Cyfrowe bliźniaki w świecie nowego przemysłu. Jak dwie krople wody
Według definicji podanej przez naukowców z uniwersytetu w Cincinnati "cyfrowy bliźniak" to "sprzężony model cyfrowy rzeczywistej maszyny, który działa na platformie chmurowej i symuluje stan rzeczywistej maszyny przy użyciu zintegrowanej wiedzy zarówno z algorytmów analitycznych opartych na danych, jak i innej dostępnej wiedzy o stanie fizycznym". Cyfrowe bliźniaki zapewniają taką samą możliwość badania i testowania jak obiekty rzeczywiste, bez konieczności wykonywania testu w "realu".
David Gelernter przewidział powstanie takiej techniki i opisał ją w 1991 roku w książce "Mirror Worlds". Wizję tę w praktyce przemysłowej urzeczywistnił w 2002 roku Michael Grieves, światowy autorytet w dziedzinie zarządzania cyklem życia produktu. Na początku koncepcja nosiła różne nazwy, dopiero w 2010 roku w raportach rocznych NASA została określona terminem "Digital Twin". Dziś technika ta szybko upowszechnia się w przemyśle. Badania Markets and Markets sugerują, że w samych Stanach Zjednoczonych rynek cyfrowych bliźniaków, wart 3,8 mld USD w 2019 roku, ma osiągnąć wartość 48,2 mld USD do 2026 roku.
Od pojedynczego trybika w maszynie po całą planetę
Najprostszym wariantem cyfrowego bliźniaka jest cyfrowa reprezentacja pojedynczego obiektu, na przykład połączonego z siecią urządzenia do noszenia, prostego robota (1) lub maszyny w fabryce. Takie cyfrowe bliźniaki mogą być wykorzystywane do projektowania nowych produktów i umożliwiają cyfrowe prototypowanie.
Jeden poziom wyżej znajdują się produkcyjne bliźniaki cyfrowe, które symulują proces, np. proces produkcyjny, składający się z wielu produktowych bliźniaków cyfrowych. Jeszcze bardziej złożone bliźniaki cyfrowe przechwytują dane z systemu obiektów, np. samolotu lub całej fabryki (2). Kolejny poziom obejmuje całe systemy systemów, takie jak łańcuchy dostaw obejmujące całą kulę ziemską lub bliźniaki cyfrowe w skali miasta (3). Za najbardziej złożony model tego typu uchodzi cyfrowy bliźniak Ziemi, opracowany przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA), którego celem jest zbudowanie dynamicznej cyfrowej repliki całej naszej planety (4).
Zaawansowaną reprezentacją wizualną cyfrowego bliźniaka jest szczegółowa cyfrowa replika 3D, którą można badać lub wchodzić z nią w interakcje w rzeczywistości wirtualnej lub przy użyciu rzeczywistości rozszerzonej. Cyfrowe reprezentacje 3D umożliwiają użytkownikom eksplorację cyfrowego bliźniaka z różnych perspektyw, zagłębianie się w wewnętrzne funkcjonowanie układu, obserwowanie w czasie rzeczywistym informacji z czujników gromadzących dane, wprowadzanie zmian, które w czasie rzeczywistym przekładają się na rzeczywistość fizyczną. Wizualizacja może też pozwalać na współpracę z innymi osobami w procesie projektowania lub bieżącej obsługi. Im bardziej zaawansowana reprezentacja wizualna, tym większe możliwości.
być cyfrowym bliźniakiem planety Ziemia
Koncepcja cyfrowego bliźniaka składa się z trzech wymiarów: fizycznego produktu w przestrzeni rzeczywistej, cyfrowego/wirtualnego modelu w przestrzeni wirtualnej i w końcu systemu połączeń między nimi. Dane cyfrowego bliźniaka to zarówno dane z obiektu rzeczywistego, jak i dane z modeli cyfrowych. Informacje przesyłane między obiektem rzeczywistym a wirtualnym oraz usługami skojarzonymi z tymi obiektami stają się dodatkowymi "wymiarami", z których czerpane są wnioski służące do realizacji celu istnienia cyfrowych bliźniąt.
