Цифровой двойник предприятия как создать

Цифровой двойник предприятия: для чего он нужен и как грамотно внедрить

Концепция цифрового двойника

Цифровой двойник — это виртуальный объект, который точно копирует реальное изделие или объект инфраструктуры. На базе цифрового двойника можно проводить моделирование поведения объекта с максимальной реалистичностью. Другими словами, в виртуальной реальности можно развернуть производство нового продукта, смоделировать работу конкретного участка предприятия.

Если компания проектирует и производит изделия машиностроения, применение цифровых двойников позволит смоделировать работу изделия в долгосрочной перспективе: прочность, надёжность, тепловые расчёты, газодинамика, кинематика, ударные нагрузки и многие другие типы анализа можно проводить на цифровом двойнике изделия. Понимая уже на этапе проектирования основные проблемные места, инженеры могут внести изменения ещё до появления первых прототипов.

Для производственных подразделений преимущества еще более очевидны. Представьте, что перед покупкой оборудования можно было бы оценить, насколько изменится производительность предприятия при добавлении новой единицы оборудования. А что, если эту покупку не обязательно совершать — можно достигнуть той же производительности просто модификацией производственной логистики или показателей техпроцесса? Что если не надо покупать станок за десятки или сотни миллионов рублей, а можно всего лишь организовать буфер хранения заготовок за доли процента от стоимости механообрабатывающего оборудования?

Все эти небольшие детали обычно очень сложно уловить на реальном производстве — однако, смоделировав ситуацию с помощью цифрового двойника, варианты для улучшений найти гораздо проще.

В целом, основная цель применения цифровых двойников производства — сценарное моделирование. Они помогают ответить на ряд очень важных вопросов:

Сколько ещё мы можем произвести на имеющемся оборудовании?

Оптимальна ли внутренняя логистика производства?

Сможем ли мы произвести нужный объём товара в срок?

Что будет, если какое-то оборудование выйдет из строя?

Что случится, если поставщик вовремя не доставит комплектующие?

Как изменится производственный план, если не будет хватать персонала?

Какова вероятность возникновения травм на производстве?

Хватит ли электрической мощности, сжатого воздуха, воды в пиковые моменты потребления?

Есть и ещё один интересный сценарий использования — совмещение цифрового двойника изделия и цифрового двойника производства. Для серийного производства технически сложных изделий процесс переналадки производства может занимать многие месяцы. И в ходе процесса непременно пострадают объёмы выпуска продукции.

Чтобы минимизировать влияние снижения производственных мощностей на этапе переналадки можно заранее осуществить виртуальную переналадку под новый продукт без остановки производственного процесса и сразу определить необходимые параметры. Цифровая модель изделия на цифровой модели предприятия проходит полный производственный цикл. Рассматривается изменение логистики производства, вносятся изменения в параметры работы конвейеров, создаются новые управляющие программы для роботов, анализируется необходимость внедрения новой оснастки — и всё это делается без остановки основного производства. Совмещение цифровых двойников изделия и производства помогает в разы сократить длительность переналадки под новую продукцию.

Этапы создания цифрового двойника

Грамотное создание цифрового двойника предприятия или продукции можно разделить на ряд этапов. Нужно понимать, что пропуск одного из них может серьёзно повлиять на эффективность внедрения двойника.

1. Сформировать показатели, по которым можно судить об успехе проекта.

2. Сформировать бюджет с учётом сроков окупаемости.

3. Назначить ответственных за реализацию функциональности и дальнейшую поддержку.

4. Создать цифрового двойника.

5. Сформировать нормативы по процессам ведения цифрового двойника и внесения изменений на производстве — сначала в ЦД, а затем уже на практике.

6. Следить за исполнением регламентов всю оставшуюся жизнь.

Результаты внедрения ЦД обычно очень хорошие, особенно если перед разработкой грамотно поставлены показатели. Например, одному из клиентов Connective PLM, изготавливающему металлопрокат и трубы, с помощью цифрового двойника удалось изменить логистику при минимальных капитальных инвестициях и повысить производительность на 7%. С учетом затраченных на программное обеспечение и новое оборудование сумм, проект окупился уже через два рабочих дня.

