Skala odwzorowania cech rzeczywistego obiektu zależy od tego, w jakim celu tworzymy cyfrową kopię. Technologię cyfrowych bliźniaków stosuje się głównie po to, by minimalizować ryzyko. Trudno jest bowiem rozpoczynać kosztowne działania bez pełnego, potwierdzonego wynikami przekonania o tym, że robi to we właściwy sposób. Inwestorzy, zwłaszcza ci nastawieni na stosowanie innowacji w oparciu o ideę Przemysłu i Logistyki 4.0, za konieczne uznają zatem modelowanie i symulację procesów. Według danych z raportu przygotowanego przez Dassault oraz Accenture, potencjał technologii wirtualnych bliźniaków rośnie. Globalny rynek w 2020 r. osiągnął wartość ok. 5,4 mld USD, a prognozowany wzrost to 36% w ciągu kolejnych pięciu lat. Zdaniem analityków Mc Kinseya wartość europejskiego rynku rozwiązań digital twin wyniesie do 2025 r. ok. 7 mld euro. Popularność technologii wynika z udanych wdrożeń w różnych sektorach. Średni wzrost przychodów wyniósł 10%.
Te walory trzeba doceniać
Co do tego, że cyfrowa replika fizycznych produktów, usług i systemów może mieć praktyczne znaczenie dla przedsiębiorstwa, nie ma wątpliwości Paweł Kaleta, Junior Software Engineer, DSR. – Pozwala na: symulację oraz optymalizację procesów produkcyjnych i logistycznych, co może prowadzić do zwiększenia efektywności i redukcji kosztów; analizę i prognozowanie działania produktu czy systemu w różnych warunkach, co pozwala na uwzględnienie i usunięcie potencjalnych problemów, zanim zostaną one zauważone w świecie rzeczywistym – mówi P. Kaleta, dodając, że udostępnianie cyfrowego bliźniaka jest narzędziem do komunikacji i koordynacji z partnerami biznesowymi, dostawcami oraz klientami, a na bazie analizy danych pochodzących z cyfrowego bliźniaka można wprowadzać innowacje i usprawnienia.
Krzysztof Orlicz, Członek Zarządu, eq system, jest przekonany, że cyfrowa replika to jedno z rozwiązań umożliwiających gruntowną zmianę metodyki zarządzania danym obszarem, podobnie jak to ma miejsce np. w przypadku IoT (Internet Rzeczy). Utworzenie modelu danego obiektu czy procesu w przestrzeni cyfrowej daje możliwość przeprowadzenia badań i zebrania takiej ilości danych, na które w normalnych warunkach nie byłoby szans. – Eksplorując takie repliki, możemy testować hipotezy i realizować działania pozwalające z jednej strony na osiąganie nowych poziomów wydajności, a z drugiej na szukanie i eliminowanie błędów na długo przed ich wykryciem w rzeczywistości produkcyjnej. Dodatkowo wszystkie nowe procesy B+R mogą być prowadzone w zdecydowanie bardziej efektywny sposób – tłumaczy K. Orlicz, dodając, że rozwiązania oparte na cyfrowej replice pozwalają na wprowadzenie zupełnie nowych praktyk, które nie były możliwe wcześniej i to bezpośrednio na produkcji. Firma produkcyjna może połączyć mechanizmy predykcji awarii maszyn oparte na AI z cyfrową repliką parametrów fizycznych maszyny, produktu i procesu oraz np. analizować która kombinacja parametrów prowadzi do spadku jakości procesu i co jest tego przyczyną.