W świecie cyfrowych bliźniaków wyróżniamy modele oparte na analizie strumieni danych, algorytmy uczenia maszynowego i rozwiązania płynące z zastosowania AI, których celem może być poszukiwanie wzorców prawidłowości i nieprawidłowości w strumieniach danych pochodzących z obiektu rzeczywistego, nauka wzorców poprawnych "zachowań" połączona z detekcją stanów innych od wzorcowych. Korzyści z istnienia cyfrowych bliźniąt pojawiają się wtedy, gdy zachodzą ograniczenia w możliwości dostępu do obiektu rzeczywistego, jego elementów lub parametrów, np. do badań diagnostycznych. Tak jest choćby w przypadku obiektów znajdujących się w przestrzeni kosmicznej, ale też gdy chodzi o obiekty, których badanie znacząco wpływa na ich funkcjonowanie.
Fundamentem rozwoju cyfrowych bliźniąt jest rozwój czujników Internetu Rzeczy (IoT). Cyfrowe bliźniaki mogą być wykorzystywane do przewidywania różnych wyników na podstawie zmiennych danych. IoT umożliwia połączonym urządzeniom dzielenie się danymi z ich cyfrowymi bliźniakami i vice versa. Możliwy scenariusz jest sprawdzany w środowisku cyfrowym. Dzięki dodatkowemu oprogramowaniu i analizie danych cyfrowe bliźniaki mogą pomóc projektantom zorientować się, gdzie powinny się znaleźć lub jak działają składniki sieci inteligentnych rzeczy.
Ważnym dla technik cyfrowych bliźniąt i Internetu Rzeczy pojęciem jest edge computing, przetwarzanie krawędziowe. Krawędź to obszar, w którym nakładają się na siebie obliczenia i sprzęt (czujniki, pompy, silniki itp.), zaś przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym ma kluczowe znaczenie dla niezbędnego rozłożenia obciążenia pracą.
Terminy symulacja i cyfrowy bliźniak są często używane zamiennie, ale są to różne rzeczy. Symulacja jest projektowana za pomocą systemu CAD lub podobnej platformy i może być poddawana symulacjom, ale zwykle nie jest to analogia jeden do jednego z prawdziwym obiektem fizycznym. Natomiast cyfrowy bliźniak jest budowany na podstawie danych wejściowych z czujników IoT w prawdziwym sprzęcie, co oznacza, że replikuje rzeczywisty system i zmienia się wraz z nim w czasie.
Miasta i maszyny
Wraz z postępem w dziedzinie uczenia maszynowego, modelowania systemów, czujników Internetu Rzeczy (IoT), rozwoju sieci bezprzewodowych, w tym 5G, technik symulacyjnych i chmurowych, cyfrowe bliźniaki stają się coraz częstszym elementem nowoczesnych środowisk przemysłowych. Inżynierowie używają cyfrowych bliźniaków w produkcji, budownictwie, energetyce, transporcie, medycynie, nauce i innych branżach do opracowywania produktów, walidacji i monitoringu systemów działających w świecie rzeczywistym. Z powodzeniem wykorzystuje się je już w modelowaniu zużycia obiektów o ograniczonej liczbie "stopni swobody", np. maszynach wirujących (5). Po zintegrowaniu z cyfrowymi reprezentacjami obiektów, środowisk i ludzi cyfrowe bliźnięta mogą zostać zastosowane np. do celów prototypowania produktów oraz szkolenia personelu, dostawców usług itp.
Technika ta ma perspektywy nie tylko w produkcji i przemyśle. Cyfrowe bliźniaki mogą także serwować modele informacji o budynku, dotyczące wszystkich składników konstrukcji, np. drzwi, okien lub stan materiałów budowlanych. Jeszcze większe systemy, np. cyfrowe bliźniaki inteligentnych miast, to agregaty utworzone przez połączenie cyfrowych bliźniaków budynków, systemów monitoringu, transportu i wielu innych.
Jednym ze znanych przykładów cyfrowego bliźniaka w dużej skali jest system modelujący całe Las Vegas, który ma pomóc w przejściu miasta na zerową emisję dwutlenku węgla. W podobnym celu powstała symulacja części nowojorskiego Brooklynu, Navy Yard. Teksaski Uniwersytet A&M tworzy cyfrowego bliźniaka osiedli nadbrzeżnych, aby określić ich odporność na klęski żywiołowe.
Także Los Angeles nawiązało współpracę z Open Mobility Foundation w celu stworzenia opartego na danych cyfrowych bliźniaka infrastruktury transportowej miasta. Stadion Sofi w Los Angeles ma swojego cyfrowego bliźniaka, który modeluje nie tylko sam stadion, ale także otaczający go Hollywood Park. W Singapurze jednym z zadań cyfrowego bliźniaka miasta jest monitoring zanieczyszczeń.
