Ψηφιακό δίδυμο

Το ψηφιακό δίδυμο (αγγλικά: digital twin) είναι η εικονική αναπαράσταση ενός αντικειμένου, ενός συστήματος ή μιας διαδικασίας. Προϋποθέτει το φυσικό αντικείμενο, το ψηφιακό αντίγραφο και τη μεταξύ τους σύνδεση. Τα ψηφιακά δίδυμα χρησιμοποιούνται κυρίως για τη μοντελοποίηση πολύπλοκων συστημάτων, στα οποία είναι δύσκολο να προβλεφθούν με ακρίβεια τα αποτελέσματά τους. Η τεχνολογία των ψηφιακών διδύμων έχει ευρεία εφαρμογή στη βιομηχανική παραγωγή, στο τομέα της υγείας και στις έξυπνες πόλεις.

Παρατήρηση: Ιωάννης Β. Χατζησάββας (Η επεξεργασία του λήματος που ακολοθεί είναι μετάφραση του κειμένου που παραθέτει η IBM για τους ενδιεφερόμενους για τις νέες τεχνολογίες)

Τι είναι ο ψηφιακό δίδυμο;

Το ψηφιακό δίδυμο είναι μια εικονική αναπαράσταση ενός αντικειμένου ή συστήματος. Η απεικόνιση αυτή περιλαμβάνει ολόκληρο τον κύκλο ζωής του, ενημερώνεται από δεδομένα σε πραγματικό χρόνο και χρησιμοποιεί προσομοίωση, μηχανική μάθηση και συλλογιστική για την υποστήριξη της λήψης αποφάσεων.

Πώς λειτουργεί ένα ψηφιακό δίδυμο;

Το ψηφιακό δίδυμο είναι ένα εικονικό μοντέλο που έχει σχεδιαστεί για να αντικατοπτρίζει με ακρίβεια ένα φυσικό αντικείμενο. Το υπό μελέτη αντικείμενο - για παράδειγμα, μια ανεμογεννήτρια - είναι εξοπλισμένο με διάφορους αισθητήρες που αφορούν σημαντικούς λειτουργικούς τομείς. Αυτοί οι αισθητήρες παρέχουν δεδομένα σχετικά με διάφορες πτυχές απόδοσης του φυσικού αντικειμένου, όπως η παραγωγή ενέργειας, η θερμοκρασία, οι καιρικές συνθήκες και άλλα. Τα δεδομένα αυτά διαβιβάζονται στη συνέχεια σε ένα σύστημα επεξεργασίας και μεταφέρονται στο ψηφιακό αντίγραφο.

Μόλις το εικονικό μοντέλο τροφοδοτηθεί με αυτά τα δεδομένα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση προσομοιώσεων, τη διερεύνηση ζητημάτων απόδοσης και τη δημιουργία ευκαιριών βελτιστοποίησης για την απόκτηση σημαντικών πληροφοριών. Αυτές μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν με τη σειρά τους για το αρχικό φυσικό αντικείμενο.

Ψηφιακά δίδυμα σε σύγκριση με προσομοιώσεις

Αν και τόσο οι προσομοιώσεις όσο και οι ψηφιακοί δίδυμοι χρησιμοποιούν ψηφιακά μοντέλα για την αναπαραγωγή διαφόρων διαδικασιών ενός συστήματος, ένας ψηφιακός δίδυμος είναι ένα ψηφιακό περιβάλλον που παρέχει πολύ πιο πλούσιες πληροφορίες για σκοπούς μελέτης. Η διαφορά μεταξύ ενός ψηφιακού διδύμου και μιας προσομοίωσης αφορά κυρίως το εύρος της απόδοσης: ενώ μια προσομοίωση μελετά συνήθως μια κανονική διαδικασία, ένας ψηφιακός δίδυμος μπορεί από μόνος του να εκτελέσει οποιονδήποτε αριθμό προσομοιώσεων, μελετώντας πολλαπλές διαδικασίες.