Podobną opinię prezentuje Marek Wiązowski, Specjalista ds. Content Marketingu, Quantum Qguar. Jego zdaniem technologia cyfrowych bliźniaków znacząco ułatwia i przyśpiesza etap prototypowania, pozwala także skutecznie stosować ideę ciągłego doskonalenia procesu produkcji. – Stosując cyfrowe bliźniaki, można też usprawnić badania i rozwój, ich wykorzystanie umożliwia bardziej efektywne projektowanie produktów oraz analizę proponowanych innowacji. Technologia pozwala projektantom na wypróbowanie i porównanie większej liczby konfiguracji, niż byłoby to możliwe w przypadku modeli fizycznych – mówi M. Wiązowski, zwracając też uwagę na cykl życia produktów. Prace nad produktem nie kończą się w momencie wysłania go do dystrybucji, producenci starają się mieć możliwość otrzymywania informacji zwrotnych, służących ciągłej ewaluacji danego artykułu. Cyfrowe bliźniaki mogą pomóc producentom zdecydować, kiedy cykl życia produktu powinien dobiec końca, pomagają też podjąć decyzję, które produkty poddać recyklingowi, a które zutylizować. – Po wprowadzeniu nowego artykułu cyfrowe bliźniaki mogą pomóc w odzwierciedleniu procesu jego produkcji. Taki cyfrowy model pomaga przewidzieć skutki zmian w organizacji tego procesu. Cyfrowy bliźniak na podstawie aktualnych danych z maszyn oraz scenariuszy serwisowych jest także w stanie ocenić możliwość powstania awarii – uzupełnia M. Wiązowski.
To dla nich jest kluczowe
W dość powszechnej opinii idea digital twin sprawdza się głownie w przemyśle samochodowym. Tymczasem, co potwierdza P. Kaleta (DSR), równie dobre efekty przynosi np. w sektorach lotniczym czy energetycznym – wszędzie po to, aby usprawnić procesy produkcji. – W inżynierii produktów służy do testowania i symulowania produktów przed ich fizyczną produkcją, co pozwala na oszczędność czasu i kosztów. Pomaga zarządzać urządzeniami, aby zapewnić bezproblemowe działanie i zapobiegać awariom. W budownictwie usprawnia procesy projektowania i budowy, a także służy do monitorowania i zarządzania budynkami w czasie ich użytkowania – dodaje P. Kaleta, zaznaczając przy tym, że jak każde rozwiązanie IT, także i cyfrowy bliźniak ma pewne ograniczenia. Wymaga relatywnie dużych nakładów na oprogramowanie i sprzęt (moc obliczeniową) oraz odpowiedniej wiedzy i doświadczenia w zakresie implementacji i użytkowania. Część firm może mieć też obawy związane z bezpieczeństwem danych i prywatnością, co może być barierą w adaptacji tej technologii.
Patrycja Bajorska, Competency Head dla C/C++/Embedded i Automotive, GlobalLogic, podkreśla, że dowodów na to, ile zmienia digital twin, dostarczają przykłady jego zastosowania w sektorach, gdzie zaawansowane rozwiązania i rewolucyjne projekty są testowane z reguły najszybciej. Jednym z nich jest branża automotive, gdzie wdrażane są rozwiązania z obszaru tzw. Model-Based Design. – Nowoczesne samochody wyposażone są w szereg cyfrowych rozwiązań zarządzających nie tylko podstawowymi funkcjonalnościami pojazdu, jak akcelerator czy praca baterii, ale także wspomagających kierowcę w podejmowaniu decyzji. Systemy ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) opierają się na danych dostarczanych w każdej sekundzie przez szereg Lidarów, kamer, radarów, czujników i sensorów, w jakie wyposażony jest samochód. Tworzą one aktywny system bezpieczeństwa, który staje się na tyle inteligentny, że często przerzuca ciężar decyzji z kierowcy na komputer pokładowy, np. ostrzegając o kolizji czy automatycznie hamując pojazd w reakcji na dostrzeżoną przeszkodę. Wpływają one także na komfort podróży, poprzez aktywny tempomat czy wspomaganie parkowania – tłumaczy Patrycja Bajorska, dodając, że pomimo ich dużego zaawansowania cyfrowego, na drodze do pełnej autonomiczności jazdy rozwiązania ADAS są nadal nisko w 5-stopniowej skali SEA. Komputer pokładowy w pełni autonomicznego pojazdu musi być w stanie samodzielnie zamodelować to, co dzieje się w jego systemach wewnętrznych, jak i reagować na informacje płynące z otoczenia. Dlatego coraz częściej w automotive wykorzystuje się modelowanie i symulacje z wykorzystaniem zaawansowanych funkcji i algorytmów matematycznych, które pozwala skutecznie i efektywnie przetestować proces decyzyjny systemów pokładowych i ich możliwe reakcje. – Obserwowany przez GlobalLogic wzrost popytu na ekspertów z obszaru Matlab/Simulink pozwala przewidywać, że cyfrowe symulacje będą coraz częściej wykorzystywane przez producentów samochodów jako proces umożliwiający szybsze wdrożenie autonomicznych rozwiązań do produkcji – dodaje nasza rozmówczyni.