Shanghai Urban Operations and Management Center zbudowało cyfrowego bliźniaka 26-milionowego miasta, który modeluje 100 tys. elementów, od urządzeń do wywozu i gromadzenia śmieci, po infrastrukturę do ładowania e-rowerów, ruch drogowy oraz wielkość i lokalizację budynków mieszkalnych. W innych przykładach wykorzystuje się wirtualne modele do znajdowania i wyznaczania optymalnych lokalizacji nowej infrastruktury, np. linii metra. Nowo powstające miasta w bogatych krajach arabskich są budowane jednocześnie w świecie rzeczywistym i cyfrowym.
W wyścigach Formuły 1, zespoły McLaren i Red Bull używają cyfrowych bliźniaków swoich samochodów wyścigowych. Także jeżdżąca po zwykłych drogach Tesla tworzy cyfrowe symulacje swoich samochodów, wykorzystując dane zebrane z czujników umieszczonych w pojazdach i przesłane do chmury. Dzięki nim jej algorytmy AI są w stanie określić, gdzie najprawdopodobniej wystąpią usterki i awarie. Zmniejsza to koszty ponoszone przez firmę w związku z serwisowaniem samochodów, które są na gwarancji i poprawia doświadczenie użytkowników.
A co do przemysłu, to zastosowań jest tyle, że trudno wszystkie wymieniać. Wspomnijmy w tym miejscu tylko o dwóch najbardziej charakterystycznych przykładach. Kanadyjska firma CenterLine korzysta z cyfrowego bliźniaka hali fabrycznej do rozwiązywania problemów związanych z narzędziami, co poprawia płynność dostaw podobno nawet o 90%, natomiast logistyczny potentat, firma DHL, tworzy cyfrowe mapy swoich magazynów i łańcuchów dostaw, znacznie podnosząc efektywność operacji.
Kto rządzi w świecie bliźniaków
Najbardziej znani na świecie dostawcy platform cyfrowych bliźniaków to firmy Ansys, Autodesk, Bosch, Dassault Systems, Siemens. Rozwiązań chmurowych dostarczają do tej techniki m.in. Azure Digital Twins i Supply Chain Twin Google’a. Dodać należy do tego usługi Amazona, takie jak Kinesis Data Streams, Amazon SageMaker, AWS Lambda i inne.
Ciekawe rozwiązania w tej dziedzinie oferuje szczególnie firma NVIDIA, która niedawno na konferencji GTC zaprezentowała Omniverse Replicatora, platformę do projektowania cyfrowych bliźniaków (6). Jest to silnik generujący syntetyczne dane symulujące fizyczne, służące do szkolenia głębokich sieci neuronowych. Omniverse oferuje użytkownikom możliwość połączenia z wieloma ekosystemami oprogramowania, w tym Unreal Engine firmy Epic Games, Reallusion, OnShape, Blender i Adobe. Firma zaprezentowała dwie implementacje tego silnika przeznaczone do aplikacji generujących dane syntetyczne: NVIDIA DRIVE Sim, wirtualny świat, w którym można umieścić cyfrowego bliźniaka autonomicznych pojazdów, oraz NVIDIA Isaac Sim, wirtualny świat dla cyfrowego bliźniaka robotów manipulacyjnych.
Prezes firmy NVIDIA, Jensen Huang, ujawnił też plany budowy przez jego firmę najpotężniejszego na świecie superkomputera AI przeznaczonego do przewidywania zmian klimatycznych. Nazwany Earth-2 lub E-2, system ten stworzyłby cyfrowego bliźniaka Ziemi w Omniverse podobnego do tworzonego przez ESA.
Firma Siemens Energy wykorzystuje NVIDIA Omniverse przy tworzeniu cyfrowych bliźniaków elektrowni. Wykorzystując szkielety programowe NVIDIA Modulus, działające na procesorach graficznych NVIDIA A100 Tensor Core, Siemens może symulować korozyjny wpływ ciepła, wody i innych warunków na metal w czasie, aby precyzyjnie dostosować potrzeby konserwacyjne. Z kolei firma Chevron wdraża oparte na rozwiązaniach NVIDIA cyfrowe bliźniaki pól naftowych i rafinerii, dążąc do oszczędności na kosztach konserwacji.