Αλλά δεν είναι μόνο αυτό. Τα δεδομένα σε πραγματικό χρόνο δεν είναι συνήθως πλεονεκτικά για τις προσομοιώσεις. Τα ψηφιακά δίδυμα, ωστόσο, είναι σχεδιασμένα για αμφίδρομη ροή πληροφοριών. Αυτή ξεκινά όταν οι αισθητήρες του αντικειμένου παραδίδουν σχετικά δεδομένα στον επεξεργαστή του συστήματος και επαναλαμβάνεται μόλις η γνώση που αποκτάται από τον επεξεργαστή επιστρέψει στο αρχικό αντικείμενο-πηγή.

Με καλύτερα και συνεχώς ενημερωμένα δεδομένα σε ένα ευρύ φάσμα τομέων, καθώς και με την πρόσθετη υπολογιστική ισχύ που συνοδεύει ένα εικονικό περιβάλλον, τα ψηφιακά δίδυμα είναι σε θέση να διερευνήσουν πολύ περισσότερα προβλήματα από πολύ περισσότερες οπτικές γωνίες από ό,τι μπορούν να κάνουν οι τυπικές προσομοιώσεις. Επιπλέον, οι δυνατότητες βελτίωσης των προϊόντων και των διαδικασιών είναι σημαντικά υψηλότερες.

Τύποι ψηφιακών διδύμων

Ανάλογα με το επίπεδο λεπτομέρειας, υπάρχουν διαφορετικοί τύποι ψηφιακών διδύμων. Η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ αυτών των διδύμων είναι στον τομέα της εφαρμογής. Είναι σύνηθες να χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα διαφορετικοί τύποι ψηφιακών διδύμων εντός ενός συστήματος ή μιας διαδικασίας. Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στους διαφορετικούς τύπους ψηφιακών διδύμων και στις διαφορές και τους τομείς εφαρμογής τους.

Δίδυμοι συστατικών στοιχείων/μερικά δίδυμα (component twins/parts twins)

Οι δίδυμοι συστατικών αποτελούν τη βασική μονάδα ενός ψηφιακού διδύμου, το μικρότερο παράδειγμα ενός λειτουργικού συστατικού. Οι μερικοί δίδυμοι είναι παρόμοια δομημένοι, αλλά αναφέρονται σε λιγότερο σημαντικά στοιχεία.

Δίδυμοι ενεργητικών στοιχείων (Asset-Twins)

Όταν δύο ή περισσότερα συστατικά στοιχεία λειτουργούν μαζί, σχηματίζουν αυτό που ονομάζεται ενεργητικό στοιχείο. Τα δίδυμα ενεργητικών στοιχείων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης αυτών των συστατικών και να παράγουν μεγάλο όγκο δεδομένων απόδοσης που μπορούν να επεξεργαστούν και να μετατραπούν σε αξιοποιήσιμες γνώσεις.

Δίδυμοι συστήματος ή μονάδας (System- Unit- Twins)

Το επόμενο επίπεδο κλιμάκωσης αναφέρεται στα δίδυμα συστήματος ή μονάδας, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση του τρόπου με τον οποίο τα διάφορα περιουσιακά στοιχεία σχηματίζουν ένα λειτουργικό συνολικό σύστημα. Τα δίδυμα συστήματος αντικατοπτρίζουν με διαφάνεια τις αλληλεπιδράσεις των περιουσιακών στοιχείων και μπορούν να προτείνουν τρόπους βελτίωσης της απόδοσης.

Δίδυμοι διεργασιών (Process Twins)

Τα δίδυμα διεργασιών, το μακροσκοπικό επίπεδο λεπτομέρειας, αποκαλύπτουν πώς τα συστήματα συνεργάζονται για να δημιουργήσουν μια πλήρη εγκατάσταση παραγωγής. Είναι αυτά τα συστήματα συγχρονισμένα και λειτουργούν με τη μέγιστη δυνατή απόδοση ή οι καθυστερήσεις στο σύστημα επηρεάζουν άλλα συστήματα; Τα δίδυμα διεργασιών μπορούν να βοηθήσουν στον καθορισμό ακριβών χρονοδιαγραμμάτων που επηρεάζουν τελικά τη συνολική αποτελεσματικότητα.