O tym, że z punktu widzenia organizacji cyfrowa replika może być obecnie zastosowana w niemal każdym obszarze, głównie dlatego, że istnieją już rozwiązania dotykające różnych obszarów działalności firmy (zarówno na poziomie repliki pojedynczych maszyn, jak i całych systemów), przekonuje też K. Orlicz (eq system). Wylicza on gotowe rozwiązania, które mogą być wdrożone do operacyjnego zarządzania zasobami produkcyjnymi w firmie czy też do zarządzania całymi fabrykami, gdzie – w ramach cyfrowej repliki – odzwierciedlone są złożone systemy i ich wzajemne relacje. – Rozwiązania takie stają się coraz bardziej kompleksowe i pozwalają na objęcie coraz szerszego zakresu biznesu. Dodatkowo jest to jeden z najintensywniej rozwijanych obszarów cyfrowego wsparcia zarządzania i cały czas pojawiają się coraz to nowe rozwiązania. Przykładem tego jest m.in. projekt, który prowadzę w eq system. W ramach niego na bazie założeń wykorzystania koncepcji cyfrowej repliki realizujemy usprawnienia procesu zarządzania operatorami produkcyjnymi. Budując uzasadnienie biznesowe dla projektu, przeanalizowaliśmy olbrzymią ilość różnego rodzaju rozwiązań występujących na rynku i, choć nie zidentyfikowaliśmy bezpośredniej konkurencji, to ilość domen wiedzy, gdzie znaleźliśmy rozwiązania z obszaru cyfrowej repliki, jest olbrzymia – zaznacza K. Orlicz.
Ireneusz Borowski, Country Manager na Polskę, Dassault Systèmes, przywołuje rozwiązania Dassault Systèmes pozwalające ożywić software’owe modele, przenoszące koncept wirtualnego bliźniaka na wyższy poziom, oferując wirtualne doświadczenia bliźniacze. – W przeciwieństwie do prototypu cyfrowego bliźniaka, który skupia się na jednym konkretnym obiekcie, doświadczenia wirtualnego bliźniaka pozwalają wizualizować, modelować i symulować złożone środowisko doświadczalne. Ułatwiają wprowadzanie innowacji biznesowych w całym cyklu życia produktu. Wirtualne doświadczenie bliźniacze rozpoczyna się od zaprojektowania modelu 3D, który reprezentuje kształt, wymiary i właściwości fizycznego produktu lub systemu. Na tym wirtualnym modelu przeprowadzane są symulacje w celu zbadania, jak produkt będzie się zachowywał po zmontowaniu, w trakcie użytkowania lub kiedy zostanie poddany działaniu różnych czynników – tłumaczy I. Borowski, przypominając, że liczba testów jest ograniczona jedynie wyobraźnią projektantów. Testy pomagają zoptymalizować i zatwierdzić projekt, materiały oraz procesy produkcyjne, a ponieważ wszystko odbywa się w środowisku wirtualnym, cały cykl życia produktu jest bardziej zrównoważony.
