CC BY
45УДК 620.9
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ДВОЙНИКОВ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ
ПРОЦЕССОМ
КАРИМОВ ВАЛЕРИЙ ДИНАРОВИЧ
Студент Тюменского индустриального университета, Тюмень, Российская Федерация
Аннотация. Цифровые двойники являются перспективной цифровой технологией в области автоматизации технологических процессов, они позволяют создавать точные виртуальные модели, осуществлять постоянный мониторинг за выполнением технологических операций в режиме реального времени, проводить аналитику данных для принятия сбалансированного решения. В статье рассматривается понятие цифровых двойников, анализируется применение цифровых двойников в рамках производственного процесса, выявляются ограничения использования цифровых двойников на производстве, проводится обзор мирового опыта исследования цифровых двойников, определяются возможные пути дальнейших исследований.
Ключевые слова: цифровые двойники, информационные технологии, виртуальная среда, автоматизация, кибербезопасность.
Концепция цифровых двойников обязана своему появлению Майклу Гривзу, который в 2002 году впервые представил модель, объединяющую реальное и виртуальное пространство в единую информационную среду Уникальность модели состояла в возможности производить различные операции над объектами с использованием нескольких виртуальных копий. Первое упоминание понятия «цифровой двойник» произошло в 2010 году в связи с технологической разработкой в области цифрового моделирования НАСА, тогда под цифровым двойником понималось виртуально-симулятивное пространство, обладающее набором специальных характеристик, и, способное воспроизводить физические модели транспортных средств, с целью изучения динамического поведения аналога летательного объекта. Позже область определения цифровых двойников распространилась и на другие объекты исследования, такие как услуги, продукты, активы компании, различные системы и т. п. Практический опыт реализации концепции цифрового двойника состоялся в 2011 году для задачи осуществления расчетов, связанных со сроком эксплуатации военных самолетов США. [1, с. 37, 38]
На сегодняшний день понятие цифрового двойника не имеет единого значения, поэтому в широком смысле можно рассмотреть два определения. Согласно первому определению, цифровой двойник олицетворяет физический объект, наделенный совокупностью технических характеристик и снабженный системой датчиков, он выполняет заданную последовательность действий в определенных условиях. Описанная цифровая модель отвечает стремлениям проверить эффективность отдельных устройств. Второе определение сконцентрировано на анализе бизнес-процессов, в нем цифровой двойник представляется в качестве модели жизненного цикла товара, которая подразумевает виртуальное исследование готового продукта для понимания его слабых и сильных сторон в интересах обеспечения устойчивости компании. Следует обратить внимание на принципиальное отличие технологии цифровых двойников от систем автоматизированного проектирования (САПР) Интернета вещей (IoT), цифровой тени; цифровые двойники - это сложная многомерная система, которая основана на использовании технологии больших данных (Big Data), позволяющая рассматривать несколько вариантов развития событий в виртуальной среде для автоматизации принятия оптимального технологического или управленческого решения. [2, c. 32]
Масштабируя исследование в рамках отдельных устройств, можно создать цифровые двойники производственных процессов. Построение цифровых моделей производственных
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
процессов сложный и трудоемкий процесс, сопряженный с множеством факторов, оказывающих влияние друг на друга. Ключевыми компонентами при анализе производственных процессов будут выступать такие показатели как временной период и распределенная структура. Система датчиков располагается на всех этапах производственного процесса, датчики наделены интеграционными возможностями, которые позволяют считывать и передавать фактические данные в режиме реального времени для их последующей трансформации в цифровую модель. Далее проводится тестирование модели, в результате которого принимается решение о внесении изменений, связанных с оптимизацией производственных процессов. [3, с. 26] Таким образом, можно добиться увеличения эффективности производства, осуществления прогнозирования неблагоприятных последствий на ранних сроках, сокращения производственных рисков, повышения производственной безопасности, снижения затрат, уменьшения негативного влияния на окружающую среду.
