Zarządzanie

Cyfrowe odzwierciedlenie rzeczywistości. Wdrożenia digitalnych bliźniaków

Beata Elert 23 marca 2020

Firma Gartner w raporcie „10 top trendów technologicznych w 2019” wymienia przełomowe innowacje, które będą miały znaczenie strategiczne dla rozwoju biznesów. Obok rozwoju sztucznej inteligencji, blockchain, rozszerzonej analityki i innych, wskazuje na rozwój koncepcji digitalnego bliźniaka.

Inteligentna Siatka Digital była konsekwentnym tematem towarzyszącym nam przez ostatnie 2 lata i pozostaje wiodącym driverem zmian także w roku 2019. Trendy te są kluczowym składnikiem wdrażania procesu ciągłej zmiany i innowacji – mówi David Cearley, wiceprezydent Gartner Fellow. Sztuczna inteligencja w formie zautomatyzowanej i rozszerzona rzeczywistość używana w relacji z Internetem Rzeczy (IoT), edge computing i koncepcją digitalnego bliźniaka, pozwala na tworzenie „sprytnych”, zintegrowanych przestrzeni. Skorelowany efekt różnorodnych trendów łączy się w celu stworzenia nowych możliwości i kreuje przełomowe wartości.

Gartner przewiduje, że już w 2020 roku będzie więcej niż 20 bilionów połączonych sensorów, punktów krańcowych (endpoints), a digitalne bliźniaki będą odzwierciedlać miliony „rzeczy”. Implementacja digitalnych bliźniaków będzie prosta i dostępna, a one same będą ewoluować w czasie, poprawiając własne możliwości zbierania i wizualizacji właściwych danych, aplikowania odpowiedniej analityki i zasad i odpowiadać efektywnie na zapotrzebowania biznesowe.

Początki wirtualnej repliki

Koncepcja digitalnego bliźniaka, wykorzystywana między innymi przez NASA, sięga korzeniami ery modeli 3D, modeli CAD, symulacji procesowej w fazie przedwdrożeniowej produkcji.

– NASA skorzystała z parowania i (dzięki odwzorowywaniu stanu maszyny) sprowadziła załogę bezpiecznie na Ziemię. „Bliźniak” Apollo 13 umożliwił specjalistom reagowanie na bieżące awarie i wdrażanie poprawek w czasie rzeczywistym – mówi Paulina Woźniak, CEO w Coders House, software house, specjalizującej się w technologii blockchain. Wtedy jeszcze nikt nie mówił o digital twins. Teraz wiemy, że NASA użyła cyfrowego odpowiednika dokładnie w ten sposób i w tym samym celu, co dziesiątki firm pracujących nad nowym produktem. Cyfrowy bliźniak imponuje dzięki swoim możliwościom przewidywania i wykorzystywania danych.

Norbert Biedrzycki, Head of Services CEE, Microsoft: – Pytanie zadawane we wszystkich fabrykach i biurach projektowych świata w tamtych czasach brzmiało: czy jest sposób na to, by wszystkie anomalia w projektowanych obiektach wykrywać wcześniej . Czy da się lepiej monitorować procesy produkcji, lepiej przewidywać zachowania gotowych urządzeń? Z pomocą miała przyjść informatyka. Rozwijająca się technika komputerowa, zdolności obliczeniowe maszyn i coraz lepszy software, umożliwiały tworzenie trójwymiarowych obrazów, które coraz doskonalej obrazowały formę projektowanych konstrukcji. Największym wyzwaniem było spowodowanie, aby te trójwymiarowe rendery zaczęły „myśleć”. Żeby stały się w końcu czymś więcej, niż tylko efektowną animacją, która prezentuje działanie rzeczywistych obiektów.

Dokonująca się stopniowo zmiana polegała na tym, że obrazy dało się powoli integrować z rozmaitymi informacjami, danymi o rożnym charakterze. Obraz nie był już tylko grafiką. Stawał się trójwymiarową, realistyczną bryłą, która potrafiła „udawać” zachowania swojego fizycznego odpowiednika. Pokazywał, ile on może ważyć, ile energii zużywać, ukazywał, jak potrafi współpracować z resztą podzespołów, jak zachowa się w codziennym funkcjonowaniu. Chociaż symulacje stawały się coraz doskonalsze, ciągle istniała nieprzekraczalna granica między wirtualnym modelem, a jego fizycznym odpowiednikiem.

