Digital twins – the answer to contemporary industry challenges
dr hab. inż. Andrzej Katunin, prof. PŚ
członek Akademii Młodych Uczonych PAN
Streszczenie
Cyfrowe bliźniaki, wirtualne kopie rzeczywistych obiektów i systemów, które potrafią odwzorowywać, nie tylko ich postać, ale również funkcjonowanie, zmieniają przemysł nie do poznania. Dzięki cyfrowym bliźniakom można symulować warunki i sytuacje, których nie można byłoby odtworzyć w laboratorium lub których testowanie jest zbyt kosztowne lub niebezpieczne. To pozwala optymalizować czas projektowania i wytwarzania obiektów i systemów, zapewniając wyższy poziom bezpieczeństwa i niezawodności, a do tego oszczędzając resursy. Chociaż pojęcie cyfrowych bliźniaków wywodzi się z inżynierii i pierwszych implementacji w przemysłach kosmicznym i lotniczym, obecnie powszechność takich rozwiązań obejmuje wiele innych branż, takich jak budownictwo, urbanistykę, czy nawet farmację. W artykule omawiam niektóre implementacje i trendy w Przemyśle 4.0 z wykorzystaniem cyfrowych bliźniaków.
Słowa kluczowe: cyfrowy bliźniak, Przemysł 4.0, lotnictwo, BIM
Abstract
Digital twins, virtual copies of real objects and systems that can reproduce not only their form but also their functioning, are changing the industry beyond recognition. Digital twins can simulate conditions and situations that could not be reproduced in the laboratory or whose testing is too expensive or dangerous. This allows to optimize the design and production time of objects and systems, ensuring a higher level of safety and reliability, and also saving resources. Although the concept of digital twins comes from engineering and the first implementations in the space and aviation industries, the commonness of such solutions now covers many other industries, such as construction, urban planning, and even pharmacy. In this article, I discuss some implementations and trends in Industry 4.0 using digital twins.
Keywords: digital twin, Industry 4.0, aviation, BIM
POTĘGA CYFROWEGO BLIŹNIAKA
Cyfrowy bliźniak, jak słusznie wskazuje nazwa, jest cyfrową kopią rzeczywistego obiektu, zazwyczaj o skomplikowanej konstrukcji i funkcjonalności. Poza kopią postaci geometrycznej, która de facto sprowadza się do modelu CAD (lub szerzej CAx), cyfrowy bliźniak ma wiele więcej – potrafi dokładnie odwzorowywać cechy rzeczywistego obiektu, jego właściwości i funkcjonalność. Daje to możliwość symulowania różnych scenariuszy bez potrzeby angażowania w ten proces rzeczywistego obiektu lub systemu. Szczególnie przydatne może to być przy symulowaniu usterek i awarii, co pozwala pozyskiwać dane, na podstawie których możliwe jest przewidywanie takich sytuacji podczas eksploatacji obiektu rzeczywistego. Cyfrowe bliźniaki mają wiele wspólnego z systemami monitorowania stanu (ang. structural health monitoring) i niekiedy są z nimi mylone. Należałoby uznać, że cyfrowy bliźniak jest pojęciem znacznie obszerniejszym i systemy monitorowania stanu mogą pokrywać się funkcjonalnością z cyfrowymi bliźniakami jedynie częściowo. Z uwagi na możliwości prognozowania i modelowania procesu decydowania cyfrowym bliźniakom znacznie bliżej do wciąż rozwijanej filozofii CBM (ang. condition-based maintenance), niż do wspomnianych systemów monitorowania stanu.
Obecnie cyfrowe bliźniaki organicznie włączyły się w najnowsze trendy Przemysłu 4.0, łącząc się z Internetem Rzeczy lub algorytmami optymalizacji i uczenia maszynowego. Takie rozwiązania stały się wielką siłą napędową dla przemysłu – przez wdrożenie cyfrowych bliźniaków stało się możliwe kontrolowanie i zarządzanie całym cyklem życia produktu lub systemu, zaczynając od projektowania i symulowania jego działania, poprzez monitorowanie procesu produkcyjnego i kończąc na monitorowaniu procesu eksploatacyjnego, a niekiedy również recyklingu czy upcyklingu produktu. Rozwiązanie, pomimo integracji całego cyklu życia przyniosło również wymierne korzyści w postaci obniżenia kosztów i czasu, zwłaszcza na etapie projektowania i prototypowania. Jak jednak zaczynała się historia cyfrowych bliźniaków?