В отношении использования цифровых двойников на производстве имеют место быть следующие вызовы и ограничения. В рамках правового регулирования цифровые двойники представляют ряд сложностей для признания их патентоспособными, поскольку исходя из требований изобретение должно обладать ясностью и полнотой описания для возможности последующего воспроизведения. Исходя из чего представляется необходим предоставить доказательства, подтверждающие уникальность цифрового двойника, особенности, которые отличают его от копии производственной системы. [4, с. 107] Цифровые двойники являются новым направлением в развитии цифровых технологий, что влечет за собой отсутствие достаточного количества компетентных специалистов на рынке труда, занимающихся разработками в данной области. Поэтому возникают риски, неправильной настройки цифровых двойников, допущения ошибок в коде или расчетах, внесение недостаточного количества данных для анализа могут привести к ухудшению производительности предприятия. В настоящее время отсутствуют стандарты и другая нормативно-техническая документация, которые бы позволяли провести тестирование цифровых двойников на подтверждение соответствия для использования их в производственных процессах. Другой важной проблемой, освещаемой в научном сообществе является реализация кибербезопасности цифровых двойников. [5, с. 1384, 1385]
Мировое научное сообщество демонстрирует рост интереса к теме исследования цифровых двойников в последние несколько лет. Ученые из Дании P. Talasila, C. Gomes, P. H. Mikkelsen рассматривают в своей научной работе проблему отсутствия разработчиков цифровых двойников, для решения которой авторы предлагают использовать специализированную платформу, оснащенную фреймворками, «digital twin», чтобы облегчить процесс создания цифрового двойника. Также исследователи предлагают использовать аутсорсинг для привлечения узкоспециализированных экспертов в организации для внедрения цифровых двойников в производственные процессы. [6] Исследователи из США M. Samaniego, R. Deters обращают внимание на проблему обеспечения информационной безопасности, для защиты доступа к данным авторы рекомендуют использовать технологию блокчейн, которая позволяет эффективно шифровать и хранить важные данные. [7] Немецкий ученый A. Badach рассматривает проблему интеграции цифровых двойников, автор дает объяснение архитектуры цифровых двойников, рассматривает методики интеграции цифрового двойника и интернета вещей, а также интеграции нескольких цифровых двойников между собой. [8]
Исследователи из норвежского университета E. E. Ambarita, A. Karlsen, F. Scibilia рассматривают использование цифровых двойников на морских оффшорных ветряных электростанциях (имеются в виду ветряные электростанции, построенные на некотором расстоянии от берега). В результате исследования авторы приходят к выводу, что цифровые двойники позволят автоматизировать процедуры, связанные с техническим обслуживанием посредством осуществления дистанционного мониторинга, помогут автоматизировать процессы по управлению турбинами. [9] Ученые из Норвегии J. Liu, X. Liu, J. Vatn обращают внимание на проблему отсутствия методов верификации для цифровых двойников, в связи с
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
чем авторы предлагают использовать метод диагностики, основанный на пяти принципах: точности, интеллекта, своевременности, интеграции и соответствия стандартам. Исследователи разрабатывают метод применения данной системы в цифровых двойниках, эффективность которой была доказана в ходе проведения двух экспериментов. [10]
Португальские ученые К. О. Adu, К Camarinha-Matos провели исследования относительно проблемы интеграции нескольких цифровых двойников между собой, для корректной связи цифровых двойников авторы предложили использовать метод мультиметодного моделирования, в котором исследуются различные сценарии совместной работы цифровых двойников. Исследователи отмечают, что разработанный ими прототип «Когнитивных домашних цифровых двойников» показал жизнеспособность представленной гипотезы. [11] Ученые из Германии А. Khodadadi, S. Lazarova-Molnar предложили метод управления энергопотреблением на производстве с помощью совершенствования технологии цифровых двойников, согласно результатам проведенного исследования авторам удалось сократить потребление электроэнергии с помощью специальной платформы, которая автоматизирует включение и отключение электроэнергии в зависимости от данных полученных из системы датчиков расположенных на территории предприятия. [12]
Логичным продолжением цифровизации отдельных аспектов управления промышленным объектом, по мнению исследователей, является интеграция всех информационных сред, дающих представление об активе, который, собственно и является объектом наших управленческих усилий.
Достигается такая интеграция путем создания единой платформы управления (рис. 1). Именно на базе цифрового двойника можно объединить все системы и модели, используемые для планирования и управления объектами, а также управления интеграционными процессами, что повысит точность и динамичность принятия решений, упорядочит хранение данных и обеспечит оперативный доступ к ним.
Рисунок 1 - Модель взаимодействия в системе управления промышленным объектом на основе технологии «цифровой двойник».
