Cyfrowe bliźniaki

Zacierają się granice między cyfrowym a fizycznym światem. Każdy przedmiot może być zreplikowany i posiadać swój cyfrowy odpowiednik.

FOTO: Pexels

Cyfrowe bliźniaki (ang. digital twins) to wirtualne repliki fizycznych obiektów, systemów lub procesów. Koncepcja wirtualnego ekwiwalentu świata fizycznego narodziła się w 2002 roku na Uniwersytecie Michigan. Dynamiczna, cyfrowa replika fizycznego systemu, urządzenia, maszyny, procesu produkcji, procesu a także żywej istoty jest czymś więcej niż tylko modelem. Wszystkie zmiany, jakie zachodzą w rzeczywistym obiekcie są zbierane poprzez sensory i odzwierciedlone w jego cyfrowej replice. Dzięki temu możliwe jest zrozumienie procesów w trakcie użytkowania rzeczywistego obiektu, przewidywanie zdarzeń, efektywne zdalne zarządzanie, wczesne wykrywanie awarii oraz monitorowanie zużycia elementów. Wnioski z analizy przeprowadzonej na cyfrowym bliźniaku mogą być następnie wykorzystane w oryginalnym obiekcie przy mniejszym ryzyku i większym zwrocie z inwestycji.

Technologia cyfrowych bliźniaków jest wykorzystywana przez przedsiębiorstwa do testowania nowych produktów przed wprowadzeniem ich do seryjnej produkcji i użytkowania, co ułatwia ich doskonalenie i rozwój.

Tworzenie cyfrowych bliźniaków stało się możliwa dzięki rozwojowi sensoryki i internetu rzeczy, który zapewnia pozyskiwanie i przesyłanie danych w ilościach liczonych w exabajtach, co pozwala generować w czasie rzeczywistym informacje zwrotne między obiektami fizycznymi i ich cyfrowymi replikami. W tym obszarze coraz częściej wykorzystuje się sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe.

Bliźniak na zawsze

Do optymalizacji procesów i konstrukcji urządzeń już na początku lat 80-tych ubiegłego stulecia zaczęto wykorzystywać symulacje oraz modele 2D i 3D tworzone za pomocą systemów komputerowo wspomaganego projektowania (ang. Computer Aided Design, „CAD”). Dziś AutoCAD firmy Autodesk wespół z oprogramowaniem do modelowania informacji o budynku (ang. Building Information Modelling, „BIM”) jest powszechnie wykorzystywane w projektowaniu budynków. Projektanci i architekci są w stanie sprawdzić w oparciu o wirtualny model 3D wszystkie techniczne aspekty planowanej budowy jeszcze zanim rozpoczną się prace budowlane.

"Czwarta rewolucja przemysłowa i wprowadzane przez nią integracje technologii i systemów informacyjnych pozwalają na odwzorowywanie w formie cyfrowej procesów, decyzji mających wpływ na projekt budowlany czy później budynek, analizę zmieniających się preferencji najemców czy prognozowanie kosztów jego eksploatacji. Cyfrowy bliźniak fizycznego budynku pozwala analizować procesy w nim zachodzące bazując na danych z systemów budynkowych, analizować efektywność zastosowanych rozwiązań (np. instalacji wentylacyjnych) czy poziom zużycia mediów oraz preferencje użytkowników budynków w zakresie wykorzystywania konkretnych przestrzeni.

Anna Tryfon-Bojarska, Innovation Manager, Skanska Commercial Development Europe

Anna Tryfon-Bojarska, Innovation Manager, Skanska Commercial Development Europe

Pierwszy cyfrowy bliźniak, który Skanska stworzyła w Europie Centralnej to budynek Skanska Spark w Warszawie"
- mówi Anna Tryfon-Bojarska, Innovation Manager, Skanska Commercial Development Europe.

Budynek ten już od początku był projektowany i realizowany z wykorzystaniem technologii cyfrowych BIM, co stanowi bazę dla digitalizacji danych całego cyklu życia tego projektu.

W Spark zastosowano autorski system łączący innowacyjne systemy budynkowe – Connected by Skanska do całościowego zarządzania budynkiem biurowym i powierzchniami do pracy. "Dzięki otwartej architekturze może być on systematycznie rozwijany i elastycznie dopasowywany do zmieniających się potrzeb i technologii. Zainstalowane w budynku beacony komunikują się z telefonami użytkowników biura za pomocą sygnału bluetooth, co daje im możliwość zdalnego sterowania np. oświetleniem i temperaturą w zależności od indywidualnych preferencji czy rezerwowania pomieszczeń konferencyjnych. Technologia IoT pozwala na pozyskanie dużych ilości danych, zwiększenie możliwości obliczeniowych, zastosowanie uczenia maszynowego i automatyzację procesów" - mówi Anna Anna Tryfon-Bojarska.