Примеров использования цифровых двойников уже довольно много. Многие компании, работающие в области добычи и обработки полезных ископаемых, движутся в направлении внедрения ЦД, повторяя путь своих западных коллег. Например, компания Knauf, в том числе в России, уже много лет с помощью этой концепции моделирует работу гипсовых месторождений: производственную логистику и движение транспорта. Постепенно развивается практика применения ЦД и в машиностроении. Об успешном создании цифровых двойников объявили подразделения Росатома, Новочеркасский электровозостроительный завод.

Типовые проблемы при внедрении цифрового двойника

Но не всегда внедрение ЦД проходит идеально. Первая и главная проблема, которая возникает на многих предприятиях — оторванность исполнителя от бизнес-задач. При разработке цифрового двойника не ставят ключевые показатели, которые он должен воспроизводить. Часто упускают процессы, которые нужно обязательно мониторить, а в модель при этом вносят процессы, которые не важны для функционирования предприятия.

Ещё одна проблема — заказчик не оценивает экономическую эффективность цифрового двойника. Оценивать нужно не только начальные инвестиции, но и средства на поддержку двойника. Важно понимать, что цифровой актив, как и физический, нужно обслуживать — будут возникать затраты на персонал, обновление ПО и аппаратного обеспечения. Поэтому важно перед созданием оценить экономический эффект от внедрения, а также затраты на эксплуатацию и поддержку цифровой модели. Таким образом можно понять, насколько детализированным должен быть двойник.

Излишняя сложность создаваемых моделей. Зачастую исполнители делают модели с излишней детализацией «про запас». Однако колоссальная трудоёмкость процесса разработки детализированных моделей создаёт сложности в дальнейшей поддержке комплекса моделирования — обновлять чрезмерно детализированную модель гораздо сложнее, а пользы от неё не больше.

Отсутствие ответственного за цифрового двойника подразделения. После создания цифровой актив необходимо передать “на баланс” какой-либо службе. Если же за модель никто не отвечает, она со временем устареет и через некоторое время потеряет смысл. Если мы говорим о ЦД производства, то оптимально, чтобы цифровой двойник находился в ответственности бизнес-системы предприятия либо в службе главного инженера.

Обратная последовательность внесения изменений. Сначала происходит модернизация предприятия или процессов, а уж потом, если повезёт, эта информация доходит до владельцев цифрового двойника. Последовательность должна быть диаметрально противоположной — любое изменение в оборудовании, логистике, а иногда и технических процессах сперва должно отрабатываться на цифровом двойнике, а затем претворяться в жизнь. ЦД должен являться подлинником информации о состоянии производства. В противном случае эффективность его использования будет нулевой.

Источник

Технология цифровых двойников

В простейшем случае цифровой двойник (Digital twin) — это виртуальная копия физического продукта, процесса или системы. Он действует как мост между физическим и виртуальным мирами, используя датчики для сбора данных в реальном времени о физическом объекте. На основании этих данных выполняется создание цифровых двойников, что позволяет его понимать, анализировать, манипулировать или оптимизировать.

Классификация цифровых двойников

Несмотря на то, что технология цифровых двойников существует уже несколько десятилетий, только после быстрого роста интернета вещей они стали рассматриваться как инструмент будущего. Они привлекают внимание, потому что объединяют такие вещи, как искусственный интеллект (AI) и машинное обучение (ML). Это позволяет тестировать новые идеи, выявлять проблемы, прежде чем они произойдут, получать новые ответы на новые вопросы, а также контролировать объекты удаленно. Управление данными

Виртуальные модели традиционно применялись для улучшения характеристик отдельных изделий, таких как ветряные турбины или реактивные двигатели. Однако в последние годы они стали более изощренными. Теперь они исследуют не один объект, а скорее системы или даже целые организации. По мере того, как они объединяют все больше вещей, их способность помогать решать сложные задачи также возрастает.

Прототипы (Digital Twin Prototype, DTP)

Цифровой двойник прототип (DTP) — это прототип физического объекта. Он содержит данные, необходимые для описания и создания изделия. Прототипы, в зависимости от ситуации, могут содержать информацию, касающуюся физических атрибутов, свойств, рабочих параметров, ведомости материалов, номеров деталей, а также многого другого.