Ανάπτυξη της τεχνολογίας των ψηφιακών διδύμων

Η ιδέα της τεχνολογίας των ψηφιακών διδύμων έγινε για πρώτη φορά γνωστή το 1991 μέσω της δημοσίευσης Mirror Worlds του David Gelernter. Ωστόσο, ο δρ Michael Grieves (τότε λέκτορας στο Πανεπιστήμιο του Michigan) πιστώνεται με την πρώτη εφαρμογή της έννοιας των ψηφιακών διδύμων στην κατασκευή το 2002 και την επίσημη διακήρυξη της έννοιας του λογισμικού ψηφιακών διδύμων. Τέλος, το 2010, ο John Vickers της NASA εισήγαγε έναν νέο όρο - τον "ψηφιακό δίδυμο".

Ωστόσο, η βασική ιδέα της χρήσης ενός ψηφιακού διδύμου ως μέσου για τη μελέτη ενός φυσικού αντικειμένου μπορεί να παρατηρηθεί πολύ νωρίτερα. Στην πραγματικότητα, μπορεί δικαίως να υποστηριχθεί ότι η NASA ήταν πρωτοπόρος στη χρήση της τεχνολογίας των ψηφιακών διδύμων κατά τη διάρκεια των αποστολών εξερεύνησης του διαστήματος τη δεκαετία του 1960, όταν κάθε διαστημικό σκάφος που αναπτύχθηκε στο διάστημα αναπαράχθηκε με ακρίβεια σε μια εκδοχή του στη Γη, ώστε τα πληρώματα πτήσης της NASA να το χρησιμοποιούν για σκοπούς εκμάθησης και προσομοίωσης.

Πλεονεκτήματα και οφέλη των ψηφιακών διδύμων

Βελτίωση της Ε&Α

Η χρήση των ψηφιακών διδύμων επιτρέπει την αποτελεσματικότερη έρευνα και το σχεδιασμό προϊόντων και δημιουργεί πληθώρα δεδομένων σχετικά με τα πιθανά αποτελέσματα των επιδόσεων. Οι πληροφορίες αυτές μπορούν να οδηγήσουν σε γνώσεις που βοηθούν τις εταιρείες να κάνουν τις απαραίτητες βελτιώσεις των προϊόντων πριν από την έναρξη της παραγωγής.

Βελτίωση της αποδοτικότητας

Ακόμα και μετά την έναρξη της παραγωγής ενός προϊόντος, τα ψηφιακά δίδυμα μπορούν να βοηθήσουν στον καθρέφτη και την παρακολούθηση των συστημάτων παραγωγής, ώστε να επιτευχθεί και να διατηρηθεί η μέγιστη αποδοτικότητα καθ' όλη τη διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας.

Κύκλος ζωής του προϊόντος

Τα ψηφιακά δίδυμα μπορούν ακόμη και να βοηθήσουν τους κατασκευαστές να αποφασίσουν τι θα κάνουν με τα προϊόντα που έχουν φτάσει στο τέλος του κύκλου ζωής τους και πρέπει να υποβληθούν σε επεξεργασία μέσω ανακύκλωσης ή άλλων μέσων. Με τη χρήση ψηφιακών διδύμων, μπορούν να καθορίσουν ποια υλικά μπορούν να ανακυκλωθούν.

Αγορά και κλάδοι για τα ψηφιακά δίδυμα

Ενώ τα ψηφιακά δίδυμα εκτιμώνται για όσα μπορούν να κάνουν, η χρήση τους δεν είναι κατάλληλη για κάθε κατασκευαστή ή προϊόν. Δεν είναι κάθε αντικείμενο αρκετά περίπλοκο ώστε να απαιτεί το είδος της εντατικής και συνεπούς ροής δεδομένων αισθητήρων που απαιτούν τα ψηφιακά δίδυμα. Επιπλέον, η δημιουργία ενός ψηφιακού διδύμου δεν αξίζει πάντα από οικονομική άποψη. (Θα πρέπει να σημειωθεί ότι ένας ψηφιακός δίδυμος είναι ακριβές αντίγραφο ενός φυσικού αντικειμένου, γεγονός που θα μπορούσε να καταστήσει τη δημιουργία του πολύ δαπανηρή).