Model BIM Budynku Skanska Spark. Źródło: materiały Skanska

Model BIM Budynku Skanska Spark. Źródło: materiały Skanska

Do projektowania urządzeń mechanicznych, sieci energetycznych i elektronicznych wykorzystuje się Revit, Inventor czy Robot Structural Analysis. Projektant może już w pracowni zbadać, jak będzie zachowywać się dany detal, urządzenie albo system w przewidywanych warunkach jego użytkowania. W oparciu o wyniki badań dokonuje się modelowania, optymalizacji oraz koryguje ewentualne błędy projektu.

Dzięki projektowaniu z wykorzystaniem cyfrowej repliki obiektu, urządzenia lub detalu można przyspieszyć rozwój nowych produktów i usług, testując je przy różnych scenariuszach. Do korzyści z takiego sposobu projektowania należy obniżenie kosztów produkcji, optymalizacja wykorzystania materiałów oraz zapobieganie awariom i katastrofom.

Cyfrowy bliźniak towarzyszy też produktowi w całym okresie jego życia pełniąc funkcję nadzorczą, diagnostyczną i prognostyczną. W zakresie nadzorowania bliźniak naśladuje przebieg rzeczywistych procesów na poziomie operacyjnym i biznesowym a dzięki emulacji wizualnej lub animacji, użytkownik może łatwiej zrozumieć statyczne i dynamiczne charakterystyki operacyjne oraz ich wpływ na wydajność. Natomiast realizując funkcję diagnostyczną bliźniak daje możliwość prowadzenia analizy procesu w czasie rzeczywistym. Dane z czujników ze świata fizycznego łączone są z algorytmami analitycznymi i algorytmami eksploracji danych. Pozwala to na generowanie alertów szybkiego monitorowania i diagnozowania aktualnych problemów, co w efekcie przynosi poprawę wydajności i niezawodności działania rzeczywistego obiektu.

Pełniąc funkcję prognostyczną cyfrowy bliźniak wykorzystuje oprogramowanie do symulacji predykcyjnej. Użytkownik może testować i analizować wpływ na wynik różnych scenariuszy, identyfikując szanse i zagrożenia bez ponoszenia ryzyka i kosztów.

Na pytania typu „Co jeśli?”, „Co jest najlepsze?” i „Jak to zrobić?” użytkownik otrzymuje odpowiedzi w postaci dynamicznych modeli procesów operacyjnych i biznesowych.

Inwazja bliźniaków

Z pomocą cyfrowego bliźniaka Boeing zmienił sposób projektowania samolotów. Zastosowano wirtualną replikację fizycznych części, symulując ich działanie w całym cyklu życia płatowców. Dzięki temu uzyskano 40-procentową poprawę jakości kluczowych części i systemów, wykorzystywanych przy produkcji samolotów.

Koncern General Electric opracował własne modele cyfrowe, które stanowią lustrzane odbicia fizycznych struktur turbin gazowych wykorzystywanych jako silniki turbowentylatorowe do napędu samolotów lub w stacjonarnych siłowniach. Pozwoliło to przyspieszyć nie tylko rozwój nowych produktów i usług, ale również testować je w większej liczbie scenariuszy, w celu określenia takich wskaźników, jak: obciążenia strukturalne, wytrzymałość czy średni czas do awarii.

NASA od wielu lat wykorzystuje technologię digital twins do zdalnej obsługi, konserwacji i napraw systemów znajdujących się w kosmosie. W ten sposób uratowano misję Apollo 13. Obecnie NASA wykorzystuje cyfrowe bliźniaki do eksploracji statków kosmicznych jak również pojazdów i samolotów nowej generacji.

Wirtualny Singapur - pierwsze cyfrowe miasto partnerskie, to bogata w dane, żywa cyfrowa replika metropolii przeznaczona do użytku przez sektor publiczny, prywatny, mieszkańców i naukowców. Jest to dynamiczny trójwymiarowy model miasta i platforma wymiany danych oraz mapy 3D, umożliwiające oglądanie miasta z lotu ptaka lub powiększanie wybranych szczegółów.

Cyfrowy pacjent

Technologia cyfrowych bliźniaków wkracza do systemu opieki zdrowotnej. Celem tego trendu jest dostarczanie spersonalizowanych usług medycznych opartych na danych pobranych z żywego organizmu i przetworzonych w modelu cyfrowym. Powstały w ten sposób cyfrowy pacjent będzie stanowić zintegrowany, spersonalizowany awatar żywego człowieka, aktualizowany przy okazji każdego badania a także uzyskanych danych behawioralnych i genetycznych.

