Digital twin – دوقلوی دیجیتال چیست؟ کاربردها، مزایا و نحوه طراحی آن

دوقلوی دیجیتال یا همزاد دیجیتال چیست؟

حتماً در دنیای واقعی دوقلوهای بسیاری را دیده اید. چه در طبیعت و چه در بین انسانهای اطرافتان؛ اما دوقلوی دیجیتال یا digital twin چیست؟ دوقلوی دیجیتال (Digital Twin) نمایشی دیجیتال از یک شیء فیزیکی، فرآیند یا سرویس است. یک دوقلوی دیجیتالی می‌تواند ماکتی دیجیتال از یک شیء همچون موتور جت یا مزارع توربین بادی یا حتی موارد بزرگتری همچون ساختمان‌ها یا تمامی شهرها، در جهان فیزیکی باشد.

قبل از هر چیز این ویدئو را ببینید تا به ماهیت دوقلوی دیجیتال بهتر پی ببرید:

مشابه دارایی‌های فیزیکی، تکنولوژی دوقلوی دیجیتال می‌تواند برای ایجاد یک کپی همانند از فرآیندها و به منظور جمع‌آوری داده برای پیش‌بینی چگونگی عملکرد آن‌ها استفاده شود.

یک دوقلوی دیجیتال، در اصل یک برنامه کامپیوتری است که از داده‌های جهانِ واقعی استفاده کرده تا یک مدل شبیه‌سازی را ایجاد کند. این مدل پیش‌بینی می‌کند که چگونه یک محصول یا فرآیند عمل خواهد کرد. این برنامه‌ها می‌توانند اینترنت اشیا (انقلاب صنعتی چهارم)، هوش مصنوعی و تحلیل‌های نرم‌افزاری را ادغام کرده تا خروجی را بهبود دهند.

مدیر مرکز تجاری اینترنت اشیا IBM در مورد این تکنولوژی برای شما شرح می‌دهد:

با پیشرفت یادگیری ماشین و عواملی همچون کلان داده، این مدل‌های مجازی تبدیل به بخش اصلی در مهندسی مدرن برای ایجاد نوآوری و بهبود عملکردها شده‌اند.

به طور خلاصه، یک دوقلوی دیجیتالی امکان بهبود روندهای تکنولوژی راهبردی را فراهم می‌آورد و همچنین با استفاده از تحلیل‌های پیشرفته، نظارت و استفاده از ظرفیت‌های پیش‌بینی، فرآیندهای آزمایشی و سرویس‌ها، از خرابی‌های پرهزینه در اشیاء فیزیکی جلوگیری به عمل می‌آورد.

تکنولوژی دوقلوی دیجیتال چگونه کار می‌کند؟

طراحی دوقلوی دیجیتال با کار متخصصان در زمینه ریاضیات کاربردی یا علم داده، با تحقیق در فیزیک و داده‌های عملیاتی شی فیزیکی یا سیستم به منظور توسعه یک مدل ریاضیاتی که مدل اصلی را شبیه‌سازی می‌کند، آغاز می‌شود.

توسعه‌دهندگانی که دوقلوهای دیجیتالی را ایجاد می‌کنند، مطمئن می‌شوند که مدل مجازی کامپیوتری بتواند فیدبکی را از حسگرها دریافت کند که در عمل مشابه داده‌هایی باشد که از نسخه‌های جهان واقعی جمع‌آوری می‌شود. این به نسخه دیجیتالی اجازه می‌دهد تا از جهان حقیقی تقلید کند و آن چیزی را که در نسخه اصلی در زمان حقیقی رخ می‌دهد شبیه‌سازی کند. اینکار باعث می‌شود تا فرصت‌هایی خلق شود که از عملکرد سیستم اطمینان حاصل شده و با پیش بینی هرگونه مشکلات بالقوه، بینش‌هایی مناسب در خصوص روند اجرا بدست آورده شود.

یک دوقلوی دیجیتال می‌تواند به هر شکلی که شما نیاز دارید به صورتی پیچیده یا ساده تعریف شود؛ همچنین می‌تواند به شکلی عمل کند که با مقادیر متفاوت داده نشان دهد که چقدر مدل آن می تواند به دقت نسخه فیزیکی جهان واقعی را شبیه سازی کند.