Szefowie mają dylematy
Dostawcy rozwiązań zgodnie informują, że zainteresowanie polskich firm produkcyjnych w zastosowaniu technologii digital twin jest coraz większe, choć nie jest jeszcze tak powszechne, jak w niektórych krajach zachodnich. – Wiele polskich firm dostrzega korzyści płynące z wykorzystania cyfrowego bliźniaka, takie jak poprawa jakości, efektywności i bezpieczeństwa produkcji oraz zmniejszenie kosztów. W miarę jak rosną potrzeby i oczekiwania rynku, coraz więcej firm będzie szukać możliwości wykorzystania tej technologii – dodaje P. Kaleta (DSR).
K. Orlicz zaznacza, że polskie firmy są na bardzo różnym poziomie rozwoju, co przekłada się z kolei na ich różny stopień gotowości do wdrożenia takich rozwiązań. Za jedno z głównych wymagań związanych z udaną realizacją cyfrowego bliźniaka w firmach produkcyjnych nasz rozmówca uważa świadomość czy gotowość firmy do wejścia na wyższy poziom cyfryzacji danego procesu. Z jednej strony wymaga to szerokiego spektrum danych, które są – albo mogą być, w prosty sposób pozyskane, a z drugiej dużej gotowości do zintegrowania rozwiązania opartego na zaawansowanej technologii do procesów operacyjnych. – Obie przeszkody stanowią fundamentalne ograniczenie zarówno realizacji, jak i realnego zainteresowania takimi rozwiązaniami. Odcinając zamieszanie, które jest wygenerowane przez wszechobecne buzz-wordy, w kolejnym kroku zderzamy się z ograniczeniami w danych czy też samej strukturze organizacyjnej przedsiębiorstw, która uniemożliwia transformację określonego procesu czy metodyki zarządzania. Jak zwykle, podobnie jak w przypadku każdego procesu transformacji cyfrowej, głównym i zazwyczaj jedynym elementem ograniczającym jest sama kultura organizacyjna, a co za tym idzie, ludzie stanowiący jej podstawę – wylicza K. Orlicz, potwierdzając, że rosnące zainteresowanie zastosowaniem tej technologii należy nałożyć na zmianę kultury organizacyjnej poszczególnych przedsiębiorstw, która realizuje się wolniej od zmian technologicznych.
To da się policzyć
P. Kaleta (DSR) przypomina, że wdrożenie cyfrowego bliźniaka w przedsiębiorstwie może przynieść wiele korzyści, w tym: monitorowanie i analizowanie danych z różnych procesów, co umożliwia lepsze zarządzanie nimi i eliminację problemów; pomoc w identyfikacji i eliminacji potencjalnych problemów jakościowych w produktach, co przekłada się na poprawę ich niezawodności; monitorowanie i optymalizację procesów produkcyjnych, co może prowadzić do zwiększenia ich efektywności; monitorowanie i analizowanie stanu urządzeń, co pozwala na szybsze i bardziej efektywne rozwiązywanie problemów z niezawodnością. – Aby wyznaczyć opłacalność wdrożenia cyfrowego bliźniaka, należy uwzględnić koszty związane z jego opracowaniem, wdrożeniem i utrzymaniem, a także korzyści, jakie może on przynieść, takie jak oszczędności, zwiększenie efektywności i jakości produktów. Należy również rozważyć, w jakim stopniu wdrożenie cyfrowego bliźniaka wpisuje się w ogólną strategię przedsiębiorstwa i jakie są jego priorytety biznesowe – dodaje P. Kaleta.