Bliźniak 3P

Bliźniak jest wirtualnym odzwierciedleniem fizycznych obiektów, produktów, procesów, miejsc, systemów i rzeczy. Łączy świat fizyczny i wirtualny i pozwala na ich koegzystencję. W pracy „Digitalny bliźniak: przewidywanie nieprzewidywalnego, niepożądanego i nagłego” z 2016, dr Michael Grieves i John Vickers napisali: „Digitalny bliźniak jest konstruktem wirtualnych informacji, w pełni opisującym potencjalny lub faktycznie wytwarzany produkt i przesuwa go ze skali mikro do makrogeometrycznej”.

– Rozwój technik wirtualnej rzeczywistości i rosnące możliwości obliczeniowe komputerów, a także narodziny technologii takich jak rozszerzona rzeczywistość i Internet Rzeczy – to wszystko razem miało olbrzymi wpływ na jakościową zmianę w tworzeniu cyfrowych reprezentacji – mówi Norbert Biedrzycki. Duże znaczenie miała tu idea deep learning, z jej kluczową zasadą samodoskonalenia się systemów wraz z przetwarzaniem kolejnych informacji. Sztuczna inteligencja odsłaniała swoje wielkie możliwości. Spełniało się marzenie inżynierów; cyfrowy prototyp potrafił wymieniać na bieżąco informacje ze swoim fizycznym bratem bliźniakiem.

Jednym z aspektów ewolucji digitalnych bliźniaków – co przenosi nas poza wymiar Internetu Rzeczy – będą firmy adoptujące digitalne bliźniaki w organizacji (DTO – Digital Twin Organization). – DTO jest dynamicznym software, który bazuje na danych operacyjnych lub innych w celu zrozumienia, jak organizacja wdraża swój model biznesowy, łączy stan aktualny, zarządza zasobami i odpowiada na zmiany, aby dostarczyć oczekiwanej wartości dla konsumenta – twierdzi David Cearley. DTO pomaga osiągać efektywność procesową, kreować bardziej dynamiczne, elastyczne i transparentne procesy, które potencjalnie automatycznie zareagują na zmianę warunków otoczenia.

  • Bliźniak produktowy

Używany jest do projektowania nowych produktów. Może być stosowany do wirtualnej walidacji produktu, jego funkcjonowania w świecie realnym. Obserwacja jak produkt zachowa się w różnorodnych warunkach wirtualnie, pozwala na przewidzenie, jak faktycznie i czy zgodnie z planem zadziała i jak zaadoptuje się do warunków faktycznych. Daje możliwość nawigacji kompleksowości w celu podejmowania jak najbardziej właściwych decyzji oraz redukcję ilości prototypów, czasu rozwoju, poprawę jakości finalnie produkowanego produktu i daje możliwość ekspresowej interakcji z konsumentem, a tym samym szybką informację zwrotną.

  • Bliźniak produkcyjny

Używany jest w procesach produkcyjnych i planistycznych. Pozwala na walidację procesu produkcyjnego przed faktyczną jego aplikacją w fabryce. Ta symulacja pozwala na analizę, co i dlaczego może się zdarzyć w procesie i tworzy efektywną metodologię przewidująca różnorodne warunki.

Bliźniak produkcyjny może być zaadoptowany do urządzeń i linii produkcyjnych. Pozwala na uniknięcie błędów, przestojów i awarii, jednocześnie ustalając przewidywany czas przeglądów. Operacje produkcyjne stają się bardziej przewidywalne, efektywne i zoptymalizowane.

  • Bliźniak produktywnościowy

Pozwala na analizę danych operacyjnych i poprawę efektywności i utylizacji zasobów produkcyjnych. Zbiera wystarczającą ilość danych, żeby zabezpieczyć podejmowanie decyzji, pozwala tym samym wpływać na podniesienie efektywności procesowej i kosztowej.

Przykłady zastosowania bliźniaków

Digitalny bliźniak znalazł zastosowanie w różnorodnych branżach, poczynając od elektrowni wiatrowych, poprzez przemysł automotive do FMCG. Popularność tej koncepcji rozszerza się znacząco.

Prekursorem korzystania z narzędzi digital w przemyśle samochodowym jest Tesla. Tesla kreuje digitalnego bliźniaka dla każdego produkowanego przez siebie modelu samochodu, co pozwala firmie na utrzymywanie ciągłego przepływu informacji „z samochodu do fabryki”, a tym samym na przewidywanie problemów technicznych związanych z utrzymaniem i użytkowaniem samochodu i bieżące ich rozwiązywanie.

Volkswagen wspiera się „wirtualnym bliźniakiem” w tworzeniu digitalnych prototypów samochodów 3D. W centrum firmy w Wolksburgu funkcjonuje specjalny departament zajmujący się tworzeniem wirtualnych prototypów. Digitalny bliźniak wspiera proces produkcji i rozwój samochodu poprzez przekaz danych rzeczywistych w czasie. Praca tego zespołu pozwala na podniesienie poziomu rozwoju produktu: poprawę designu, jakości, konstrukcji i samego procesu produkcyjnego samochodu.