Понятие цифровых двойников имеет множество интерпритаций, что коррелирует с обширной областью применения цифровых двойников. В общем смысле цифровой двойник можно описать как цифровую модель, обладающую свойствами и характеристиками настоящего объекта, процесса или системы в реальном времени. Современные производственные процессы имеют сложную структуру, что отражается на трудностях реализации цифровых двойников. Построение виртуальной модели производственных процессов обусловлено наличием системы датчиков на всех этапах производственных процессов. Датчики считывают данные, которые в процессе преобразуются в цифровую модель. Цифровые двойники позволяют оптимизировать производственные процессы на предприятии благодаря автоматическому принятию управленческих решений на основе анализа данных виртуальной модели. Проблемами применения цифровых двойников являются отсутствие правового регулирования, отсутствие нормативно-технической документации на предъявляемые требования, на методы тестирования, недостаточная изученность, небольшое количество специалистов, имеющих компетенции в данной области, недостаточное обеспечение информационной безопасности, совместимость цифровых двойников с другими технологиями, риски связанные с ухудшением производительности. Анализ мирового опыта изучения научных трудов показал, что многие ученые работают в направлении цифровых двойников и уже сейчас предлагают решения для устранения перечисленных проблем, что свидетельствует о преодолении трудностей, связанных с применением цифровых двойников в обозримом будущем. В настоящее время заметно преобладание теоретических научных исследований, мало исследований, посвященных осуществлению верификации цифровых двойников, разработке нормативных характеристик, что может стать основой для будущих исследований.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Сосфенов Д. А. Цифровой двойник: история возникновения и перспективы развития / Д. А. Сосфенов // Интеллект. Инновации. Инвестиции. - 2023. - № 4. - С. 35-43.
2. Кокорев Д. С. Цифровые двойники: понятие, типы и преимущества для бизнеса / Д. С. Кокорев, А. А. Юрин // Colloquium-Journal. - 2019. - № 10-2(34). - С. 31-35.
3. Лихтциндер Б. Я. Моделирование и цифровые двойники / Б. Я. Лихтциндер, П. А. Ольберг // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. - 2022. - Т. 30, № 4(76). - С. 20-32.
4. Царькова Е. Г. К вопросу правового регулирования отношений в сфере разработки и применения цифровых двойников / Е. Г. Царькова // Право и управление. - 2023. - № 3. - С. 106-108.
5. Старожук Е. А. Анализ основных рисков снижения эффективности деятельности промышленных предприятий при внедрении цифровых двойников в автоматизированную систему управления жизненным циклом продукции / Е. А. Старожук, М. В. Яковлева // Вопросы инновационной экономики. - 2020. - Т. 10, № 3. - С. 1381-1392.
6. Talasila P. Digital Twin as a Service (DTaaS): A Platform for Digital Twin Developers and Users // Research Gate [сайт]: researchgate.net - 2023. - URL: https://www.researchgate.net/publication/370763506_Digital_Twin_as_a_Service_DTaaS_A_Platfo rm_for_Digital_Twin_Developers_and_Users (дата обращения: 03.11.2023)
7. Samaniego M. Digital Twins and Blockchain for IoT Management / M. Samaniego, R. Deters // Research Gate [сайт]: researchgate.net - 2023. - URL: https://www.researchgate.net/publication/373889487_Digital_Twins_and_Blockchain_for_IoT_Ma nagement (дата обращения: 03.11.2023)
8. Badach A. Digital Twins in IoT / A. Badach // Research Gate [сайт]: researchgate.net - 2022. -URL: https://www.researchgate.net/publication/366167747_Digital_Twins_in_IoT (дата обращения: 03.11.2023)
9. Ambarita E. E. Industry 4.0 Digital Twins in Offshore Wind Farms / E. E. Ambarita, A. Karlsen, F. Scibilia // Research Gate [сайт]: researchgate.net - 2023. - URL: https://www.researchgate.net/publication/373528508_Industry_40_Digital_Twins_in_0ffshore_Wi nd_Farms (дата обращения: 03.11.2023)
10. Liu J. A generic framework for qualifications of digital twins in maintenance / J. Liu, X. Liu, J. Vatn // Research Gate [сайт]: researchgate.net - 2023. - URL: https://www.researchgate.net/publication/373157716_A_generic_framework_for_qualifications_of_ digital_twins_in_maintenance (дата обращения: 03.11.2023)
11. Adu K. O. Collaborative Digital Twins: The Case of the Energy Communities / K. O. Adu, L. Camarinha-Matos // Research Gate [сайт]: researchgate.net - 2023. - URL: https://www.researchgate.net/publication/373518156_Collaborative_Digital_Twins_The_Case_of_t he_Energy_Communities (дата обращения: 03.11.2023)
12. Khodadadi A. Towards Sustainable Manufacturing: Digital Twins for Enhanced Energy Efficiency / A. Khodadadi, S. Lazarova-Molnar // Research Gate [сайт]: researchgate.net - 2023. URL:https://www.researchgate.net/publication/372307892_Towards_Sustainable_Manufacturing_ Digital_Twins_for_Enhanced_Energy_Efficiency (дата обращения: 03.11.2023)
