Глава 1. Концепция, определения и классификация ЦД

«Цифровой двойник – это зона пересечения цифрового и реального мира».

Хардик Гохил (Hardik Gohil)

ЦД не ограничивается задачами разработки продукта, а решает задачи поддержания его на всех стадиях жизненного цикла. Например, когда продукт выходит на стадию эксплуатации, параметры его работы могут быть собраны с помощью датчиков и использо- ваны для улучшения цифровой модели. ЦД на базе высокоадекватной математической модели может использоваться для диагностики проблем с реальным объектом и прогнозировать оптимальные циклы его профилактического обслуживания.

Эволюция концепции цифровых двойников. Источник: www.seebo.com

Первый этап соответствует перио- ду, когда физические объекты создавались без цифрового прототипа. Второй этап относится к периоду, когда искусственные объекты проектировались с помощью цифровой модели, которая использовалась только на стадии создания объекта. На третьем этапе начинается взаимодействие (обмен информацией) между физическим и цифро- вым двойниками. И, наконец, четвертый – характеризует сближение и «пересечение» физического и цифрового двойников, когда инфор- мационный обмен и обновление цифрового и физического двойни- ков идет практически в реальном времени. 

Каждый объект можно представить в виде физической и виртуальной системы, так что вирту- альная система отображает физическую, и наоборот. Сам термин «цифровой двойник» появился позднее. Однако концепция взаимодействия физического продукта в реальном мире, его цифровой копии в виртуальном мире и наличия информационной связи между ними, объединяющей виртуальное и материальное пространство, по сути и отображает идею ЦД.

В физический объект встроены датчики, которые собирают данные о состоянии этого объекта в реальном времени, данные отправляются цифровому двойнику; на базе полученных данных уточняется цифровая модель. Модель учитывает все изменения, происходящие с физическим объектом, накапливает информацию о его поведении, и по мере уточнения может более адекватно описывать и прогнозировать поведение физического объекта.

На основе актуализированной модели могут быть сформированы рекомендации по оптимизации режима эксплуатации и обслужива- ния реального объекта. Например, модель может предсказать воз- можность отказа определенного узла, рекомендовать время профилактического обслуживания, проведения техосмотра, смены фильтров и т. п.

• ЦД – это цифровая копия конкретного физического объекта, ко- торая отражает структуру, производительность, техническое состоя- ние и характер рабочей миссии физического объекта, включая такие параметры, как, например, пройденные километры, возникшие неисправности, а также историю технического обслуживания и ремонта реального изделия (физического двойника);

• ЦД базируется на мультифизическом (MultiPhysics) математическом моделировании разных физических процессов, определяющих свойства и поведение объекта;

• ЦД связан с конкретными условиями, в которых работает реаль- ный объект. Это – модель, которая накапливает информацию о реальном изделии по мере его эксплуатации в конкретных условиях. У двух конструктивно одинаковых изделий ЦД будут разными, если они работают в разных условиях;

• ЦД позволяет разработчикам наблюдать за работой виртуального объекта, чтобы лучше понять, как оптимизировать работу физического объекта;

• ЦД помогает понять, как физический двойник (реальный объ- ект) работает в реальном мире, и может дать прогноз, как эта работа будет выполняться в случае своевременного обслуживания в будущем;

• ЦД позволяет собирать данные о физическом объекте и, исполь- зуя инструменты предиктивной аналитики, делать прогнозы относи- тельно состояния этого объекта, определять, когда следует планировать профилактическое обслуживание;

• ЦД позволяет устранять неисправности удаленного оборудования и выполнять дистанционное обслуживание;

• ЦД, основанные на моделировании физических процессов, предоставляют данные, которые невозможно получить непосредтвенно на физическом объекте, что может использоваться в качестве инструмента для устранения неполадок в существующих изделиях и оптимизировать производительность их последующих поколений. 

ЦД – это набор подходов и решений, призванных решить проблему, которая заключается в том, что рост сложности современных систем, а так- же многокомпонентных и многофункциональных продуктов опере- жает рост возможностей инструментов для их проектирования, из- готовления и безопасного обслуживания. И решение этой проблемы лежит в объединении ряда цифровых технологий для предложения более эффективных средств моделирования, проектирования, со- здания и обслуживания подобных сложных систем. Эти инструмен- ты должны комплексно описывать объект, бесшовно интегрировать- ся между собой, обеспечивая цифровую непрерывность среды соз- дания продукта, работать в тесной информационной связке с пред- метом моделирования и отслеживать все фазы его развития (фазы жизненного цикла). Основной элемент в данном определении – это интеграция: интеграция цифровых технологий, интеграция инстру- ментов моделирования на базе непрерывного информационного 

обмена на уровне данных, интеграция модели и объекта моделиро- вания на базе информационного обмена в режиме, приближенном к реальному времени, интеграция моделирования на всех стадиях его жизненного цикла.

