06. 04. 2020 Téma: Průmysl a IIoT

Digital Twin: už jste někdy potkali digitální dvojče?

Digital Twin. Digitální dvojče. Digitální replika. Virtuální replika nebo model. Všechny tyto pojmy popisují jedno a totéž: virtuální (digitální) otisk nějakého systému nebo zařízení z fyzického světa. Ten kromě jiného pomáhá zefektivnit práci nebo odhalit možná nebezpečí a rizika. Kde se dá využít? Jak souvisí s IoT? A proč se vyplatí?

Digital Twin: už jste někdy potkali digitální dvojče?

Konceptu Digital Twin jsme se už lehce dotknuli v jednom z našich článků věnujících se bezpečnosti IoT. Dneska se na jeden z nejzásadnějších technologických trendů posledních let podíváme trošku podrobněji. Ukážeme si, proč má blízko k IoT nebo jak vlastně Digital Twin šetří náklady a varuje před nebezpečím. A představíme si také prosperující a nějakou dobu už dobře fungující digitální dvojčata.

Co to je Digital Twin

Ve zkratce – Digital Twin je virtuální replika fyzického objektu (živého i neživého), produktu, procesu nebo systému. IT profesionálové, analytici a „data scientist“ pomocí nich mohou simulovat nejrůznější situace, aniž by tím ovlivnili skutečný produkt, výrobu nebo provoz. Koncept digitálního dvojčete sice není úplně žhavou novinkou – byl poprvé představný už v roce 2003 na University od Michigan – ale vše nasvědčuje tomu, že teprve v posledních letech získává patřičné využití a uznání nejen v business sféře.

Co tedy získáte a proč se to vyplatí

Digitální dvojče je tedy skutečné dvojče, jen naprosto digitální a virtuální, poskládané jen z jedniček a nul. Jeho předloha, tj. „fyzické dvojče“ je objekt, se kterým se můžete setkat v opravdovém „hmotném“ světě (z pohledu IoT je dobré si představit např. větrnou farmu, městskou infrastrukturu a řízení dopravy, výrobní linku, ropnou plošinu a mnohé další). Klíčovou výhodou digitálního dvojčete, které se jinak chová zcela jako jeho fyzická předloha, je to, že je na něm možné simulovat a optimalizovat veškeré činnosti, chování, stavy a operace.

Můžete si vyzkoušet rozjezd nebo odstávku výrobní linky, provoz větrné elektrárny za nestandardních podmínek, nasimulovat dopad uzavření frekventovaných silnic na dopravu ve městě apod. Díky tomu je možné odhalit spoustu problému nebo nebezpečí včas. Mnohem dřív, než se nasadí finální řešení nebo spustí ostrý provoz. Lze také zpětně analyzovat data a odhalit, kde vznikl problém a jak se mu příště vyhnout. Určitě je vám jasné, že takový postup může ve finále ušetřit nemalé finanční prostředky i čas.

Co s tím mají společného IoT technologie

Představili jsme si fyzické a digitální dvojče. Aby byl ale koncept kompletní, nesmíme zapomenout na třetí z částí – senzory a datové propojení. A tady konečně přichází ke slovu také IoT.

Chceme-li, aby byla digitální kopie neustále aktuální, tj. stejná, jako její fyzický „sourozenec“, je potřeba mít informace o aktuálním reálném stavu nebo změnách. K jejich získávání slouží, mimo jiné, IoT senzory a další zařízení. Data z nich se potom např. za využití IoT sítě přenáší do platformy, pomocí které lze data (a tedy následně celé digitální dvojče) vizualizovat a pracovat s ním. IoT technologie nasazené ve fyzickém prostředí jsou tedy s jistou nadsázkou smyslovými orgány digitálního dvojčete. Existují sice Digital Twins, která IoT nevyužívají. Ale takové už dnes pomalu postrádají smysl. Právě spojení s IoT a využívání kvalitní platformy pro zpracování, vizualizaci a vyhodnocení dat dělá z Digital Twin to, čím dnes je. Digitální trend.

Konkrétní příklady využití konceptu Digital Twin

Digital Twin nachází v posledních letech uplatnění ve soustě oborů. Zejména samosřejmě v průmyslu a ve velkých výrobních společnostech, v automotive, v letectví, v dopravě, stavebnictví ale také třeba v lékařství a v mnoha dalších. Dnes jsme vybrali několik z nich, aby byly dobře vidět široké možnosti využití. Třeba vás některá oblast i překvapí. Tušili jste například, že mezi prvními společnostmi využívajícími IoT a koncept Digital Twin, byli McLaren – automobilová stáj Formule 1?

