6 کاربرد جذاب و رایج دوقلوی دیجیتال (دیجیتال توئین)

تکنولوژی دوقلوی دیجیتال در حال تبدیل به یکی از تکنولوژیهای پرکاربرد است. تجزیه و تحلیل‌های مختلف استفاده از این فناوری را در پیش بینی، شبیه سازی سیستم و محصول، تعمیر و نگهداری، تعامل بین سیستمی و پیاده‌سازی تجسم در حال رشد نشان می‌دهد.

رسانه IOT-Analytics (مرجع شناخته شده در زمینه بینش بازار و هوش تجاری در حوزه‌های اینترنت اشیا، هوش مصنوعی، تکنولوژی‌های ابری و نسل چهارم انقلاب صنعتی Industry 4.0)، بیش از 100 مورد از پروژه‌های Digital Twin را با هدف دسته بندی این کاربردها در گروههای مشخص بررسی و تحلیل کرده است.

نتیجه این بررسی جالب، 6 گروه مجزا در کاربردهای دیجیتال توئین است:

1. دیجیتال توئین برای پیش بینی سیستم – دوقلوی دیجیتالی که برای پیش بینی سیستم‌های پیچیده، طراحی و اجرا می‌شود.
2. دیجیتال توئین برای شبیه سازی سیستم – دوقلوی دیجیتالی که برای شبیه‌سازی رفتار سیستم‌های پیچیده، طراحی و اجرا می‌شود.
3. دیجیتال توئین برای تعامل و تبادل داده بین تجهیزات و دارائی‌ها – دوقلوی دیجیتالی که به منظور تبادل داده رایج و استخراج داده در سیستم های پیچیده، طراحی و اجرا می‌شود.
4. دیجیتال توئین برای نگهداری و تعمیر – دوقلوی دیجیتالی که مرتبط با اهداف نگهداری و تعمیر (Maintenance) سیستمها، طراحی و اجرا می‌شود.
5. دیجیتال توئین برای تجسم سیستم – دوقلوی دیجیتالی که به منظور تجسم یک سیستم پیچیده (مثلا به شکل 3بعدی)، طراحی و اجرا می‌شود.
6. دیجیتال توئین برای شبیه سازی محصول – دوقلوی دیجیتالی که برای شبیه سازی رفتار و عملکرد محصولات جدید (بیشتر در مرحله طراحی)، پیاده‌سازی می‌شود.

همینک به بررسی بیشتر این 6 گروه می‌پردازیم:

1- دیجیتال توئین برای پیش بینی سیستم

بر طبق بررسی‌های انجام شده، این دوقلوهای دیجیتال، بر پیش بینی رفتار و وضعیت آینده یک سیستم فیزیکی با استفاده از داده‌های فعلی و پیشینه‌های موجود، تمرکز می‌کنند.

در هسته اصلی دیجیتال توئین‌های پیش بینی کننده، مدلهای پیش بینی وجود دارند که برای پیش بینی نتایج آینده استفاده می‌شوند.

به عنوان مثال، این رسانه به سیستم کره‌ای مزرعه بادی انرژی Doosan اشاره می‌کند که یک دوقلوی دیجیتال را برای کمک به پیش بینی توان خروجی، به کار گرفته است. این دوقلوی دیجیتالی داده‌های حسگر اینترنت اشیا در توربینهای بادی را به همراه داده‌های آب و هوا و مدلی از توان خروجی مورد انتظار ترکیب می‌کند.

این دیجیتال تویین دو هدف اصلی را دنبال میکند:

• به عنوان یک ناظر عملکرد، رفتار کرده و در آن یک مدل فیزیکی از توربین‌های بادی درنظر میگیرد. سپس با استفاده از شرایط آب و هوایی فعلی، خروجی تئوری را محاسبه کرده  و آن را با خروجی واقعی مقایسه کرده و وضعیت را کاملاً بررسی میکند. در صورت بروز هر گونه ناهنجاری در عملکرد سیستم، اطلاعات لازم را گزارش میکند.
• به عنوان یک ابزار پیش بینی کننده خروجی، برای برنامه ریزی بهبود یافته به گونه‌ای عمل می‌کند که تولید برق آینده را بر اساس داده‌های آب و هوای پیش بینی شده، تخمین بزند.

این رسانه گزارش کرده است که پیش بینی‌های خروجی برق مبتنی بر دوقلوی دیجیتال به کمپانی Doosan در بهبود درآمد مزرعه بادی، با افزایش تعهدات خروجی این شرکت به اپراتورهای شبکه انرژی کره جنوبی کمک کرده است.

