Идеальная копия: какие задачи решают цифровые двойники в разных отраслях

Мировой рынок цифровых двойников в 2023 году оценивался в 10,1 млрд долларов, к 2028 году он, по прогнозам, вырастет до 110,1 млрд долларов — более чем на 60%.

Согласно дорожной карте «Технет 4.0», представленной в 2021 году в рамках Национальной технологической инициативы, внедрение «близнецов» планируется на 250 российских предприятиях, затраты на это составят 145 млн рублей.  

Концепция цифрового двойника подразумевает создание виртуальной копии физического объекта, процесса или системы, которая точно отражает их характеристики, поведение и взаимодействие с окружающей средой. 

С помощью технологии компаниям удаётся прогнозировать развитие различных сценариев, проверять гипотезы и экономить тем самым значительные ресурсы. 

Цифровых двойников уже применяют крупные игроки в самых разных отраслях: торговле, телекоме, металлургии, энергетике. По данным Минстроя РФ, в ближайшие три года планируется запустить цифровых двойников городов-миллионников. 

Как именно функционирует цифровой двойник и какие задачи решает в разных индустриях? 

Что такое цифровой двойник

Группа компаний, выпускающая растительное масло, создаёт цифрового  двойника одного из своих заводов. Цифровые копии процессов — от этапа обезличенной приёмки сырья до выпуска готовой продукции —- разворачиваются на IIoT-платформе. Это решение помогает улучшить точность сбора данных, снизить время реагирования и исключает влияние человеческого фактора на качество мониторинга. Общий объём инвестиций составляет около 200 млн рублей.

Цифровой двойник, он же digital twin, — это полная копия физического объекта, устройства или процесса в виртуальном пространстве. Он перенимает все свойства реального прототипа. Цель создания цифрового близнеца — получить возможность моделировать в разных условиях установку и эксплуатацию оригинала, ошибки и сценарии развития.

Группа компаний, выпускающая растительное масло, создаёт цифрового  двойника одного из своих заводов. Цифровые копии процессов — от этапа обезличенной приёмки сырья до выпуска готовой продукции —- разворачиваются на IIoT-платформе. Это решение помогает улучшить точность сбора данных, снизить время реагирования и исключает влияние человеческого фактора на качество мониторинга. Общий объём инвестиций составляет около 200 млн рублей. 

Цифровой двойник, он же digital twin, — это полная копия физического объекта, устройства или процесса в виртуальном пространстве. Он перенимает все свойства реального прототипа. Цель создания цифрового близнеца — получить возможность моделировать в разных условиях установку и эксплуатацию оригинала, ошибки и сценарии развития.

Цифровые двойники способны имитировать разные реальные объекты, начиная от единичных элементов заводского оборудования и заканчивая крупными установками вроде ветряных турбин и даже целых городов. Технология цифровых двойников помогает отслеживать состояние объектов, обнаруживать возможные сбои и принимать взвешенные решения относительно их обслуживания и эксплуатации.

Диджитал-копии постоянно пополняются новой информацией благодаря датчикам, установленным на реальном объекте. Они фиксируют любые изменения и достоверно отражают текущее положение дел. Физический и виртуальный объект связывает между собой интернет вещей (IoT) — комплекс вычислительных устройств, в рамках которого данные накапливаются и передаются по беспроводной сети без участия человека. 

Технология цифровых двойников основана на модели искусственного интеллекта и машинного обучения. С их помощью «близнецы» копируют поведение оригинала и прогнозируют события с высокой точностью. Они не ограничиваются анализом данных, полученных на стадии разработки, и сопровождают объект на протяжении всего жизненного цикла.

Рассмотрим, как есть виды цифровых двойников, исходя из применения технологии:

1. двойник продукта — цифровая копия физического изделия или устройства;
2. двойник процесса — моделирует производственные процессы, логистические цепочки или другие бизнес-процессы;
3. двойник системы — для моделирования сложных систем, таких как энергетические сети, транспортные инфраструктуры или города;
4. двойник организации — модель всей компании или её подразделений;
5. двойник потребителя — помогает изучать поведение потребителей, их предпочтения и реакции на продукты и услуги; 
6. двойник окружающей среды — используется для оценки влияния строительства новых объектов, разработки экологически чистых технологий и предотвращения природных катастроф;
7. двойник здоровья — предназначен для моделирования состояния здоровья одного пациента или группы людей;
8. двойник обучения — интерактивная среда, где студенты могут практиковаться и получать обратную связь без риска ошибок в реальной жизни;
9. двойник киберфизической системы — объединяет физические объекты с цифровыми технологиями (интернет вещей, искусственный интеллект и большие данные) и позволяет управлять сложными системами;
10.  двойник инфраструктуры — моделирует здания, мосты, дороги и другие элементы городской инфраструктуры, чтобы помогать проектировщикам и инженерам оценивать прочность конструкций, оптимизировать энергопотребление и минимизировать риски при эксплуатации объектов.