Digital Twin a Formule 1

Digital Twin a Formule 1
Foto: Artes Max from Spain – MCLAREN MCL-33 / Stoffel Vandoorne / McLaren F1 Team

V podstatě hned záhy po tom, co Dr. Michael Grieves představil svůj koncept digitálního dvojčete, nalezl jeho nápad uplatnění ve vývojovém oddělení týmu McLaren, který se účastní mistrovství světa formule 1.

IoT technologie a koncept Digital Twin využívají stále. Jak říká Mike Phillips z McLaren: „McLaren byl průkopníkem v oblasti internetu věcí (IoT). Využívali jsme ho vlastně ještě před tím, než dostal své současné jméno.“

Formule 1 dala vzniknout první vlně tzv. „connected cars“. Po letech, kdy sbírali a využívali big data z IoT senzorů, dospěli k tomu, že je výhodné vytvořit velmi přesnou simulaci celého auta včetně jeho provozního prostředí a pravděpodobného výkonu.

„Digitální dvojče dokáže odpovědět na otázky, jako například jakou hybridní baterii byste měli použít, kam až jít v kompromisu mezi pohodlím a ovládáním nebo jak pilot (řidič) vnímá kontrolu stability. Znamená to také, že řídit a vyzkoušet si nový produkt, nové auto, může kdokoliv – vývojáři, dodavatelský řetězec a dokonce i zákazníci. Ať už jsou kdekoli na světě. Stačí jim k tomu správný simulátor.“ dodává Mike Phillips.

Digitální dvojče v logistice

Příkladem ze světa logistiky může být projekt digitálního dvojčete realizovaný ve skladu v asijsko-pacifické oblasti v podání firem DHL Supply Chain a Tetra Pak.

Ve skladu společnosti Tetra Pak (Singapur) se pomocí digitálního dvojčete v kombinaci s IoT technologiemi a pokročilou datovou analýzou podařilo významným způsobem zvýšit bezpečnost a produktivitu při příjmu zboží do skladu i při expedici, při uskladnění do regálů a při manipulaci s těžkými předměty.

Všechno z nadhledu sleduje řídicí věž DHL, která má k dispozici veškerá data z IoT senzorů a zařízení, a díky tomu dokáže efektivně celý proces řídit. Provozní data jsou získávána a vyhodnocována v reálném čase. Týmlídři tedy mohou včas rozhodovat a instruovat pracovníky tak, aby jejich práce byla maximálně efektivní. Na nejvyšším stupni využití technologie digitálních dvojčat stojí potom digitální dvojče celého dodavatelského řetězce. 

Využití digitálních dvojčat v rámci městské infrastruktury

New York

Jako většina zastupitelů velkých měst se i newyorští snaží řešit otázku dopravy. Tady k tomu na rozdíl od většiny měst přistoupili tak, že se rozhodli vybudovat digitální repliku samotného města, která má za úkol zlepšit dopravní a cestovní systémy jako celek.

Tím, že se postaví kompletní model města v digitálním prostředí a zapojí se IoT a umělá inteligence, je možné při vytváření dopravních systémů přesně předpovídat, jaký dopad budou mít nová opatření na současnou situaci.

Sleduje se také například poškození dopravních cest. Když je totiž v reálném čase dostupná informace např. o průměrném poškození jedné z nejrušnějších ulic v New Yorku, je možné dobře a přesně naplánovat opravy a zásahy tak, aby se to co nejméně dotklo plynulosti dopravy a zároveň aby silnice a cesty byly vždycky bezpečné.

Digital Twin a Smart City

Zdroj: GenView

Konceptu Digital Twin a dat z IoT senzorů mohou chytrá města využívat ve více oblastech. Od infrastruktury, mobility, energetiky nebo chytrých budov až po životní prostředí. Díky tomu může municipalita vidí město jako celek, kde je jasně vidět, jaký dopad může mít např. výpadek proudu dopad na dopravu, prostředí i na náklady. Municipalita se tak může rychle rozhodovat na základě přesných dat, koordinovaně a s přesnou vizí.

