Что такое цифровой двойник? Возьмите систему, наполните ее датчиками, а затем используйте данные для создания модели, которая точно скажет вам, что происходит в системе, и, возможно, как ее улучшить.
Трудно дать более точное определение, так как размер и природа двойников в разных областях настолько несопоставимы. «Я видел, что существует почти столько же идей о том, что такое цифровой двойник, сколько и исследователей, – сказал Shane O’Seasnáin, профессор машиностроения в Технологическом университете Эйндховена в Нидерландах. – Для этого есть веские причины: обычно люди сосредотачиваются на одной области исследований, поэтому они создают цифрового двойника для своего варианта использования».
Zheng O’Neil, профессор машиностроения Техасского университета A&M и член Университетской лаборатории цифровых двойников, формулирует это по-другому: «Это виртуальное представление объектов и процессов реального мира, синхронизированных с заданной частотой и точностью, – говорит она. – В связи с быстрым развитием сенсорных, коммуникационных и вычислительных технологий были разработаны и использованы цифровые двойники для моделирования реальных условий с использованием данных в реальном времени, улучшения операций и обеспечения оптимизации в различных масштабах».
Как бы вы его ни определяли, цифровой двойник – это концепция, охватившая инженерный мир. Когда системы становятся сложными, нет лучшего инструмента для понимания взаимодействий и прогнозирования. Вот области, в которых цифровой двойник скоро произведет революцию.
Здания
Зданий в мире много, и каждое из них представляет собой клубок систем и подсистем. Точное понимание того, как электричество, сантехника, отопление, охлаждение, пешеходное движение, лифты, рабочие графики и графики уборки работают вместе — а иногда и друг против друга — для поддержания функционирования здания естественным образом приведет к большей эффективности, комфорту и дизайну.
«Мы используем моделирование, чтобы предоставить владельцам и проектировщикам зданий сценарии «или/или» для анализа, – говорит O’Neil. – Но мы не просто используем модели на этапе проектирования, мы пытаемся использовать эти модели на протяжении всего жизненного цикла здания».
С тысячами датчиков в здании модель может создавать более эффективные решения, чем может себе представить человек-оператор. Например, когда температура находится на комфортном уровне для жителей здания, управляющий зданием без цифрового двойника может предположить, что все в порядке, хотя на самом деле могут быть значительные потери.
«Если комнатная температура поддерживается идеально, вы не увидите того, что мы называем одновременным нагревом и охлаждением, — сказала O’Neil. – Руководители объектов могут этого не заметить, пока не получат счет». Цифровой двойник предложит решения, а владельцы и менеджеры смогут наилучшим образом определиться, как решить проблему.
Точно так же в сезон простуды и гриппа цифровой двойник может предложить способы размещения людей в здании, чтобы увеличить расстояние между ними. В качестве альтернативы, в период, когда, скажем, отопление может быть дорогим, цифровой двойник может предложить объединить людей.
Решения цифровых двойников, такие как OpenBlue от Johnson Corporation, Azure от Microsoft и Honeywell Forge от Honeywell, скоро будут работать в умных зданиях по всему миру.
Города
Вряд ли на планете найдется более сложное образование, чем город. Это сеть транспортных и пешеходных маршрутов, метро и водных путей, не говоря уже об электростанциях и потреблении энергии, притоке и оттоке, запасах продовольствия и демографии. Конечно, в каждой из этих областей есть специализированные инженеры-строители, но цифровой двойник может предложить новые идеи и пролить свет на связи, о которых никогда раньше не задумывались.
«Вы можете комбинировать различные типы систем – и пользователей – вместе и реально увидеть, каковы эффекты, возникающие из всего этого, – сказал O’Seasnáin. – Может быть, мы можем посмотреть на уровень грунтовых вод, мы можем посмотреть на загрязнение, мы можем посмотреть на индивидуальное поведение, мы можем посмотреть на такие вещи, как ожирение и диабет, мы можем посмотреть на зеленые насаждения — мы можем посмотреть на все виды областей, и мы действительно можем сделать шаг вперед и принять более взвешенные решения».
