Cyfrowy bliźniak czyli optymalizacja procesu projektowania w przedsiębiorstwie

Cyfrowy bliźniak (ang. digital twin) to pojęcie, które coraz mocniej zakorzenia się wśród inżynierów oraz architektów zajmujących się projektowaniem. Tzw. cyfrowy bliźniak jest spełniającą się właśnie wizją stworzenia wirtualnego świata odwzorowującego otaczającą nas rzeczywistość. Idea ta ma swoje zastosowanie również m.in. w projektach wykonywanych w technologii BIM z wykorzystaniem skanowania laserowego.

Spis treści

1. Co to jest bliźniak cyfrowy?
2. Do jakich celów wykorzystuje się cyfrowego bliźniaka?
3. Typowe wykorzystanie cyfrowego bliźniaka:
4. Cyfrowy bliźniak to wiele potencjalnych korzyści

Co to jest bliźniak cyfrowy?

Cyfrowy bliźniak (ang. digital twin) jest wirtualnym (cyfrowym) odzwierciedleniem fizycznych maszyn czy innych produktów, ale również całych układów, systemów bądź procesów. Jest to więc połączenie fizycznego produktu i jego cyfrowego obrazu w wirtualnej przestrzeni 3D, co pozwala lepiej symulować różne jego zachowania w zależności od różnorodnych warunków. Żeby te symulacje odpowiadały rzeczywistości, cyfrowy bliźniak musi jak najdokładniej odzwierciedlać fizyczny obiekt. W przypadku np. maszyny ten wirtualny obraz nie będzie tylko odwzorowywał jej konstrukcję mechaniczną, ale również m.in. całą elektronikę, układ sterowania i napędowy czy wykorzystywane oprogramowanie.

Do stworzenia cyfrowego bliźniaka wykorzystuje się modele matematyczne, zaawansowane systemy informatyczne, rozwiązania z obszaru sztucznej inteligencji oraz Internetu Rzeczy, a także narzędzia, które umożliwiają przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym.

Koncepcja cyfrowego bliźniaka w obecnym kształcie pojawiła się już na początku obecnego stulecia, choć jej popularność zaczęła wzrastać, kiedy przedsiębiorstwa rozpoczęły transformację cyfrową i wdrażanie rozwiązań z obszaru czwartej rewolucji przemysłowej. Dziś jest jedną z tych technologii, które mają realny wpływ na optymalizację procesów projektowania i prototypowania, a pośrednio również na wzrost efektywności przedsiębiorstwa.

Do jakich celów wykorzystuje się cyfrowego bliźniaka?

Pierwotnym założeniem koncepcji cyfrowego bliźniaka było stworzenie wirtualnego modelu 3D maszyny, urządzenia czy innego produktu (bądź jednego z podzespołów), który umożliwiałby przeprowadzanie na nim zaawansowanych symulacji. Dzięki temu możliwe było sprawdzanie i w razie konieczności poprawianie różnych funkcjonalności danego produktu przed wprowadzeniem go na rynek.

Obecnie technologia cyfrowego bliźniaka ewoluowała już znacznie i stosuje się ją również w innych obszarach, nie tylko na etapie projektowania, w których cyfrowe odzworowanie rzeczywistości może usprawnić pewne procesy. Dzięki rozwiązaniom Internetu Rzeczy (przede wszystkim różnego rodzaju czujnikom) gromadzone są dane, które umożliwiają przeprowadzenie analizy na temat danego produktu i wdrożenie niezbędnych udoskonaleń.

Technologię tę wykorzystuje się np. do prac serwisowych, modernizacyjnych bądź napraw. Pracownik, zanim wykona odpowiednie czynności, najpierw przeprowadza na cyfrowym bliźniaku ich symulację, żeby sprawdzić ich ewentualne następstwa. W sytuacji, gdy ten sam wirtualny model jest wykorzystywany do testowania na różnych etapach, system sam będzie podpowiadać, które elementy mogą np. podlegać wymianie. Uzyskane w ten sposób informacje mogą posłużyć także do udoskonalania kolejnych wersji produktu wprowadzanych do sprzedaży.

Cyfrowego bliźniaka można stworzyć nie tylko dla konkretnego produktu, ale również np. dla całej linii produkcyjnej w fabryce bądź dowolnego elementu infrastruktury zakładu. Wirtualny model 3D pozwoli lepiej zrozumieć zachodzące procesy, przewidzieć poszczególne zachowania, zarządzać i optymalizować te procesy.

• Zobacz galerię: Największe hale przemysłowe powstające w Polsce

Zobacz galerię 13 zdjęć

Typowe wykorzystanie cyfrowego bliźniaka:

• testowanie prototypów różnych produktów pod kątem spełniania przez nie określonych założeń,
• testowanie różnych potencjalnych rozwiązań dla danego produktu,
• analiza pojawiających się błędów projektowych i niezgodności z założeniami koncepcyjnymi,
• przeprowadzanie szkoleń związanych np. z obsługą lub serwisowaniem maszyny czy urządzenia,
• zdalna obsługa serwisowa,
• monitorowanie procesów w celu wspomagania decyzji i wykrywania wszelkich anomalii.

Cyfrowy bliźniak to wiele potencjalnych korzyści

Technologia digital twin może przynieść przedsiębiorstwu bardzo duże oszczędności. Przede wszystkim faza prototypowania i testowania nowego produktu odbywa się dużo szybciej i przy dużo niższych kosztach operacyjnych. Nie ma bowiem potrzeby czasochłonnego wytwarzania kolejnych wersji fizycznych prototypów – wszelkie zmiany wprowadza się bardzo szybko, zmieniając tylko odpowiedni kod oprogramowania. Oszczędności te sprawiają, że przed wprowadzeniem produktu do sprzedaży można przeprowadzić dużo większą liczbę testów, które pozwolą dokładniej sprawdzić jego zachowanie w różnych warunkach.

Większa liczba różnorodnych symulacji znacząco zmniejsza ryzyko wystąpienia poważnych błędów projektowych, których następstwem może być wprowadzenie na rynek produktu wadliwego lub o niskiej jakości. W przypadku natomiast linii produkcyjnej technologia cyfrowego bliźniaka sprawia, że już od pierwszych chwil jej uruchomienia poszczególne procesy produkcyjne są optymalnie dopasowane.

Cyfrowy bliźniak umożliwia także udoskonalanie tych procesów. Dzięki otrzymywanym informacjom zwrotnym i przeprowadzanej analizie danych możliwe jest bowiem stałe wirtualne monitorowanie zachodzących procesów produkcyjnych. W razie potrzeby można więc skorygować ustawienia linii produkcyjnej czy parametry wytwarzania produktu. Dane te pozwalają również lepiej poznać zachodzące procesy i prognozować potencjalne usterki. Tym samym cyfrowy bliźniak może stać się istotnym elementem predykcyjnego utrzymania ruchu i zapobiegania wystąpienia kosztownych przerw w produkcji.

Wojciech Traczyk