Mateusz Amroziński, Key Account Manager, FANUC Polska, wśród kluczowych, policzalnych korzyści wymienia poprawę jakości (cyfrowy bliźniak pozwala na testowanie i optymalizacje systemu, zanim zostanie on wdrożony w środowisku produkcyjnym), zwiększenie efektywności (analiza i optymalizacja procesów produkcyjnych), oszczędność czasu i pieniędzy (szybsze i bardziej efektywne testowanie i optymalizacje systemu, co oznacza niższe koszty i oszczędność czasu). Wśród kolejnych walorów M. Amroziński wymienia: poprawę bezpieczeństwa (cyfrowy bliźniak pozwala na symulację i testowanie różnych scenariuszy awaryjnych, co pozwala na identyfikację potencjalnych zagrożeń i zapewnienie większego bezpieczeństwa systemu), jak również wsparcie decyzji biznesowych (zbieranie i analizowanie danych dotyczących systemu, co pozwala na przeprowadzanie analiz, formułowanie wniosków oraz podejmowanie świadomych decyzji biznesowych).
Oni już z nich korzystają
Firma DSR w ramach jednego z projektów rozwojowych wdrożyła u kilku klientów z branży metalurgicznej system AI 4FACTORY, który za pomocą cyfrowych bliźniaków jak i zebranych danych historycznych zarówno z maszyn produkcyjnych jak i systemów zarządzania automatycznie sugeruje najlepsze ustawienia i parametry w celu uzyskania najlepszego wskaźnika OEE. Zasilony danymi system na bieżąco – dzięki nauczaniu maszynowemu – generuje rekomendacje dotyczące procesu produkcyjnego, zarówno na poziomie pracy maszyn, wykorzystywanych półproduktów, jak i parametrów, których dane są zbierane w systemie. – W ramach systemu monitorowane są też parametry maszyn (wibracje, pobór prądu itp.) sugerujące możliwość wystąpienia awarii wraz z prawdopodobnym czasem jej wystąpienia – informuje P. Kaleta.
W ramach projektu „Opracowanie oprogramowania do inteligentnego planowania i dystrybucji zadań operatorów produkcyjnych wspomaganego przez sztuczną inteligencję w modelu cyfrowej repliki (digital twin)” finansowanego ze środków Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014–2020 eq system obecnie realizuje projekt oparty na zastosowaniu cyfrowego bliźniaka odnoszącego się do operatora produkcyjnego. – Naszym celem jest zbudowanie rozwiązania wspierającego zarządzanie operatorami produkcyjnymi poprzez budowanie cyfrowych odpowiedników dla różnych elementów zarządczych, głównie skupiając się na obszarach, w których można zbierać dane w procesach realizowanych w firmach produkcyjnych. Z naszego punktu widzenia decyzje podejmowane w kontekście operatora produkcyjnego są zbliżone do zarządzania złożonymi systemami, których nie można zmapować wprost. Nasze rozwiązanie będzie wspierać decyzje operacyjne, obecnie przetworzenie informacji jest realizowane przez osoby zarządzające i często nie odnosi się do bieżących danych. Całość rozwiązania zaproponuje nową metodykę zarządzania operatorami produkcyjnymi, w której ciężar przetwarzania danych będzie przeniesiony na cyfrowego bliźniaka, a osoba podejmująca decyzje będzie pracowała już na wynikach różnych obliczeń i nie będzie musiała zbierać danych podstawowych, a głównie skupi się na poszukiwaniu usprawnień i redukcji ograniczeń – wyjaśnia K. Orlicz (eq system).
I. Borowski (Dassault Systèmes) jako ciekawy przykład przywołuje wdrożenie platformy 3DEXPERIENCE przez firmę PESA. Projekt składa się z wielu etapów, jednym z nich jest wprowadzenie koncepcji wirtualnych bliźniaków w obszarze konstrukcyjnym i technologicznym. – Celem jest m.in. to, aby produkty firmy w jak największym stopniu odpowiadały wymaganiom zamawiających, którzy swoje potrzeby definiują na podstawie oczekiwań użytkowników, uwarunkowań infrastruktury i wielu innych parametrów. Dla firmy PESA element innowacyjności jest niezwykle ważny – konkluduje I. Borowski.
Michał Jurczak
Ten i inne artykuły znajdziecie w czasopiśmie Kaizen – dostępnym w naszym sklepie