دوقلوی دیجیتال می‌تواند به همراه یک نسخه اولیه برای ارائه فیدبکی از محصول، همچنان که توسعه می‌یابد، استفاده شود؛ یا حتی می‌تواند به عنوان یک نسخه اولیه عمل کند که بر اساس توانایی مدل کردن آنچه می‌تواند در هنگام ساخت یک نسخه فیزیکی اتفاق بیفتد، استوار است.

Digital Twin کدام چالش‌ها را حل کرده است؟

تکنولوژی جفت دیجیتال می‌تواند در کاربردهای گسترده‌ای از صنایع تولیدی گرفته تا خودروسازی، مراقبت‌های بهداشتی و نیروگاهها، استفاده شود؛ به همین دلیل هم اکنون می‌تواند به عنوان راهکاری مناسب برای حل چالشهای متنوع به کار رود. این چالش‌ها شامل تست خستگی و مقاومت در برابر خوردگی برای توربین‌های بادی دور از ساحل و یا در حوزه خودرو، بهبود کارایی در ماشین‌های مسابقه‌ای است. از دیگر کاربردهای آن می‌توان به مدلسازی بیمارستان‌ها برای تعیین فرآیندهای کاری و وظایف کارکنان برای بهینه سازی عملکردها اشاره کرد.

یک دوقلوی دیجیتال به کاربران اجازه می‌دهد تا راهکارهایی را برای اضافه کردن طول عمر محصول، تولید، بهبود فرآیند، توسعه محصول و آزمایش نسخه اولیه بررسی کنند. در چنین مواردی یک Digital Twin می‌تواند به صورت مجازی مشکلات را نمایش داده تا به جای جهان واقعی، راه‌حلی در برنامه مجازی ابداع و آزمایش شود.

چه کسی دوقلوی دیجیتال را اختراع کرد؟

مفهوم دوقلوی دیجیتال اولین بار در کتاب «جهان‌های آیینه‌ای» توسط دیوید گلرتنر در سال 1991 ارائه شد و مایکل گریوز از موسسه فناوری فلوریدا قصد پیاده‌سازی این مفهوم را در صنعت تولید داشت.

در سال 2002 گریوز به دانشگاه میشیگان نقل مکان کرد؛ در همان زمان او رسماً مفهوم دوقلوی دیجیتال را در کنفرانس جامعه مهندسین تولید در تروی ایالت میشیگان معرفی کرد.

هرچند در عمل، این ناسا بود که به مفهوم Digital Twin بها داد و در یک گزارش نقشه راه در سال 2010، جان ویسکر از ناسا نام “دوقلوی دیجیتال” را بر روی این مفهوم گذاشت. از این ایده به منظور ایجاد شبیه‌سازی‌های دیجیتالی از کپسول‌های فضایی و ساختن آن‌ها برای آزمایش کردن در آن سال استفاده شد.

مفهوم همزاد دیجیتالی تا سال 2017، زمانی که گارتنر آن را به عنوان یکی از روندهای تکنولوژی راهبری نامگذاری کرد، گسترش بیشتری یافت. از آن زمان این مفهوم در هر ترکیب از کاربردها و فرآیندهای صنعتی در حال رشد بوده است.

انواع دوقلوی دیجیتال

دوقلوی دیجیتال می‌تواند به سه نوع گسترده تفکیک شود که زمان‌های مختلف برای استفاده در فرآیند را نشان می‌دهد:

• دوقلوی دیجیتال نسخه اولیه (DTP): تا پیش از ایجاد محصول فیزیکی کار را بر عهده می‌گیرد.
• دوقلوی دیجیتال کاربردی (DTI): این دوقلوی دیجیتالی زمانی که یک محصول تولید می‌شود به منظور اجرای آزمایش‌ها در سناریوهای مختلف استفاده می‌شود.
• دوقلوی دیجیتال تجمیعی (DTA): اطلاعات مدل قبلی (DTI) را جمع‌آوری می‌کند تا توانایی‌های یک محصول را تعیین کند، پیش‌نمایه‌ها را اجرا کند و متغیرهای عمل کننده را آزمایش کند.