Виртуальный прототип не относится к конкретному экземпляру объекта. Это скорее рецепт для создания объекта.

Экземпляры (Digital Twin Instance, DTI)

Цифровой экземпляр (DTI) — это двойник физического объекта. DTI остается связанным с объектом в течение его жизненного цикла. Виртуальный экземпляр, как правило, содержит данные, относящиеся к условиям эксплуатации, истории, прогнозируемому состоянию объекта и другие. Он может содержать список номеров деталей, которые были использованы для производства данного конкретного изделия, а также все этапы, которые были выполнены при производстве данного актива.

Виртуальный экземпляр начинается с базовой информации, заложенной в его прототипе, в течение жизненного цикла он обогащается эксплуатационными данными.

Агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA)

Digital Twin Aggregate (DTA) — это совокупность многих виртуальных экземпляров. Они могут располагаться на одном объекте (например, 100 двигателей на одном заводе) или распределяться между объектами (например, 100 двигателей на 25 заводах).

Агрегированные двойники создаются, чтобы исследовать групповое поведение объектов. Ведь групповое поведение не является суммой индивидуального поведения каждого изделия.

В будущем агрегированные двойники помогут открывать новые, неожиданные идеи. Агрегированный двойник

Сферы применения цифровых двойников

Цифровой двойник города

Город — это не только физическое пространство, но и социальная единица. Он является продуктом непрерывного взаимодействия между физическим и социальным миром. С появлением цифрового мира, город эволюционирует от взаимодействия этих миров до создания цифрового города.

Функции Google Maps для просмотра улиц и 3D-зданий можно рассматривать как отправную точку в создании цифрового двойника города. Но спрос растет не только на трехмерное изображение городов.

Виртуальный аналог — это умная трехмерная модель города, которая точно представляет улицы, здания, общественные места, а также другие объекты физического города. Многие цифровые элементы обновляются в режиме реального времени, например, движение людей или транспортных средств.

Электронный дубликат также может в режиме реального времени отслеживать потребление электроэнергии и расход воды. Кроме этого он может выполнять работы по техническому обслуживанию или отслеживать расположение аварийных служб для лучшего реагирования на чрезвычайные ситуации. Виртуальный аналог города

Виртуальная модель города позволит органам городской администрации моделировать любые планы по улучшению, прежде чем физически их реализовывать, проверяя потенциальные проблемы до их появления. С его помощью можно спланировать и проанализировать такие архитектурные аспекты: экологически чистое жилье, антенны беспроводных сетей, солнечные батареи, общественный транспорт, а также многое другое.

Датчики уже установлены во многих городах. Они генерируют аналитические данные, относящиеся к условиям окружающей среды, а также могут объединиться, чтобы создать основу виртуальной модели целого города.

Цифровой город — это «следующая реальность» для наших городских пейзажей. Начиная с электронного дубликата, города могут начать разрабатывать новый набор приложений, которые будут оптимизировать и улучшать все аспекты городской жизни.

Цифровой двойник предприятия

В электронном дубликате предприятия интегрированы процессы по вертикали во всей организации, от разработки продуктов и закупок до производства, логистики и обслуживания. Все данные о процессах, их эффективности и управлении качеством, а также о планировании операций доступны в режиме реального времени.

Горизонтальная интеграция выходит за пределы внутренних операций от поставщиков до клиентов и всей цепочки создания стоимости. Двойник предприятия включает в себя технологии от устройств отслеживания и трассировки до планирования.

Но речь идет не только о технологиях: изменение бизнес-процессов и корпоративной культуры так же требуется для успеха этих инициатив. Проекты цифровой трансформации часто позволяют крупным и устоявшимся организациям конкурировать с более проворными конкурентами, работающими только в области информационных технологий. Виртуальный аналог предприятия

Согласно недавнему опросу, проведенному Грантом Торнтоном, более двух третей (69 процентов) финансовых директоров и старших финансовых директоров планируют увеличить свои инвестиции в технологии. А четверо из десяти заявили, что планируют увеличение вложений более чем на 10 процентов в течение следующих 12 месяцев. Почти половина респондентов заявили, что инвестиции их компаний в цифровую трансформацию призваны помочь им преодолеть конкуренцию путем дифференциации.