O roustoucím významu konceptu Digital Twin svědčí třeba i to, že se objevuje mezi hlavními tématy například i v rámci letošního ročníku soutěže Chytrá města pro budoucnost 2020.

Monitoring větrných farem pomocí Digital Twin

Abychom si uvedli jasný příklad, předpokládejme, že existuje společnost provozující větrnou farmu. Způsob, jakým v současné době provozují svou větrnou farmu, je založen čistě na povětrnostních podmínkách. Problém však spočívá v nepředvídatelnosti počasí, směru větru, počtu bouřek a toho, jaké bude průměrné množství energie vyrobené za jeden měsíc.

Díky IoT senzorům pro monitoring povětrnostních podmínek a technologii digitálních dvojčat je možné vytvořit plně funkční repliku větrné farmy a zjistit, které úhly větru nejvíce ovlivňují křídla turbíny. Shromážděním a vyhodnocením digitálních dat o tom, kolik energie větrná farma generuje během posledních 3 měsíců, je možné úspěšně předpovědět, kolik energie farma vygeneruje v příštích 3 letech.

Kromě toho lze sledováním průměrného poškození za čas velmi přesně odhadnout průměrnou životnost celé větrné farmy. Případně předvídat, které turbíny budou potřebovat servis dřív, než ostatní, aby se předešlo havárii.

Koncept Digital Twin v oblasti energetiky a větrných farem využívá např. společnost GE na projektech Digital Wind Farm.

Každá větrná farma má unikátní profil, jako je DNA nebo otisk prstu,“ říká Keith Longtin, generální manažer pro větrné produkty v GE Obnovitelných Energiích. „Domnívali jsme se, že pokud budeme schopni získávat data týkající se interakce strojů s větrem a krajinou, budeme moci vytvořit virtuální Digital Twin pro každou větrnou farmu, což povede k navrhnutí nejefektivnější turbíny pro každou elektrárnu a zefektivnění každého projektu.

Digital Twin v letckém průmyslu

Společnost Boeing je jednou z několika společností v leteckém průmyslu, která implementovala koncept Digital Twin při vývoji. Díky tom se v Boeingu podařilo o 40 % zvýšit kvalitu produkce dílů i systémů, které se používají k výrobě komerčních a vojenských letadel.

Digital Twin a Letextví
Počítačem renderovaný Boeing 777-9X a 777-8X. Zdroj: Boeing

Tento model bude v příštím desetiletí největším hnacím motorem při zvyšování efektivity výroby největšího výrobce letadel na světě…“ pronesl už v září 2018 na kalifornské Morgan Stanley Laguna Conference Dennis Muilenburg – generální ředitel Boeingu.  „Použití digitálního dvojče mění způsob, jakým Boeing navrhuje své letouny.  Od virtuální replikace fyzických částí letounu přes simulace toho, jak budou fungovat.“ řekl Muilenburg .

Jak taková implementace konceptu Digital Twin v leteckém průmyslu může vypadat? Podívejte se například na video od společnosti Siemens, která se konceptem Digital Twins zabývá.

https://www.youtube.com/watch?v=7yjQKRPcY8E

Využije se Digital Twin ve zdravotnictví?

Zmiňovali jsme se, že digitální dvojčata jsou virtuální modely fyzického světa. Že využívají internet věcí, umělou inteligenci a komplexní data v modelech, díky kterým odborníci získávají nové poznatky a díky kterým mohou odpovědní lidé snáz a lépe rozhodovat v reálném čase. To z konceptu Digital Twin a z IoT dělá technologii, která může v mnohém velmi přispět právě ve zdravotnictví. Zejména v diagnostice, při volbě typu léčby nebo v chirurgii. Ale možnosti využití jsou širší. Představte si, že by každý z nás měl svoje virtuální dvojče. Uložené v cloudu. To by využívalo dat například z chytrých domacích zařízení a z wearables (nositelných věcí, které jsme si popsali nedávno). Kdybyste se necítili dobře, lékař by vás nejprve vyšetřil vzdáleně s tím, že by znal váš krevní tlak, množství cholesterolu nebo cukru v krvi. Poznal by sebemenší arytmii. Až podle závažnosti a symptomů by vás pak zval na osobní vyšetření. Takový přístup by pomohl i v boji se šířením infekčních onemocnění v čekárnách. A mohlo by to jít ještě dál. Kdyby systém usoudil, že s vaším digitálním dvojčetem je něco v nepořádku (což by rozpoznal často mnohem dřív, než vy sami), mohl by lékaře uvědomit sám, automaticky.