این گستردگی و تنوع در مدلهای دوقلوی دیجیتال، می‌تواند طیف وسیعی از کاربردها شامل برنامه‌ریزی لجستیک، توسعه محصول و طراحی مجدد، کنترل/مدیریت کیفیت و برنامه‌ریزی سیستم‌ها را در اختیار متخصصین قرار دهد.

پس یک جفت دیجیتال می‌تواند در زمان و هزینه های کلیه فرآیندها صرفه‌جویی کند؛ خواه محصول یا فرآیند مورد نظر در فاز آزمایش باشد، یا در فاز طراحی، پیاده‌سازی، نظارت یا بهبود عملکرد باشد؛ در هر صورت تفاوتی ندارد، نقش و کاربرد Digital Twin در همه مراحل پررنگ است.

دوقلوی دیجیتال چگونه طراحی می شود؟

تاکنون متوجه شدید که دوقلوهای دیجیتال می‌توانند برای بازه گسترده‌ای از کاربردها، مثلاً برای آزمایش یک نسخه اولیه یا طراحی آن، ارزیابی چگونگی عملکرد یک محصول یا فرآیند در شرایط مختلف و تعیین و نظارت بر چرخه‌های طول عمر قطعات و سیستمها، ایجاد و به کار برده شوند. اما طراحی یک دوقلوی دیجیتالی به وسیله جمع‌آوری داده و ایجاد مدل‌های کامپیوتری به منظور آزمایش آن انجام می‌شود. فرآیند این طراحی شامل یک واسط بین مدل دیجیتالی و یک شیء فیزیکی حقیقی برای ارسال و دریافت فیدبک و داده به صورت بلادرنگ (Real-Time) است.

داده‌ ها

یک همزاد دیجیتال نیاز به داده‌هایی درباره یک شی یا فرآیند دارد تا بتواند یک مدل مجازیِ بیانگر رفتارها یا حالاتی از موارد جهان حقیقی را ایجاد کند. این داده‌ها شامل موارد زیر است:

• داده‌های مرتبط با چرخه عمر یک محصول که شامل ویژگی‌های طراحی، فرآیندهای تولید یا اطلاعات مهندسی است
• اطلاعات تولید از جمله اطلاعات تجهیزات، مواد استفاده شده، قطعات، روش‌ها و کنترل کیفیت در فرآیندها
• داده‌های مرتبط با کلیه عملیات، همچون فیدبک‌های Real-Time، تحلیل تاریخی و سوابق نگهداری و تعمیر
• اطلاعات کسب و کار و رویه‌های پایان کار

مدل‌ سازی

همین که داده‌ها جمع‌آوری شد، از آنها می‌توان برای ایجاد مدل‌های تحلیل کامپیوتری برای نشان دادن اثرگذاری عملکرد، پیش‌بینی حالت‌هایی از جمله خستگی و تعیین رفتارها استفاده کرد. این مدل‌ها می‌توانند فعل و انفعالاتی را بر اساس شبیه‌سازی‌های مهندسی، فیزیک، شیمی، آمار، یادگیری ماشین، هوش مصنوعی، منطق کسب و کار یا اشیا توصیه کنند. این مدل‌ها می‌توانند در ارائه‌های سه بعدی نمایش داده شوند و مدل‌های واقعی را کامل کنند تا به انسان برای درک یافته‌ها کمک کند.

اتصال

نتایج و اطلاعات حاصل شده از دوقلوی دیجیتال و شبیه‌سازی مدلهای آنها می‌توانند برای ایجاد یک نمای کلی با یکدیگر ترکیب شوند؛ به عنوان مثال می‌توان یافته‌های چندین دوقلوی دیجیتالی را در یک خط تولید دوقلو به کار برد که در گام بعدی می‌تواند به شکل یک Digital Twin در مقیاس کارخانه تبدیل شود. با استفاده از دوقلوهای دیجیتالی متصل به این شکل، فعال‌سازی کاربردهای صنعتی برای توسعه‌ عملیاتی در جهان واقعی و بهبود عملکرد آن‌ها امکان‌پذیر خواهد شد.