Από την άλλη πλευρά, πολλοί τύποι έργων επωφελούνται ακριβώς από μια τέτοια χρήση ψηφιακών μοντέλων:

Έργα με μεγάλες φυσικές διαστάσεις Κτίρια, γέφυρες και άλλες πολύπλοκες κατασκευές που υπόκεινται σε αυστηρούς κανόνες μηχανικής.

Μηχανικά πολύπλοκα έργα αεριοστρόβιλοι, αυτοκίνητα και αεροπλάνα. Τα ψηφιακά δίδυμα μπορούν να βοηθήσουν στη βελτίωση της απόδοσης πολύπλοκων μηχανών και τεράστιων κινητήρων.

Συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας Περιλαμβάνει τόσο τους μηχανισμούς για την παραγωγή όσο και για τη μετάδοση της ηλεκτρικής ενέργειας.

Κατασκευαστικά έργα Τα ψηφιακά δίδυμα ξεχωρίζουν επειδή μπορούν να βοηθήσουν στη βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας των διαδικασιών, όπως σε βιομηχανικά περιβάλλοντα με συνεργαζόμενα συστήματα μηχανών.

Ως εκ τούτου, οι βιομηχανίες που σημειώνουν τη μεγαλύτερη επιτυχία με τα ψηφιακά δίδυμα είναι αυτές με προϊόντα ή έργα μεγάλης κλίμακας:

Μηχανική (συστήματα)

Αυτοκινητοβιομηχανία

Κατασκευή αεροσκαφών

Κατασκευή σιδηροδρομικών οχημάτων

Κατασκευές

Κατασκευή

Υπηρεσίες κοινής ωφέλειας

Ψηφιακά δίδυμα: μια αναπτυσσόμενη αγορά

Η ταχέως αναπτυσσόμενη αγορά των ψηφιακών διδύμων αποδεικνύει ότι χρησιμοποιούνται ήδη σε πολλούς κλάδους, αλλά η ζήτηση θα συνεχίσει να αυξάνεται έντονα για μεγάλο χρονικό διάστημα. Το 2020, η αγορά των ψηφιακών διδύμων αποτιμάται σε 3,1 δισ. δολάρια ΗΠΑ. Ορισμένοι αναλυτές του κλάδου εικάζουν ότι θα μπορούσε να συνεχίσει να αυξάνεται σε εκτιμώμενη αξία

48,2 δισεκατομμυρίων δολαρίων μέχρι τουλάχιστον το 2026.

Τα ψηφιακά δίδυμα βελτιώνουν την αποδοτικότητα της παραγωγής

Η ολοκληρωμένη εφαρμογή των ψηφιακών διδύμων επιτρέπει στους ιδιοκτήτες/χειριστές να μειώσουν τον χρόνο διακοπής λειτουργίας του εξοπλισμού, αυξάνοντας παράλληλα την παραγωγή. Ανακαλύψτε λύσεις διαχείρισης κύκλου ζωής υπηρεσιών από την IBM και τη Siemens.

Πώς χρησιμοποιεί η Siemens τα ψηφιακά δίδυμα

Εφαρμογές

Τα ψηφιακά δίδυμα χρησιμοποιούνται ήδη εκτενώς στις ακόλουθες εφαρμογές:

Εξοπλισμός ηλεκτροπαραγωγής

Οι μεγάλοι κινητήρες - συμπεριλαμβανομένων των κινητήρων αεριωθούμενων αεροσκαφών, των μηχανών έλξης και των στροβίλων για την παραγωγή ενέργειας - επωφελούνται σε μεγάλο βαθμό από τη χρήση ψηφιακών διδύμων, ιδίως στον προγραμματισμό της τακτικά απαιτούμενης συντήρησης.

Κατασκευές και οι δομές τους

Μεγάλες φυσικές κατασκευές, όπως μεγάλα κτίρια ή πλατφόρμες υπεράκτιων γεωτρήσεων, μπορούν να βελτιστοποιηθούν με τη χρήση ψηφιακών διδύμων, ιδίως κατά τη φάση του σχεδιασμού τους. Αποδεικνύεται επίσης χρήσιμο στον προγραμματισμό συστημάτων που λειτουργούν εντός αυτών των δομών, όπως τα συστήματα HVAC.