Цифровой двойник изделия

Цифровой двойник изделия — это очень сложная виртуальная модель, которая является точным аналогом (или близнецом) физической вещи. Изделием может быть автомобиль, туннель, мост или даже реактивный двигатель. Датчики на физическом объекте собирают данные, которые могут быть сопоставлены с виртуальной моделью.

Виртуальный аналог является жизненно важным инструментом, помогающим инженерам понять не только то, как работают изделия, но и как они будут работать в будущем. Анализ данных с подключенных датчиков в сочетании с другими источниками информации позволяет делать такие прогнозы.

Виртуальные модели дают производителям представление о том, как работают их продукты. Электронный дубликат нужен, чтобы выявить потенциальные неисправности, устранить неисправности издалека и, в конечном итоге, повысить степень удовлетворенности клиентов. Электронный дубликат изделия

Если вы видите, как клиенты используют ваш продукт после того, как они его купили, вы можете получить массу полезных идей. Вы можете использовать данные для безопасного удаления «узких мест» системы, оптимизации функциональных возможностей или компонентов, экономя время и деньги.

Есть и другие положительные моменты. Одна из основных — это то, цифровые двойники предоставляют инженерам детальное, сложное представление о физическом объекте, который может находиться далеко. С двойником не нужно, чтобы инженер и объект находились в одной комнате или даже в одной стране.

Digital twin уже помогают организациям предупреждать сбои в работе, понимая изменяющиеся предпочтения клиентов, их настройки и опыт. Это означает, что предприятия могут доставлять продукты быстрее, с более высоким качеством, от компонентов до конечных потребителей.

Будущее концепции цифрового двойника

Поскольку Интернет вещей (IoT) входит в наши дома, единый командный пункт становится логическим продолжением нашей потребности в контроле и управлении нашим образом жизни. Системы безопасности, кабельное телевидение, Wi-Fi, солнечная энергия, вода, разбрызгиватели, а также отопление, как правило, являются несвязанными компонентами современного дома. В течение ближайшего десятилетия большинство домовладельцев смогут объединить эти вещи и управлять, используя единый командный центр. Будущее концепции создания двойников

Мониторинг оборудования с повышением уровня детализации — это только первый шаг к переосмыслению наших новых возможностей. Мы быстро перейдем от «мониторинга» к «контролю». Со временем словосочетания «дистанционная помощь», «дистанционное управление» и «экстренное дистанционное управление» станут общими фразами в нашей ежедневной лексике.

Города скоро будут иметь свой собственный парк беспилотников с возможностями сканирования для создания виртуальных моделей своих сообществ. С улучшением сканеров и датчиков начнут появляться все более функциональные цифровые двойники улиц и кварталов. Поначалу тысячи дронов могут показаться раздражающими, но появление новых предприятий, рабочих мест, информации, анализа данных и доходов быстро превратит скептиков в сторонников отрасли.

Для городов цифровые двойники будут включать в себя каждую линию электропередачи, подстанции, канализации, водопроводы, системы аварийных служб. Кроме этого, они будут включать в себя сети Wi-Fi, автомагистрали, системы безопасности, сети управления движением и многое другое.

В будущем будет возможно создать цифровую модель человека. У нас уже есть несколько инструментов, которые могут создать цифровую карту нашего тела. Например, 3D лазерные сканеры, рентгенография, МРТ и многое другое. Некоторые элементы 3-D моделирования человеческого организма уже реализуются

Когда будет создана модель человека, можно будет увидеть полное цифровое изображение себя, которое можно вращать вокруг, увеличивать для крупных планов. Кроме этого, можно будет наблюдать, как кровь течет по венам и артериям, мышцы сгибаются, наблюдать за сердцебиением. Система с повышением уровня детализации возможна для каждой железы, фолликула, жировой ткани, органа и вкусового рецептора.

Сейчас мы наблюдаем, как создается цифровая инфраструктура, которая будет включать в себя все существующие объекты.

Источник