مزایا

مزایای دوقلوی دیجیتالی بسته به زمان و مکان مورد استفاده متفاوت است. برای مثال استفاده از دوقلوی دیجیتال برای نظارت بر محصولات موجود، همچون یک توربین بادی یا خط لوله نفت، می‌تواند حجم کاری تعمیر و نگهداری را کاهش داده و در هزینه‌های مرتبط بسیاری صرفه‌جویی کند. دیجیتال توئین به خوبی می‌تواند در فرآیندهای برنامه‌ریزی شده و در حال اجرا در نرم افزار نگهداری و تعمیرات یک سازمان نیز تاثیر بسیار مثبتی ایجاد کند.

Digital Twinها همچنین برای نمونه اولیه یا پیش تولید، کاهش عیوب تولید و کم کردن زمان عرضه به بازار می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. موارد دیگر مورد استفاده دوقلوی دیجیتال شامل بهبود فرآیندها است؛ خواه نظارت بر سطوح کارکنان در برابر خروجی باشد یا خواه هم تراز کردن یک زنجیره تولید با نیازهای تولید یا تعمیر و نگهداری باشد.

این تکنولوژی مزایای کلی دیگری نیز دارد که به شرح زیر است:

• افزایش قابلیت اطمینان و در دسترس بودن از طریق نظارت و شبیه‌سازی برای بهبود عملکرد
• کاهش خطر تصادفات و زمان خرابی برنامه‌ریزی نشده و هزینه‌های تعمیر و نگهداری، از طریق پیش‌بینی خرابی پیش از وقوع
• اطمینان حاصل کردن از اینکه اهداف تولید تحت تاثیر تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی شده و دستور تعویض قطعات قرار نگیرد
• فراهم آوردن امکان بهبود مداوم سیستم‌ها به وسیله تحلیل مدل‌های شخصی‌سازی شده
• اطمینان از کیفیت محصول از طریق انجام آزمایشها به صورت Real-Time

با این حال و با وجود تمام مزایای ذکر شده، دوقلوی دیجیتال به دلیل افزایش پیچیدگی، مناسب همه کاربردها نیست. به سادگی می‌توان گفت که مشکلات برخی کسب و کارها نیازی به این تکنولوژی ندارد و می‌توان بدون سرمایه‌گذاری مرتبط در زمان و هزینه و با راهکارهای بسیار ساده‌تر حل شوند.

مثال‌ ها

مثال‌های متنوعی از دوقلوهای دیجیتال را می‌توان در سراسر صنعت و حتی فراتر از آن در تولید، تعمیر و نگهداری و ممانعت از خرابی یا نظارت بر چرخه‌های طول عمر به کار برد.

برخی دیگر از نمونه‌هایی که می توان از این تکنولوژی به خوبی استفاده کرد به شرح زیر است:

1. در صنعت خودروسازی: حسگرهای تله‌متری فیدبکی از وسایل نقلیه به برنامه دوقلوی دیجیتالی فراهم می‌آورند؛
2. در کارخانه‌ها: شبیه سازی برای بهبود فرآیندها توسط دوقلوهای دیجیتالی انجام می شوند
3. در کاربردهای حوزه سلامت: حسگرها می‌توانند به یک دوقلوی دیجیتالی برای نظارت و پیش‌بینی سلامت یک بیمار اطلاع‌رسانی کنند.

Digital Twin چگونه بر صنعت تاثیر گذاشته است؟

دوقلوی دیجیتال به وسیله ادغام تکنولوژی‌هایی همچون هوش مصنوعی (AI)، یادگیری ماشین (ML) و تحلیل نرم‌افزاری با داده، یک مدل شبیه‌سازی را خلق می‌کند که می‌تواند به همراهِ [یا به جای] یک همتای فیزیکی به روزرسانی شود. این موضوع به شرکت‌ها اجازه می‌دهد تا یک چرخه توسعه تماماً کامپیوتری، از طراحی تا پیاده‌سازی و حتی از رده خارج کردن را ارزیابی کنند.