Элементы перехода на новый уровень интеграции можно наблю- дать в разных отраслевых решениях. В инженерных приложениях – это переход от дискретного взаимодействия модели с физическим объектом к непрерывному взаимодействию. Это переход от ситуа- ции, когда расчетчик должен был часами ждать сравнения расчетных и натурных экспериментов, к ситуации, когда результаты с датчиков передаются в цифровой двойник и уточняют модель в реальном вре- мени. Это переход от оптимизации, когда последовательно решались задачи из разных дисциплин, к мультифизической оптимизации. Это, например, переход от рассмотрения механики сплошного твердого тела (макроуровень) до интеграции моделей макро-, мезо- и микро- уровней (с учетом микродефектов их расположения и т. п.). Это пе- реход от наличия разрозненных инструментов к цифровой непрерыв- ности, когда есть бесшовный обмен на уровне данных, когда соблю- дается так называемый принцип «единой истины» для систем моде- лирования разных физических процессов и когда изменения в одной модели автоматически отрабатываются во всех других.

Вероятно, сходные представления о ЦД имели авторы работы [12], когда писали: «Цифровой двойник сам по себе не является тех- нологией. Это слияние многих новейших цифровых технологий, ко- торые помогают достигать бизнес-результатов и приносить пользу различным отраслям». 

В основе концепции ЦД лежит идея преодоления разрыва между физической и цифровой сущно- стью физического объекта, конечной целью которой является со- единение физического объекта и знания о его создании, воплощен- ного в его цифровой сущности в рамках единого целого. При этом отметим, что перемещение знаний идет по направлению от человека (как создателя искусственного изделия) к самому изделию (снабжен- ному его цифровым двойником). Этот процесс становится еще бо- лее наглядным, если вспомнить про роль ИИ в цифровом двойнике. Действительно, первоначальная идея будущего изделия, возник- шая в голове его создателя (конструктора и инженера), все меньше и меньше детализируется по мере того, как в моделировании (опти- мизации изделия) все больше принимает участие ИИ.

Это явление воплощается в практике так называемого генера- тивного проектирования, когда программа, моделирующая будущие свойства объекта (в составе ЦД), все в большей мере выступает в ка- честве его сотворца. Продукт создается в процессе компьютерной оптимизации его будущих свойств, отображающих не только вну- тренние качества продукта, но и его форму, которая не была извест- на до участия в процессе цифрового двойника.

Неверно полагать, что создание ЦД нужно начинать с нуля. Цифровой двойник должен максимально аккумулировать имеющую 

ся информацию, а не полностью заменить ее. Одна из основных функций ЦД состоит в добавлении нового слоя, в рамках которого осуществляется интеграция уже имеющейся информации.

ЦД – это средство коммуникации для инженеров из разных об- ластей знания, которым достаточно сложно объединить свои усилия и понять друг друга, если они живут в мирах разных процессов, ин- струментов и подходов.

ЦД позволяет разрушить барьеры между разработчиками ПО, механического дизайна и электроники и показать, как найти взаимо- приемлемые решения, чтобы сработать на общий результат и вме- сте избежать дорогостоящих ошибок. Более подробно эти функции ЦД будут рассмотрены далее в этой главе.

Известно, что новые технологические прорывы часто возникают на стыке дисциплин. В этом смысле ЦД представляет особый инте- рес как технология, которая находится на стыке цифровой и физи- ческой реальности и при этом развивается на фоне конвергенции целого ряда новых перспективных технологий, таких как аддитивные технологии, искусственный интеллект (ИИ), интернет вещей и т. д.

Выше было отмечено, что наполнение термина ЦД меняется по мере того как меняется сам набор технологий, которые его опреде- ляют. Поэтому для того чтобы рассказать подробнее о ЦД, следу- ет кратко проследить его эволюцию и эволюцию технологий, с ним связанных. 

ЦД и эволюция составляющих технологий