2- دیجیتال توئین برای شبیه سازی سیستم

بر اساس بررسی IOT-Analytics، شبیه سازی سیستمهای پیچیده به مهندسان اجازه می‌دهد تا سناریوهای “چه می‌شود اگر…” را در یک محیط بزرگ شبیه سازی شده همراه با متغیرهای مرتبط آزمایش کنند.

به عنوان مثال، می‌توان به شبیه‌سازی کارخانه قبل از افتتاح یا ایجاد تغییرات مهم، شبیه‌سازی شبکه ریلی یا شبیه سازی ترافیک اشاره کرد. یکی از مزایای کلیدی چنین شبیه‌ سازی‌هایی، کاهش هزینه‌ها با آزمایش انواع دارایی‌های مورد استفاده، پارامترهای عملیاتی کلیدی و سایر متغیرهای مهم سیستم قبل از ایجاد تغییرات در دنیای واقعی است.

به عنوان مثالی جذاب از این کاربرد، میتوان به شبیه سازی سیستم در کمپانی Siemens Mobility (یکی از زیرمجموعه‌های شرکت زیمنس در حوزه حمل و نقل ریلی) اشاره کرد. این شرکت از طریق همکاری با شرکت آلمانی Deutsche Bahn AG اقدام به اجرای این پروژه برای توسعه 170 قطار پرسرعت جدید کردند. 

زیمنس برای این قطارها، یک معماری جدید کنترل ریلی مبتنی بر سیستم اتومبیلها را توسعه داده است که قبلاً به کار گرفته نشده بود. برای کاهش هزینه‌های توسعه، زیمنس برای این پروژه یک دوقلوی دیجیتال طراحی کرد که توانست عملکرد کل قطار را از 40 زیرسیستم مختلف شبیه‌سازی کند.

زیمنس تخمین زده است که به کارگیری این سیستم دیجیتال توئین برای شبیه سازی دیجیتالی سیستم، هزینه‌های کل این پروژه را بین 1 تا 8 میلیون دلار کاهش داده است!

3- دیجیتال توئین برای تعامل و تبادل داده بین تجهیزات و دارائی‌ها

این دوقلوهای دیجیتال، امکان استخراج بلادرنگ (Real-Time) داده‌ها از دارایی‌ها را در ابعاد مختلف از جمله ویژگی‌ها، وضعیت آنها، کلیه پارامترها، داده‌های قابل اندازه‌گیری را فراهم می‌کنند.

اگرچه قابلیت تعامل بین دارایی‌ها و تجهیزات یکی از اهداف اصلی این نوع از دوقلوهای دیجیتال است، ایده اصلی هنگام اجرای این پروژه، ایجاد یک روش استاندارد برای پرداختن به زیرسیستمها و توانایی ادغام سریع دارایی‌های جدید با سیستم کلی است. کلیه این سازگاریها بایستی با استانداردهای نسل چهارم صنعتی (Industry 4.0) همگام و سازگار باشند.

به عنوان نمونه‌ای از این نوع از دوقلوهای دیجیتال، رسانه IOT-Analytics به استفاده تیم فرمول یک اسکودیا فراری از فناوری دوقلوی دیجیتال برای ادغام و تجزیه و تحلیل داده‌های ارسالی از سنسورهای مختلف خودرو، اشاره می‌کند. بر این اساس تیمهای مختلف تحلیلگر میتوانند به شکل مناسبی بخشهای مختلفی نظیر آیرودینامیک، قدرت، دینامیک خودرو و مهندسی، بررسی و آنالیز کنند.

بر اساس تجزیه و تحلیلهای مبتنی بر اینترنت اشیا، توانایی ساده‌سازی همه منابع داده در یک دیجیتال توئین، به تیم کمک می‌کند تا تصمیمات سریعتر و بهینه‌تر گرفته شوند.

4- دیجیتال توئین برای نگهداری و تعمیر

این رسانه اظهار میکند که دوقلوهای دیجیتالی که چرخه عمر تعمیر و نگهداری را تامین می‌کنند، عمدتاً در جهت اطمینان از اثربخشی عملیاتی سیستم هستند؛ به عنوان مثال با کمک به پرسنل تعمیر و نگهداری در طول زمان‌بندی‌های مشخص و برنامه ریزی شده این فرآیند انجام میشود.