با تقلید کردن از نمونه‌های فیزیکی (واقعی) و چارچوب‌ها و عملیات‌های تولید مداومِ داده، یک دوقلوی دیجیتالی این امکان را برای صنعت فراهم می‌آورد تا

• زمان خرابی را پیش‌بینی کند،
• به شرایط در حال تغییر واکنش نشان دهد،
• بهبودهای طراحی را مورد آزمایش قرار دهد
• و بسیاری از مزایای دیگر…

دوقلوی دیجیتال کلید توسعه انقلاب صنعتی چهارم (Industry 4.0) برای تسهیل اتوماسیون صنعتی، تبادل داده و فرآیندهای تولیدِ متصل به هم و همچنین از بین بردن خطر از رده خارج شدن محصول است. کارکنان صنعت می‌توانند بر عملیات‌ها به صورت Real-Time نظارت کنند، از قبل هشدارهای خرابی‌های احتمالی را ارائه دهند و امکان بهینه‌سازی و ارزیابی عملکرد Real-Time و بلادرنگ سیستم را به همراه حفظ میزان کارایی فراهم آورند.

کاربردهای دوقلوی دیجیتال Digital Twin

دوقلوهای دیجیتال در طیف گسترده‌ای از صنایع، کاربردها و اهداف استفاده می‌شوند. برخی از مثال‌های قابل توجه شامل موارد زیر می‌شود:

• تولید: دوقلوهای دیجیتال می‌توانند تولید را پربارتر و ساده‌تر کنند و در عین حال زمان‌ فرآیندهای عملیاتی را کاهش می‌دهند.
• خودروسازی: یک مثال از اینکه جفتهای دیجیتالی در کجا استفاده می‌شوند، صنعت خودروسازی است که داده‌های عملیاتی از یک وسیله نقلیه به منظور ارزیابی شرایطش به شکل بلادرنگ و اطلاع رسانی به منظور بهبود محصول را جمع‌آوری و تحلیل می‌کند.
• خرده‌فروشی: خارج از تولید و صنعت، زوج دیجیتالی در بخش خرده‌فروشی برای مدل‌سازی و تکمیل تجربه مشتری، و در سطح یک مرکز خرید یا فروشگاه‌های شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• سلامت و پزشکی: بخش پزشکی از همزاد دیجیتال (Digital Twin) در حوزه‌هایی همچون اهدای عضو، آموزش جراحی و از بین بردن خطر فرآیندهای درمانی سود برده است. این تکنولوژی همچنین توانسته جریان ورود و خروج افراد از بیمارستان‌ها و ردیابی عفونت‌هایی که ممکن است وجود داشته باشند و اینکه چه کسی ممکن است در خطر تماس باشد، را مدل‌سازی کرده است.
• مدیریت بحران: تغییرات آب و هوایی جهانی در سال‌های اخیر در سراسر جهان اثرگذار بوده است، با این حال دوقلوی دیجیتال می‌تواند به وسیله ایجاد زیرساخت‌های هوشمندتر، برنامه‌های پاسخ ضروری و نظارت بر تغییرات آب و هوایی به مبارزه با این تغییرات کمک کند.
• شهرهای هوشمند: دوقلوهای دیجیتال همچنین می‌توانند در کمک به شهرها برای پایداری اقتصادی، محیطی و اجتماعی مورد استفاده قرار گیرند. مدل‌های مجازی می‌توانند به اتخاذ تصمیمات برنامه‌ریزی شده کمک کنند و راه‌حل‌هایی برای چالش‌های پیچیده‌ای که پیش روی شهرهای مدرن هستند ارائه کنند. برای مثال پاسخ‌های بلادرنگ به مشکلات می‌تواند به وسیله اطلاعات Real-Time از دوقلوهای دیجیتالی به تکامل برسد تا امکان ارزیابی مکان‌هایی همچون بیمارستان‌ها در شرایط بحرانی فراهم شود.