Wbrew dosyć powszechnej historii o początkach cyfrowych bliźniaków, którą można odnaleźć w wielu polskich i zagranicznych źródłach, łączących je z misją wahadłowca Apollo 13 w latach 70. ubiegłego wieku, ma ona niewiele wspólnego z rzeczywistością. Biorąc pod uwagę sam fakt, że w latach 70. trudno było mówić o cyfryzacji, systemy odwzorowania geometrii były na bardzo podstawowym poziomie, nie wspominając już o kwestiach wykorzystywania danych pozyskiwanych z monitoringu. Co więcej, kwestie przywrócenia funkcjonalności wahadłowca, owszem opierały się na bliźniaczych systemach, ale te systemy były fizycznymi symulatorami, dzięki którym możliwe było bezpieczne sprowadzenie astronautów na Ziemię. Jednak wiązanie koncepcji cyfrowych bliźniaków z NASA nie jest bynajmniej błędne – właśnie tam powstał ten termin, ale trzy dekady później po startach Apollo 13. Po raz pierwszy termin cyfrowy bliźniak został użyty w 2002 r. Jak ewoluował i zmieniał przemysł w następnych dekadach? Przeanalizujmy zmiany, które nastąpiły dzięki ich prowadzeniu.
CYFROWE BLIŹNIAKI – TRANSFORMACJA, CZY TYLKO PRZEMYSŁOWA?
Jak wspomniano, to NASA wprowadziło pojęcie cyfrowego bliźniaka i tam właśnie powstawały pierwsze z nich. Nie ma zatem niespodzianki w tym, że transformacja przemysłowa dzięki wprowadzeniu cyfrowych bliźniaków odbywała się przede wszystkim w branżach związanych z lotnictwem i kosmonautyką i z nich czerpane były i są innowacyjne rozwiązania dla innych branż. Początki stosowania cyfrowych bliźniaków w postaci i o właściwościach które znamy obecnie pochodzą przede wszystkim z NASA i USAF (U.S. Air Force, w szczególności Air Force Research Laboratory), gdzie wykorzystywano je do symulowania ekstremalnych warunków eksploatacji statków powietrznych. Dla lotnictwa, gdzie koncepcja cyfrowego bliźniaka jest wciąż rozwijana, znaczy to wiele. Powszechne wprowadzenie cyfrowych bliźniaków jest skierowane nie tylko na zarządzanie integralnością statku powietrznego (m.in. przez predykcyjną eksploatację statków powietrznych opartą o rzeczywiste dane pomiarowe), ale także do zarządzania kadrą operacyjną czy ruchem lotniczym. Prowadzi to do istotnych oszczędności oraz zmniejszenia śladu węglowego, co w danej branży jest czynnikiem krytycznym dla środowiska.
Obecnie trudno już określić dominującą branżę w stosowaniu cyfrowych bliźniaków, bowiem wraz z biegiem czasu zakres samego pojęcia też istotnie się rozszerzył. Jedne z najciekawszych zastosowań tej koncepcji dotyczą projektowania cyfrowych bliźniaków całych miast. Przykładami miast z cyfrowym bliźniakiem są amerykańskie Las Vegas czy holenderski Rotterdam. W pierwszym z nich projekt cyfrowego bliźniaka ma na celu zmniejszenie emisji zanieczyszczeń. W przypadku Rotterdamu plany są wiele bardziej ambitne. W projekcie Digital City rozwijanym przez Future Insight w założeniu miasto będzie posiadało dokładną kopię wirtualną w postaci trójwymiarowego modelu, uzupełnianego danymi w czasie rzeczywistym. Z bliźniaka będzie mogła skorzystać, na różnych poziomach cała społeczność miasta, w tym służby, ośrodki akademickie i inne.