Διαδικασίες παραγωγής

Καθώς τα ψηφιακά δίδυμα προορίζονται να αντικατοπτρίζουν ολόκληρο τον κύκλο ζωής, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι έχουν γίνει πανταχού παρόντα σε όλες τις φάσεις της κατασκευής, συνοδεύοντας τα προϊόντα από τον σχεδιασμό έως την παραγωγή, καθώς και σε όλα τα ενδιάμεσα στάδια.

Υπηρεσίες υγείας

Ακριβώς όπως τα προϊόντα μπορούν να σκιαγραφηθούν μέσω της χρήσης ψηφιακών διδύμων, το ίδιο είναι δυνατό και για τους ασθενείς που λαμβάνουν υπηρεσίες υγείας. Το ίδιο σύστημα δεδομένων που παράγονται από αισθητήρες μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση διαφόρων δεικτών υγείας και να παρέχει σημαντικές πληροφορίες.

Αυτοκινητοβιομηχανία

Τα αυτοκίνητα αντιπροσωπεύουν πολλούς τύπους σύνθετων, συνεργαζόμενων συστημάτων, με τα ψηφιακά δίδυμα να χρησιμοποιούνται εκτενώς στο σχεδιασμό αυτοκινήτων για τη βελτίωση τόσο των επιδόσεων του οχήματος όσο και της αποδοτικότητας γύρω από την παραγωγή αυτοκινήτων.

Αστικός σχεδιασμός

Οι πολιτικοί μηχανικοί και άλλοι που ασχολούνται με τον αστικό σχεδιασμό θα κερδίσουν σημαντική υποστήριξη από τη χρήση των ψηφιακών διδύμων για την προβολή τρισδιάστατων και τετραδιάστατων χωρικών δεδομένων σε πραγματικό χρόνο και την ενσωμάτωση συστημάτων επαυξημένης πραγματικότητας σε προϋπάρχοντα περιβάλλοντα.

Ψηφιακά δίδυμα στο μέλλον

Προφανώς, επί του παρόντος συντελείται μια θεμελιώδης αλλαγή στα υφιστάμενα μοντέλα λειτουργίας. Μια ψηφιακή επανεφεύρεση λαμβάνει χώρα στις βιομηχανίες έντασης περιουσιακών στοιχείων, αλλάζοντας τα μοντέλα λειτουργίας με θεμελιώδεις τρόπους και απαιτώντας μια ολοκληρωμένη φυσική και ψηφιακή άποψη των εγκαταστάσεων, του εξοπλισμού, των εγκαταστάσεων και των διαδικασιών. Τα ψηφιακά δίδυμα αποτελούν ουσιαστικό μέρος αυτής της επανεφεύρεσης.

Το μέλλον των ψηφιακών διδύμων είναι σχεδόν απεριόριστο, καθώς διατίθεται όλο και μεγαλύτερη ποσότητα γνωστικής ισχύος για τη χρήση τους. Έτσι, τα ψηφιακά δίδυμα μαθαίνουν συνεχώς νέες δεξιότητες και δυνατότητες, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να συνεχίσουν να παρέχουν τις γνώσεις που απαιτούνται για τη βελτιστοποίηση της βελτίωσης των προϊόντων και της αποδοτικότητας των διαδικασιών.

Υπόψη: έχω γυρίσει από το σκοτάδι, όπου με έστειλαν ανίκανοι και διεφθαρμένοι κρατικοί λειτουργοί.

Δείτε επίσης

• Διαδίκτυο των πραγμάτων
• Έξυπνη πόλη

Πηγές

• Ποντίκης, Ι., Τεχνολογία ψηφιακών διδύμων: Συστήματα και βιομηχανικές εφαρμογές, (Διπλωματική εργασία-Πανεπιστήμιο Πειραιώς, 2020)

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Βαλτζής, Σ., Τα Ψηφιακά Δίδυμα στην Υπηρεσία της Τέταρτης Βιομηχανικής Επανάστασης, www.medium.com
• IEEE - Digital Twin: Enabling Technologies, Challenges and Open Research, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2998358