– Kolejny przykład może stanowić Bosch i podejście firmy do optymalizowania procesu produkcji w swoich fabrykach – mówi Paulina Woźniak. – Dzięki zastosowaniu digital twins w zakładach produkcyjnych, Bosch porównuje dane produkcyjne linii produkcyjnych z wynikami cyfrowych bliźniaków linii, których wydajność wynosi 100 procent. Efekty są – raz jeszcze – fenomenalne. Odchylenia w produkcji są błyskawicznie identyfikowane i naprawiane. Dzięki połączeniu linii oraz     stworzeniu ich „bliźniaczek”, firma pochwaliła się 25-procentową poprawą wydajności w     konkretnych obszarach produkcji.

Intrygującego podziału dokonało w swoim narzędziu Oracle, które umożliwiło stworzenie dwóch typów bliźniaków: predyktywnych i cyfrowych. Pierwszy jest odpowiedzią na pytanie co stanie się z produktem w przyszłości, jakie awarie mogą mieć miejsce i jak można im zapobiegać, monitorując zachodzące zmiany. Cyfrowy to dokładna kopia, która bazuje na aktualnych danych. Jej celem jest analiza codziennej pracy w celu lepszego pojęcia wszelkich procesów oraz znalezienia potencjalnych możliwości optymalizacji.

– Nowa technologia nie mogłaby się dalej rozwijać bez ewolucji oprogramowania. Dzisiaj oferuje je m.in. Microsoft. Platforma Microsoftu Azure, będąca zintegrowanym zestawem narzędzi informatycznych, umożliwia programistom tworzenie złożonych modeli w chmurze. Możliwe jest wykonywanie rozmaitych obliczeń i analiz predykcyjnych w oparciu o dane z wielu rozmaitych źródeł – mówi Norbert Biedrzycki.

  • Bliźniak GE

Digitalny bliźniak to konstrukcja pięciu współpracujących ze sobą elementów: sensorów, aktywatorów, integracji, analityki i świata realnego. To tysiące sensorów, które mierzą funkcjonowanie „rzeczy” w czasie realnym, a następnie są transmitowane do digitalnej platformy, która w odpowiedzi prowadzi analizy praktycznie w czasie realnym.

General Electric jest ekspertem w tworzeniu digitalnych kopii. Digitalny bliźniak GE wykorzystuje wieloletnie doświadczenie i wiedzę sektorową, a bazuje na sensorach, danych operacyjnych i modelach fizycznych oraz zaawansowanej analityce.

  • Bliźniak „żywotny” GE (lifing)

Jest w stanie ocenić dane urządzenie w fabryce i to, jak będzie przebiegał proces jego starzenia w kontekście działania i poddania warunkom zewnętrznym. „Zmęczenie materiału”, nacisk, utlenianie i inne procesy stają się przewidywalne dzięki bliźniakowi, a to pozwala na optymalizację użytkowania, utrzymania i niezawodności danego urządzenia, tak jak całego systemu operacyjnego.

  • Bliźniak „anomalii” GE (anomaly)

Korzysta z fizyki i modeli opartych na analizie danych w celu wykrycia błędów i potencjalnych awarii i redukuje nieplanowane przestoje urządzenia. Używając w łączony sposób pierwszego i drugiego bliźniaka, można uzyskać z dużym prawdopodobieństwem „cykl życia urządzenia” i dalej personalizować potrzeby utrzymania go w ruchu.

Bliźniak „termalny” GE (thermal) determinuje efektywność cieplną, wydajność i przewiduje poziom emisji, jak i symuluje wszystkie parametry, które mogą wpłynąć na wyniki. Ta technologia może być wykorzystana we wszystkich rodzajach elektrowni.

  • Bliźniak „przejściowy” (transient)

Pozwala na symulację zdolności elektrowni do reakcji na zmiany w środowisku i na ich kontrolę. Obejmuje start, stopień fluktuacji, regulację urządzenia. Bliźniak pozwala na wgląd w tempo pracy, stabilność, emisje i zakłócenia, jak i ograniczenia w procesie.

W raporcie Deloitte „Przemysł 4.0 i digitalny bliźniak” Aaron Parrott i Lane Warshaw piszą: „Stworzenie digitalnego bliźniaka w celu jednorazowego zastosowania może być bardzo trudnym zadaniem. Kluczowe jest, żeby rozpocząć działania w jednym obszarze, znaleźć wartość dodaną, a potem kontynuować rozwój w innych obszarach. Kluczowe jest, żeby firma w pierwszej kolejności zrozumiała definicję i koncepcję własnego rozwoju w implementacji digitalnego bliźniaka”.