Dassault Systemes работает с городом Ренн, Франция, над созданием цифрового двойника. Виртуальная 3D-модель, по которой вы можете практически виртуально пройтись, позволит градостроителям и предприятиям принимать сложные решения о развитии, инфраструктуре и поездках.
Поскольку управление водой и температурой имеет решающее значение для выживания, Сингапур лидирует со своим цифровым двойником Virtual Singapore. У него уже есть три миллиона фотографий улиц, 160 000 аэрофотоснимков и миллиарды точек данных, встроенных в его виртуальный город размером 100 терабайт. Многие города мира — Хельсинки, Шанхай, Нью-Йорк и многие другие — следуют его примеру.
Фермы
Цифровые двойники имеют место и далеко за пределами города. Ферма — это такая же система, как и любая другая, с растущим уровнем автоматизации и зависящая от множества постоянно меняющихся переменных. Датчики влажности и почвы в поле, мониторы скота в коровнике, информация о цепочке поставок и данные о машинах могут быть введены в единую модель. Имея программное обеспечение цифровых двойников на телефоне или компьютере, фермеры могут принимать решения, не полагаясь на прямое наблюдение. В зависимости от уровня автоматизации они также могут менять планы, не выходя из своего экрана.
Картофель, разумеется, не единственная культура, которая может извлечь выгоду из двойника. Исследователи из Техасского центра A&M Agrilife Center в Корпус-Кристи создают цифрового двойника для выращивания хлопка, чтобы помочь фермерам найти баланс между ростом урожая и качеством волокна. Точно так же Институт устойчивого сельского хозяйства с искусственным интеллектом в Университете штата Айова создает «прогностических цифровых двойников на основе искусственного интеллекта» для лучшего управления ресурсами. Они надеются, что это поможет фермам использовать воду, удобрения и энергию сверхточно и эффективно, что, в конечном счете, поможет как фермеру, так и окружающей среде.
Электростанции
Назначение цифрового двойника для объектов меньше города, таких как атомная электростанция, проще. «Мне нравится держать его в сфере эксплуатации и обслуживания», – сказал Richard Vilim, старший инженер-ядерщик, который руководит анализом и контролем станции, а также отделом датчиков в Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе. Он также разрабатывает цифровых двойников для использования с реакторами. «Это параллельная конструкция, позволяющая определить, хорошо ли идут дела. Или, если что-то пойдет не так, что пойдет не так».
Датчики и обработка данных, которые используются в двойниках, над которыми работает Vilim, имеют конкретную цель: сделать обслуживание более эффективным и дешевым. Например, насос на атомной электростанции разбирают и снова собирают каждые пять лет, независимо от его состояния.
«То, что вы хотите сделать, это отсроченное техническое обслуживание, – сказал Vilim. – Цифровой двойник – это эталон, с которым вы можете сравнить компонент или систему, чтобы определить, идет ли ваша система на спад. А если нет, то это основание для отсрочки обслуживания».
Vilim работает над созданием цифровых двойников для существующего парка реакторов, а также для таких компаний, как X-Energy, которые создают небольшие модульные реакторы. Если несколько реакторов имеют одинаковую конструкцию, они могут использовать одну и ту же модель цифрового двойника.
«Мы хотели бы перейти на полуавтономные электростанции, – сказал Vilim. – Большая проблема атомных станций в том, что там очень много людей. Так что, если вы можете перенести эти человеческие задачи на компьютер, вы сэкономите деньги, потому что компьютер может быть удален и он может управлять несколькими станциями. Вы знаете, что вы не можете взять человека, клонировать его и пересадить на другие станции».
Статья Michael Abrams с сайта «The American Society of Mechanical Engineers», 25 апреля 2023 г.
Перевод подготовила Елена Михаленко