دیجیتال توئین‌ها در این کاربرد، متدهای مختلف نگهداری و تعمیر نظیر روشهای نگهداری و تعمیر پیشگویانه (PdM) را اجرا کرده و هدف آنها جلوگیری از خرابی تجهیزات و داراییها و تشخیص بهترین زمان رسیدگی به آنها است.

به عنوان مثال، شرکت آلمانی E.On برای پروژه‌ خاصی به روشی پیشگیرانه و مبتنی بر ریسک برای حفظ دارایی‌های خود از این دوقلوی دیجیتال استفاده کرده است.

به عنوان بخشی از این پروژه، E.On یک دوقلوی دیجیتال ابری را اجرا کرده که برای پیش بینی بهتر بروز نقص و خرابی دارایی‌ها استفاده می‌شود.  این رسانه گزارش کرده است که این دوقلول دیجیتال به شرکت مذکور این اجازه را داده تا در هر نوع دارایی ارزیابی کرده و عمر باقیمانده تجهیزات را تعیین کند.

5- دیجیتال توئین برای تجسم سیستم

در میان رایج‌ترین انواع دوقلوهای دیجیتال، عناصر بصری سه بعدی هستند که اغلب از نقشه‌های CAD (طراحی شده به وسیله کامپیوتر) استفاده می‌کنند.

Ferrovie dello Stato (اپراتور ملی راه آهن ایتالیا)، یک دیجیتال توئین از زیرساختهای ریلی خود ساخت که شامل بیش از 10 هزار مایل مسیر، ایستگاه، تونل، پل، سیگنال، سوئیج، سخت افزار برق رسانی و سیستمهای فناوری اطلاعات به منظور هر سیستم است.

بر اساس بررسی‌های رسانه IoT-Analytics، این دوقلوی دیجیتال داده‌ها را از حسگرهایی مانند دوربین‌ها و گیرنده‌های GPS دریافت کرده و از الگوریتم‌های یادگیری پیشرفته برای ایجاد یک کپی سه بعدی تعاملی از سیستم ریلی استفاده کرده است. از نرم افزار ArcGIS برای تجسم 3D عناصر جغرافیایی استفاده شده و یک فهرست بصری کامل از زیرساخت راه‌آهن ایجاد میشود.

این دیجیتال توئین به مدیران راه آهن در اتاق کنترل کمک می‌کند تا زیرساخت‌هایی مانند پل‌ها و ایستگاه‌ها را از راه دور در سراسر شبکه ریلی تجسم کنند.

6- دیجیتال توئین برای شبیه سازی محصول

دوقلوهای دیجیتال با حذف کردن نیاز به ساخت نمونه‌های اولیه پرهزینه و امکان آزمایش سریع هزاران نمونه (در برخی موارد میلیون‌ها)، نقش کلیدی در توسعه محصولات جدید و بهبود محصولات قبلی ایفا می‌کنند.

این رسانه اشاره می‌کند که دوقلوهای دیجیتالِ شبیه‌ساز محصول، اغلب در نرم‌افزارهای مهندسی نظیر نرم‌افزارهای CAD و مدلسازی طراحی و اجرا می‌شوند. انواع مختلفی از شبیه‌سازی ها نظیر دینامیک محصول و سیال، عملکرد مکانیکی و سازگاری الکترومغناطیسی برای آنها اجرا می‌شوند.

به عنوان مثال، شرکت آلمانی Krones (سازنده دستگاههای بسته بندی بطری)  از یک دوقلوی دیجیتال برای آزمایش طرح‌های محصولات جدید خود برای یکی از سیستمهای بسته بندی خودکار نوشیدنی استفاده کرد.

این شرکت می‌خواست یک ربات پویا را در طراحی محصول خود بگنجاند. برای انجام این کار، اصطکاک و نیروی گرانش بر روی بسته‌های لغزنده روی یک تسمه نقاله متحرک و بسیاری از عوامل مشابه دیگر باید آزمایش می‌شد.

تیم مهندسی این شرکت سناریوهای زیادی را آزمایش کرد؛ به عنوان مثال، تزریق خطاهایی مانند سطوح اصطکاک سخت در طول شبیه سازی برای تجزیه و تحلیل رفتار سیستم در طول چنین رویدادی به دقت بررسی شد.

با مدلسازی و شبیه‌سازی این ربات، کمپانی Krones توانست بازده عملکرد ربات را افزایش داده، زمان توسعه محصول را کوتاه کرده و زمان تست را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.