Asparuh Koev, CEO firmy Transmetric, mówi: – Jednym z doskonałych przykładów potencjału digitalnych bliźniaków jest transport kontenerowy. Kondycja kontenera może być poddana inspekcji poprzez użycie technologii 3D, która pozwala na identyfikację uszkodzeń wewnętrznych. W następnym kroku te dane mogą być skorelowane z danymi historycznymi, co pozwala na stworzenie digitalnego bliźniaka, który będzie wspierał decyzje dotyczące, kiedy i jak ten kontener powinien być używany, reperowany czy wycofany z użytku. Ponadto agregowanie takich danych – jeśli rozpatrujemy to w kontekście całej floty transportowej u danego właściciela – pozwoli mu na podejmowania decyzji sterowanych danymi na temat wielkości i zmian w tejże flocie.

Przyszłość dzieje się tu i teraz

Digitalny bliźniak może być wykorzystywany na różnorodnych płaszczyznach – od designu (tworzenia modeli 3D) poprzez integrację systemową, kontrolę funkcjonalności urządzenia lub procesu, po diagnostykę, przewidywanie i zaawansowana analitykę. Integruje obszary Internetu Rzeczy, sztucznej inteligencji, uczenia maszynowego i wykresów przestrzennych. To narzędzie przyszłości w procesie ciągłego dynamicznego rozwoju. Gartner przewiduje, że do roku 2021, aż połowa dużych graczy rynkowych będzie użytkować digitalnego bliźniaka, tym samym zyskując 10-procentowy wzrost efektywności procesowej.

ABB rozwinęło zunifikowaną, międzysektorową digitalną koncepcję poprzez przejście z „rzeczy” do „chmury” – systemy i rozwiązania są w interakcji ze sobą . ABB stawia także następny krok, kreując digitalną reprezentację sensorów, urządzeń i systemów, tworząc praktycznie identyczne odbicie fizycznego urządzenia.

– Logistyka ma jeszcze dużo do odkrycia pełnego potencjału digitalnych bliźniaków. Jest to ciągle koncepcja kosztowna dla większości graczy operujących na niskomarżowym rynku – mówi Asparuh Koev. I dodaje: – Jednakże dzięki rozwojowi IoT, cloud computing, uczenia maszynowego i innych innowacyjnych technologii, koncepcja digitalnych bliźniaków powoli osiągnie „masę krytyczną” w logistyce i będziemy obserwować coraz więcej realnych wdrożeń. Celem końcowym jest osiągnięcie bezprecedensowego poziomu wglądu i wizualizacji stanu przeszłego, teraźniejszego i przyszłości „czegoś” co może być czymkolwiek – od opakowań po globalne sieci logistyczne.

Norbert Biedrzycki: – Wyrafinowane symulacje mogą pomagać menedżerom w zarządzaniu budynkami, halami produkcyjnymi. Już dzisiaj rodzą się pomysły, aby nowoczesną technologię wykorzystywać przy złożonym planowaniu przestrzennym, do budowy miast, badania zachowań skupisk ludzkich. Cyfrowe repliki mogą doskonale sprawdzać się w badaniu zachowań budynków pod wpływem zmieniających się warunków atmosferycznych czy obecności ludzi. Innowacyjna technologia budzi już zainteresowanie środowisk medycznych. Dane płynące z elektronicznych opasek zakładanych przez pacjenta, trafiają do komputera a następnie, odpowiednio przetworzone, mogą wpływać na działanie aparatury stosowanej podczas leczenia. Opisane procesy pokazują, jak blisko zespalamy się z technologią, która przestaje być zewnętrznym bytem, trafia niemal do naszego krwioobiegu.

Nie ma odwrotu! Procesy produkcyjne i logistyczne staja się coraz bardziej zdigitalizowane, a innowacyjne rozwiązania korzystające z nowoczesnych technologii przynoszą firmom optymalizację wszystkich procesów biznesowych, dając realny rozwój i pokazują, że są uzasadnione zarówno strategicznie, jak i operacyjnie.

Autor:

Beata Elert

Dyrektor operacyjna i zarządzania łańcuchem dostaw, Interim Manager. Pracowała m.in. w United Biscuits, LU Polska, Lisner, Polmos Żyrardów (grupa Moet Henessy). Absolwentka socjologii UJ w Krakowie, studiowała nauki społeczne na Erasmus University w Rotterdamie. Posiada tytuł MBA National Louis University Wyższej Szkoły Biznesu w Nowym Sączu i Diploma in Management Study Henley Management College w Wlk. Brytanii.

KONFERENCJA ONLINE: E-COMMERCE BOOM SPRAWDŹ