развитием технологий.

Как внедрить цифровой двойник в производство

Процесс нужно тщательно спланировать и выполнять постепенно, с участием нескольких подразделений. Основными этапами работы станут:

• Анализ существующих данных: необходимо оценить, какая информация уже доступна (от датчиков, ERP-систем и пр.), а какую необходимо собрать
• Постановка операционных целей: нужно чётко определить цели создания цифрового двойника (профилактическое обслуживание, оптимизация процессов, симуляция каких-либо сценариев и т. д.)
• Выбор программного обеспечения: предложения на рынке следует тщательно проанализировать и остановиться на решении, которое будет идеально подходить к особенностям вашего бизнеса
• Проектирование цифровой модели: на этом этапе создаётся структура виртуальной модели, а также правила и методы, согласно которым она будет наполняться данными
• Разработка прототипа: лучше сначала протестировать цифровой двойник на небольших задачах, чтобы проверить его надёжность и функционал
• Постепенная интеграция с бизнес-системами: после подтверждения работоспособности прототипа похожие виртуальные копии можно создавать для других производственных областей или цехов
• Обучение персонала и мониторинг результатов: для обеспечения окупаемости внедрения необходимо обучить сотрудников обращаться с двойниками и постоянно отслеживать показатели их производительности

Проблемы, связанные с внедрением цифрового двойника

Аппаратное и программное обеспечение, а также обучение людей могут оказаться очень затратными, особенно для малых и средних предприятий. При этом специалисты по работе с цифровыми двойниками всё ещё в дефиците, а процесс переквалификации отнимает много времени.

Ещё одной трудностью на пути трансформации становятся устаревшее оборудования и гетерогенность инфраструктуры. В таких условиях достичь идеальную совместимость цифрового и реального миров может быть затруднительно. Не стоит забывать и о кибербезопасности: при наличии динамичной системы возрастают риски утери и кражи конфиденциальных данных.

Кейсы по цифровым двойникам в промышленности

Цифровые двойники уже давно преображают промышленные предприятия, становясь удобным решением по повышению производительности, снижению затрат и ускорению развития для многих ведущих компаний.

Вот несколько значимых примеров:

• BMW внедрила цифровые двойники для проектирования, моделирования и оптимизации сборочных линий в режиме реального времени. Поступающие данные позволяют экспертам быстро адаптировать производство к новым моделям или индивидуальным конфигурациям
• Siemens использует цифровые двойники для прогнозирования технического обслуживания на сложных промышленных предприятиях. Благодаря интеграции с IoT-датчиками и алгоритмами ИИ сотрудники компании могут заранее выявлять аномалии и планировать ремонтные работы, не останавливая при этом производство
• General Electric использует цифровые двойники для мониторинга турбин и энергетических установок. Модели постоянно пополняются реальными данными, что повышает надёжность и безопасность установок

Стоит отметить, что цифровые двойники внедряются даже в более традиционных секторах. Например, их используют для мониторинга сетей водоснабжения и канализации, оптимизации их маршрутов и предотвращения поломок.

Роль цифрового двойника в промышленных революциях

Цифровой двойник является одним из ключевых элементов в концепции Четвёртой промышленной революцииЧетвёртая промышленная революция (Индустрия 4.0) — концепция, описанная Клаусом Швабом в одноимённой книге 2016 года. Она предполагает новый подход к производству, основанный на массовом внедрении информационных технологий, масштабной автоматизации бизнес-процессов и распространении искусственного интеллекта.. Объединяя киберфизические системы, IoT-датчики и передовые платформы для анализа данных, он позволяет моделировать промышленные процессы в режиме реального времени, улучшая проведение контроля качества и масштабируемость бизнеса. Руководители получают возможность сделать свои компании более гибкими, эффективными и современными благодаря инструментам по симулированию и оптимизации процессов и продуктов в режиме реального времени.

Некоторые исследователи включают цифровой двойник и в формирующуюся концепцию Пятой промышленной революцииПятая промышленная революция (Индустрия 5.0) — концепция производства, в которой человек и технологии работают вместе. То есть фокус с чистой автоматизации смещается на синергию человеческого интеллекта и машинных возможностей., где человекоцентричность, экологичность и отказоустойчивость являются фундаментальными аспектами. Виртуальные копии помогают:

• Улучшать взаимодействие людей и машин благодаря интеллектуальным интерфейсам управления и понятным трёхмерным моделям
• Оптимизировать ресурсы и сокращать отходы, способствуя более экологичному производству
• Прогнозировать сложные варианты развития событий в условиях кризиса или неопределённости, делая предприятия более устойчивыми и адаптивными

Для осуществления этих сценариев необходимо владеть программами, функционал которых способен интегрировать информацию о территориях, на которых располагаются предприятия, самих заводах и их операционной активности.

Заключение

Цифровые двойники — одна из самых примечательных технологий нашего времени, облегчающая эксплуатацию и обслуживание комплексных промышленных объектов. Да, как и в случае с любыми другими инновациями, развёртывание цифровых двойников на всё производство может оказаться затратным и долгим. Компаниям придётся обучать сотрудников совершенно новым навыкам, закупать новое оборудование и программное обеспечение, перестраивать операционную деятельность и пр.

Тем не менее, все эти усилия будут того стоить: руководители смогут наблюдать за работой своего предприятия в режиме реального времени и оперативно устранять возникающие ошибки и чрезвычайные ситуации. Всё это подтверждается на практике ведущих промышленных компаний, известных на весь мир.