Cyfrowe bliźniaki zadomowiły się także w budownictwie, a koncepcja BIM (ang. building information modeling), która aktywnie rozwija się w budownictwie, jest nierozerwalnie związana z koncepcją cyfrowych bliźniaków. BIM bowiem dostarcza istotnego wsadu do zbudowania cyfrowego bliźniaka, tj. postaci geometrycznej obiektów budowlanych, właściwości materiałowych, parametrów eksploatacyjnych, szczegółowych informacji nt. instalacji i procesu eksploatacyjnego włącznie z wynikami okresowych inspekcji. Na podstawie takiego wsadu oraz dodatkowych informacji, m.in. pozyskiwanych z monitorowania stanu konstrukcji, cyfrowe bliźniaki mogą skutecznie i precyzyjnie przewidywać stany eksploatacyjne tych obiektów bez konieczności wykonania bardzo czaso- i kosztochłonnych badań, a dla niektórych ekstremalnych scenariuszy wręcz niemożliwych do odtworzenia w warunkach laboratoryjnych lub nawet polowych.
Bardzo dobrze koncepcja cyfrowych bliźniaków przyjęła się w energetyce, zwłaszcza w sektorze OZE. Wśród licznych wdrożeń cyfrowych bliźniaków można wymienić rozwiązania dla technologii wysokich napięć, rafinerii, farm turbin wiatrowych, czy też samochodów elektrycznych. Skutecznych rozwiązań na rynku staje się coraz więcej, a ich wdrożenie pozwala zaoszczędzić czas, optymalizować procesy i w konsekwencji zapewniać wyższą jakość i bezpieczeństwo produktów i systemów, wytwarzanych w procesach produkcyjnych.
Rozwiązania w zakresie bliźniaków cyfrowych znalazły miejsce nawet w medycynie, gdzie na cyfrowych bliźniakach organów testowane są nowe leki. Pojawiają się również rozwiązania wykorzystujące biosensory do monitorowania ludzkiego ciała, noszone przez pacjentów czy rozwiązania w zakresie zdalnej chirurgii. Zmierzają one w kierunku jednego z najbardziej zaawansowanych cyfrowych bliźniaków, na powstanie którego jeszcze czekamy, cyfrowego bliźniaka ludzkiego ciała, co z pewnością będzie wielkim przełomem cywilizacyjnym.
Powyższe przykłady przekonują, że transformacja przemysłowa, która miała być wynikiem wdrażania idei Przemysłu 4.0, w szczególności koncepcji cyfrowego bliźniaka, już nastąpiła. Co więcej, biorąc pod uwagę liczne pozatechnologiczne zastosowania tej koncepcji można przewidywać, że pociągnie ona zmiany w kierunku transformacji cywilizacyjnej.
CO DALEJ?
Cyfrowe bliźniaki odgrywają kluczową rolę w łączeniu świata fizycznego z cyfrowym w ramach idei Przemysłu 4.0, co można prześledzić w licznych zastosowaniach opisanych w literaturze [1,2], a także licznych wdrożeniach w przemyśle. Pozostają jednak narzędziem, które z powodzeniem kształtuje nową rewolucję technologiczną – Przemysł 5.0 [3], gdzie obok elementu społecznego systemy powinny zapewnić wyższą niezawodność i odporność na błędy poprzez automatyczną analizę strumieni danych w czasie rzeczywistym. Cyfrowe bliźniaki zapewniają taką możliwość i tworzą doskonałe podłoże do rozwoju nowych koncepcji w ramach Przemysłu 5.0, a nawet, jak twierdzą autorzy pracy [4], Przemysłu X.0.
Literatura
[1] W. Jia, W. Wang, Z. Zhang. 2022. “From simple digital twin to complex digital twin Part I: A novel modeling method for multi-scale and multi-scenario digital twin”. Advanced Engineering Informatics 53: 101706.
[2] M. Javaid, A. Haleem, R. Suman. 2023. “Digital Twin applications toward Industry 4.0: A Review”. Cognitive Robotics 3: 71–92.
[3] Z. Lyu. 2023. “Digital Twins in Industry 5.0”. Research 6: 0071.
[4] J. Barata, I. Kayser. 2024. “How will the digital twin shape the future of industry 5.0?”. Technovation 134: 103025.