 Posuďte sami současné možnosti třeba podle krátké video kázky od společnosti Phillips.

Digitální dvojčata celých organizací – jak vylepšit procesy i příjmy

Co kdyby se dalo vytvořit digitální dvojče celé společnosti? Nebo celého úřadu? Dal by se nasimulovat proces vývoje nového produktu, jeho uvedení na trh i nástrahy, které to přinese např. pro zákaznickou linku? I to už je relativně známou praxí. A to dokonce i v našich končinách.

 „Jedním z příkladů, jak se se vývoj digitálních dvojčat může postupně posunout za hranici internetu věcí, bude vytváření digitálních dvojčat celých organizací. Tzv. DTO (Digital Twin of Organization. DTO si představte jako dynamický softwarový model, který pracuje s provozními a dalšími daty. Cílem je porozumět, jak ve skutečnosti funguje obchodní model dané organizace, namodelovat ho v reálném čase a vhodně reagovat na změny… říká David Cearley, analytik spol. Gartner. „DTO pomůže zvýšit efektivitu obchodních procesů a vytvořit flexibilnější, dynamičtější a procesy schopné reagovat na měnící se podmínky.“

Ondřej Stokláska ze společnosti Trask už v polovině minulého roku popsal hned několik příkladů z českého prostředí. Půjčíme si 2 z nich.

Nejmenovaná česká automobilka musela z výrobní linky každý měsíc odstavit kolem 200 aut, u nichž se nepovedla aktualizace systému (a pak bylo třeba chybu ručně napravovat). Všichni dodavatelé přitom shodně odmítali vinu. Teprve s pomocí Digital Twin byl konkrétní problém odhalen a napraven. O třetinu se tím snížila komunikační zátěž a počet odstavených aut klesl na pouhé jednotky za rok. 

Pojišťovna. Nový interní systém. 3 dny na vyřízení pojistné událostí namísto původních 23 hodin. Až po nasazení DTO se přišlo na to, že „úzkým hrdlem“ byla mimořádně přetížená zaměstnankyně, která dostala posilu, a tím se vše vyřešilo. To už se ale dostáváme příliš daleko od IoT.

Budoucnost Digital Twin a IoT?

Jak je vidět, koncept Digital Twin se skutečně stává technologickým trendem v mnoha oblastech a ve spojení s IoT řešeními v posledních letech získává na důležitosti.  Umožňuje předcházet nebezpečím a dá se skrz něj zvyšovat efektivita a snižovat náklady. Jan Antoš, ředitel pro strategické inovace v Trasku, řadí dokonce IoT a Digital Twin mezi ty digitální produkty, které s efektivitou dokáží pomoci nejvíc. A to je zejména v současné situaci opět víc než aktuální.

Jestli se pouštíte do vytvoření vlastního Digital Twin, budete s největší pravděpodobností hledat také IoT senzory nebo kompletní IoT řešení. V takovém případě jste na správném místě.

Potřebujete IoT senzory, připojení nebo celé řešení?

Články na podobné téma
4 IoT trendy v průmyslu, které musíte sledovat

4 IoT trendy v průmyslu, které musíte sledovat

Internet věcí (IoT) roste, získává na významu a docela rychle mění svět kolem nás. Inteligentní zařízení, připojené technologie a datová analytika posouvají mílovými kroky vpřed obchod, zemědělství,…
2020-06-22
Jak využít spojení umělé inteligence a IoT nejen ve výrobě

Jak využít spojení umělé inteligence a IoT nejen ve výrobě

V dnešní době, kdy roste počet zařízení a strojů opatřených nejrůznějšími senzory a připojených do IoT sítě, roste také množství nasbíraných dat.  Vedle výhod, které se v současnosti…
2019-11-10
Průmysl potřebuje IIoT – v roce 2019 hrálo důležitou roli a jeho význam poroste strmě dál

Průmysl potřebuje IIoT – v roce 2019 hrálo důležitou roli a jeho význam poroste strmě dál

V červenci 2019 provedla společnost IDC na německém trhu, se kterým je ten český do značné míry propojený, průzkum mezi pracovníky IT a manažery z 258 organizací s více než 100…
2019-11-08