Kwestią czasu pozostaje, kiedy pacjenci będą posiadać karty zdrowia w postaci cyfrowej kopii swego organizmu, przedstawiającej stan organów wewnętrznych.

Bliźniak stanowiący odwzorowanie całego organizmu lub wybranego narządu pacjenta, wykorzystując sztuczną inteligencję, pomoże postawić albo sam postawi precyzyjną diagnozę i zaproponuje terapię a także przeprowadzi zabieg chirurgiczny na odległość.

Prace w tym zakresie są już zaawansowane. Hewlett Packard Enterprise i Stanford University pracują nad projektem wieloskalowych trójwymiarowych modeli serca w celu monitorowania krążenia i wirtualnego testowania leków. Wdrożenie tego rozwiązania pozwoli przewidywać arytmię serca, bez względu na miejsce przebywania pacjenta.

Hewlett Packard współpracuje też z Politechniką Federalną w Lozannie nad projektem Blue Brain, którego celem jest stworzenie cyfrowego modelu mózgu ssaków. Model ten będzie służył do prowadzenia nieograniczonej liczby symulacji i eksperymentów.

Natomiast Niemieckie Centrum Chorób Neurologicznych (niem. Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen), wykorzystując superkomputer Hewlett Packard, prowadzi prace badawcze w kierunku rozpoznania chorób mózgu, takich jak Alzheimer.

Dynamiczny rozwój technologii

Wzrasta liczba zastosowań technologii pozwalających na tworzenie cyfrowych bliźniaków. Według firmy Gartner, która w ubiegłym roku przeprowadziła ankietę wśród 599 przedsiębiorstw z sześciu krajów (Chiny, Niemcy, Indie, Japonia, Wielka Brytania i USA),

75% organizacji wykorzystujących internet rzeczy posiada już technologię cyfrowych bliźniaków lub planuje ją wdrożyć w ciągu roku.
Analitycy z Gartnera przewidują, że w 2021 roku połowa przedsiębiorstw przemysłowych będzie używała cyfrowych bliźniaków, co przyniesie im wzrost wydajności o 10%. Gartner plasuje digital twin w pierwszej dziesiątce strategicznych trendów 2019 roku.

"Z roku na rok cyfrowy opis otaczającej nas rzeczywistości jest coraz dokładniejszy. IBM, Gartner i wiele innych firm wymieniają koncepcję cyfrowych bliźniaków jako jeden z ważniejszych trendów technologicznych. W najnowszej edycji „5 in 5” (5 innowacji na najbliższe 5 lat) publikowanej co roku przez IBM, takie rozwiązane mogłoby zoptymalizować planowanie, produkcję i dystrybucję żywności w skali globalnej.

Piotr Beńke, Chief Technology Officer for IBM Poland & Baltics, foto: IBM

Piotr Beńke, Chief Technology Officer for IBM Poland & Baltics, foto: IBM

Już dzisiaj systemy „cyfrowego bliźniaka” przyspieszają rozwój nowych produktów, usług, usprawniają procesy utrzymania i wsparcia jak i podnoszą poziom bezpieczeństwa. Ich wdrażanie jest możliwe dzięki szerokiemu zastosowaniu Internetu Rzeczy, umożliwiającemu pozyskiwanie danych do analiz w czasie rzeczywistym i/lub późniejszego przetwarzania"
– mówi Piotr Beńke, Chief Technology Officer for IBM Poland & Baltics.

Miks dwóch światów

Świat cyfrowy staje się coraz bardziej odbiciem świata fizycznego, stając się jego częścią. Rodzą się nowe modele biznesowe i cyfrowe ekosystemy. Technologia digital twins i internet rzeczy sprawi, że w niedalekiej przyszłości miliardy fizycznych obiektów będą miały swoją replikę w cyfrowym świecie.

Już dziś cyfrowe bliźniaki pozwalają uzyskać poprawę jakości, optymalizację procesów wykonawczych, zwiększanie wydajności lub wykrywanie ewentualnych zagrożeń, jakie mogłyby zmaterializować się w rzeczywistym świecie. Dynamiczny rozwój technologii umożliwiających realizację koncepcji „cyfrowych bliźniaków” a z drugiej strony uzyskiwane dzięki nim efekty powodują, że ich wdrażanie należy do kluczowych działań w procesie transformacji cyfrowej.

W Polsce technologia digital twin zaczyna wkraczać na rynek – jest wykorzystywana w nielicznych przypadkach i to w ograniczonym zakresie. Pierwsze kroki wykonywane są w branży deweloperskiej. Ma ona ogromny potencjał, jeżeli dane będą zbierane w całym cyklu życia projektu.