Создание цифровых двойников позволяет значительно улучшить эффективность, безопасность и надёжность реальных объектов и процессов.

Виды двойников 

Среди основных функций digital twins можно назвать: 

• информационные. Своевременная диагностика и передача данных в режиме реального времени; 
• визуализационные. Высокоточное изображение сложных систем;
• предиктивные. Прогноз развития процессов на объекте, предотвращение неисправностей;
• симуляционные. Эксперименты с «поведением» оригинала в разных условиях, решение управленческих задач; 
• операционные. Проверка совместимости работы активов, оптимизация управления данными в масштабных системах; 
• эксплуатационные. Повышение качества технического обслуживания в различных сценариях.

Все эти функции органично дополняют друг друга. Например, «Цифровой двойник сейсморазведки» крупнейшей российской нефтегазовой корпорации сочетает большинство перечисленных направлений. Данные с более чем 800 объектов во всех регионах присутствия накапливаются на этой платформе с 1999 года. Блок аналитики и интерпретации данных с алгоритмами машинного обучения позволяет оценивать новые проекты с точки зрения распределения ресурсов, последовательности задач и методов геологоразведки.

Прогноз роста глобального рынка цифровых двойников

Как создаются цифровые двойники

Этап 1. Комплексное изучение оригинала (если речь идёт об уже существующем объекте): создаётся детальная карта прототипа, в которой с помощью IoT-датчиков отображаются все свойства, характеристики и процессы. 

Этап 2. Формирование виртуальной модели: определив задачи, разработчики готовят на платформе 3D-модель с отображением инфраструктуры и процессов.

Этап 3. Тестирование и запуск: синхронизация работы копии и оригинала, проверка на практике процессов в различных условиях, первичное прогнозирование. 

Этап 4. Реализация изменений в бизнесе и дальнейшие корректировки на основе отработанных сценариев и ситуаций на реальном объекте.

Сроки создания цифрового двойника зависят непосредственно от задач, для которых он разрабатывается, а также от масштабов предприятия и структуры объектов. Это может занять от нескольких недель до нескольких лет.

На что способны цифровые двойники

Главная цель цифровых двойников — экономить финансы, время и другие ресурсы за счёт прогнозирования рисков, повышения безопасности, обнаружения возможностей для оптимизации процессов. 

Основные задачи цифровых двойников:

1. Повышение эффективности работы, будь то копия отдельного механизма, машины, целого завода или группы предприятий. 

2. Рост предсказуемости функционирования прототипов и связанных с ними систем.

3. Упрощение прогнозирования с высокой точностью на годы вперёд.  

4. Снижение количества тестирований на реальных объектах и сокращение вложений. 

5. Своевременное техническое обслуживание, продление срока эксплуатации. 

6. Снижение рисков аварийных ситуаций, повышение безопасности для сотрудников на этапе разработки и эксплуатации.

7. Снижение стоимости экспериментов, сокращение сроков проверки гипотез.

Например, в Индии цифровая модель города Амаравати появилась ещё до его строительства. Она позволяет управлять ходом развития агломерации и окружающей среды, рассчитывать прирост населения, трафик, мобильность.

В каких отраслях применяются digital twins

Примеры использования

В крупной российской транспортной компании цифровые двойники используются для оптимизации перевозок и повышения уровня безопасности, прогнозирования загруженности железнодорожных путей, прокладывания маршрутов, расчёта стоимости эксплуатации транспорта и режимов его работы. В недвижимости цифровые двойники помогают оптимизировать управление зданиями и снизить операционные расходы на 15—20%, сделать рабочие места более безопасными за счёт использования предиктивных технологий. В энергетике применение digital twins помогает существенно снизить аварийность, оптимизировать работу станций, экономить энергию на 1—6% в год. А в аэрокосмической отрасли применение цифровых двойников позволяет экономить до 10% топлива.

Прогнозы развития технологии

К 2025 году технологию digital twin будут использовать в своей работе 60% производителей во всём мире. Это позволит, в частности, на 25% повысить эффективность производства.

Кроме того, распространение практики применения цифровых двойников позволит снизить стоимость новых технологических экспериментов и сократить сроки проверки гипотез. Когда любые инновации в технологии производства или логистике можно испытать на близнеце в течение месяца, не подвергая само производство стрессу масштабных изменений, менеджмент предприятия может себе позволить большую открытость к новым решениям.

• Чтобы быть в курсе важных трендов и мнений ведущих экспертов, следите за нами в телеграм-канале. О развитии навыков управления, личностном росте пишем в «Дзене». Про технологии и развитие в IT — в блоге на VC.