Do rywalizacji w przyszłościowej dziedzinie cyfrowych bliźniąt dołączył kolejny potentat, firma Oracle wraz z nową platformą do tego przeznaczoną - Oracle Digital Twin. Ta daje użytkownikom dwie opcje - digital twin i predictive twin. Konwencjonalny cyfrowy bliźniak działa tak jak inne rozwiązania tego rodzaju, natomiast "bliźniak predykcyjny" modeluje przyszły stan i zachowanie urządzenia na bazie "danych historycznych z innych urządzeń, symulacji awarii i innych wydarzeń".
Myślący cyfrowy bliźniak człowieka przed końcem dekady?
W ramach projektu Living Heart firmy Dassault Systemes stworzono dokładny wirtualny model ludzkiego serca, który może być testowany i analizowany, umożliwiając chirurgom odgrywanie różnych scenariuszy pod hasłem "co, jeśli" dotyczących tego organu. Projekt został założony przez Steve’a Levine’a, którego córka urodziła się z wrodzoną chorobą serca. Gdy miała 20 lat i wysokie ryzyko niewydolności serca, postanowił odtworzyć jej serce w wirtualnej rzeczywistości.
Dassault Systemes planuje teraz kolejne cyfrowe bliźniaki ludzkich organów, w tym oko, a nawet mózg. Przedstawiciele tej firmy i innych snują wizje, w których w przyszłości wszyscy będziemy mieli cyfrowego bliźniaka, dzięki czemu lekarze i my za ich pośrednictwem będziemy mieć bieżący wgląd w całość procesów życiowych w naszym organizmie. Wtóruje im były dyrektor generalny GE Bill Ruh, przewidując, że pewnego dnia każdy człowiek po urodzeniu będzie miał cyfrowego bliźniaka, którego będzie można wykorzystać do zaprojektowania spersonalizowanego leczenia a także do modelowania wpływu stylu życia na zdrowie w dłuższej pespektywie. Techniki te miałyby tworzyć m.in. wirtualnego bliźniaka indywidualnego genomu danej osoby.
Kolejnym krokiem miałoby być stworzenie cyfrowej symulacji ludzkiego mózgu. Jednym z projektów dążących do stworzenia takiej symulacji jest finansowany przez UE projekt Neurotwin, docelowo mający opracować modele oparte zarówno na aktywności elektromagnetycznej, jak i fizjologii mózgu, pozwalające przewidzieć najlepsze metody leczenia takich schorzeń jak choroba Alzheimera czy epilepsja. Badania kliniczne modelu Neurotwin mają się rozpocząć w 2023 roku.
Ekspert w dziedzinie nowych technologii Rob Enderle uważa, że będziemy mieli pierwsze wersje myślących cyfrowych bliźniaków ludzi "przed końcem dekady". Jednak nie do końca jest to dla niego optymistyczna perspektywa. Zwraca bowiem uwagę, że firmy mogą np. tworzyć i zatrudniać cyfrowe bliźniaki pożądanych specjalistów za darmo, nie płacąc fizycznym pierwowzorom. To tylko jeden z wielu niepokojów wywołanych przez projekty metawersum, które rozwijają niektóre giganty hi-tech.
Cyfrowe bliźniaki można uznać za jeden z elementów konstrukcyjnych metawersum, rozszerzających świat fizyczny. Jeśli świat fizyczny można uznać za warstwę 0 metawersum, to cyfrowe bliźniaki są warstwą 1, będącą w innym ujęciu reprezentacją Internetu Rzeczy. Wszystkie protokoły działające na najwyższym poziomie to poziom 2. Powyżej może znajdować się wiele warstw aplikacji, w wirtualnym świecie 2D (np. aplikacje mobilne), w wirtualnej rzeczywistości lub wykorzystujących rzeczywistość rozszerzoną, które wchodzą w interakcje z każdą z tych warstw.
Metawersum to przede wszystkim dane. Im więcej protokołów, czyli globalnych standardów, tym więcej wartości mogą dostarczyć aplikacje dla globalnej gospodarki. Metawersum współpracujących i wprowadzających innowacje przedsiębiorstw i przemysłu może stać się czymś znacznie potężniejszym niż to, co sobie pod tą nazwą zazwyczaj wyobrażamy, czyli świat gier i rozrywki. Cyfrowe bliźniaki są postrzegane jako wstęp do czegoś zupełnie nowego, przekraczającego ramy definicyjne nawet modnego w ostatnich latach pojęcia - Przemysł 4.0.
Mirosław Usidus
