دوقلوی دیجیتال یا DIGITAL TWIN، ترکیب هوشمندانه تکنولوژی های مدرن

دوقلوی دیجیتال یا همزاد مفهوم گسترده و جذابی است. تصور کنید هر کس یک قل دارد که با ارائه راهکار و تصحیح ایرادات عملکردی می تواند رفتار او را بهبود ببخشد. مثلا با داده هایی که از غذا خوردن ما دریافت می کند بروز بیماری ها را اعلام کند یا جلوی عصبانی شدنمان را بگیرد.

پیش بینی کند تصمیمات اشتباهمان چه پیامد هایی خواهد داشت و به کمک حافظه آن هیچ چیزی را فراموش نکنیم. این تصور جذاب در حال حاضر با مفهوم دوقلوی دیجیتال قابل دسترس است. این فناوری نوین نه تنها در زمینه سلامت بلکه در تمام شاخه های صنعتی به سرعت در حال رشد است.

مهم ترین کاربرد فناوری دوقلوی دیجیتال، ارتقای روندهای برنامه ریزی و استراتژیک بدون هزینه های سنگین است. با استفاده از این فناوری خرابی قطعات و هزینه های گزاف تعمیر و نگهداری کاهش می یابد. همچنین با استفاده از قابلیت های پیشرفته تحلیلی – نظارتی امکان بررسی و پیش بینی فرآیندها، محصولات و خدمات آزمایشی فراهم است.

به طور مثال به کمک این فناوری، شهر ها هم می توانند دوقلوی دیجیتال خود را داشته باشند. طرح های توسعه ی اقتصادی یا محیط زیستی بهتر برنامه ریزی شده و قابل بررسی و پیش بینی می شوند. در صنعت، دیجیتال توین این امکان را به ما می دهد که مدت زمان تولید محصول و هزینه های تعمیر و نگهداری  را به شدت کاهش دهیم و اطمینان از کیفیت محصول تولید شده را بالا ببریم.

در این مقاله،  فناوری DIGITAL TWIN  یا دوقلوی دیجیتال که همزاد مجازی هم ترجمه می شود را بررسی کرده و به کاربرد آن در اتوماسیون صنعتی می پردازیم. سپس نرم افزار NX زیمنس به عنوان یک شبیه ساز قدرتمند در این حوزه را معرفی می کنیم.

دوقلوی دیجیتال چیست؟

دوقلوی دیجیتال نمایش مجازی از یک جسم، فرآیند، سرویس یا محیط است که در دنیای واقعی در حال کار است. به عبارت دیگر فناوری ساخت ماکت مجازی از یک جز، سیستم یا یک فرآیند است با این امکان که در هرلحظه اطلاعات این ماکت به روز می شود.

در حقیقت، همزاد دیجیتال یک برنامه کامپیوتری است که از داده های دنیای واقعی در شبیه سازی آن استفاده شده است. توسط این برنامه می توان عملکرد یک محصول یا فرآیند را پیش بینی کرد. این شبیه سازی بر اساس داده های فعلی و تاریخچه داده ها صورت می­پذیرد.

بر این اساس دیجیتال توین به طور کلی به سه روش مدل سازی می شود :

• مدل پیش الگوی دوقلوی دیجیتال  (Digital Twin Prototype) DTPقبل از تولید فیزیکی یک محصول آن را به صورت مجازی داشته باشیم.
• نمونه همزاد دیجیتال Digital Twin Instance) DTI): این نمونه پس از تولید روی یک محصول به منظور اجرای آزمایش‌ها‎ با سناریوهای مختلف استفاده می شود.
• مجموعه همزاد دیجیتال DTA: (digital twin aggregate)هدف از ساخت این مدل، جمع آوری اطلاعات برای تعیین قابلیت‌های یک محصول، اجرای پیش آگهی‌ها و آزمایش پارامترهای عملیاتی است.

توسعه فناوری دوقلوی دیجیتال

دوقلوی دیجیتال اولین بار در سال 2002 توسط دکتر مایکل گریوز مورد استفاده قرار گرفت. دکتر گریوز در بخش تولید این فناوری را به کار برد . با این حال، اغلب ریشه های آن را به قبل تر از این مرتبط می­دانند.  به عنوان مثال، در طول سال های 1955تا 1975، ناسا یک نمونه کپی از هر فضاپیمایی که به مدار می فرستاد، ایجاد می کرد.

این نمونه های کپی‌ به منظور انجام برخی مطالعات مورد استفاده قرار می­گرفت. شبیه سازی عملکرد فضاپیما به کمک این کپی ها، منجر به بهبود عملکرد فضاپیما و اکتشافات جدید شد.

همزاد دیجیتال تلفیقی از اینترنت اشیا (Industry 4.0)، هوش مصنوعی و داده کاوی یا علم داده است. سنسورهای مبتنی بر اینترنت اشیا (IOT) داده­های واقعی مورد نیاز برای ایجاد نمایش مجازی در قلمرو دیجیتال را گردآوری می کنند.

از سوی دیگر هوش مصنوعی و تکنیک های داده کاوی به منظور پیش بینی عملکرد سیستم براساس داده های محیطی مورد استفاده قرار می گیرد. با پیشرفت یادگیری ماشین و مفاهیم BIG DATA، این مدل های مجازی به یک عنصر اصلی در مهندسی مدرن برای هدایت نوآوری و بهبود عملکرد تبدیل شده اند.

دوقلوی دیجیتال توسط متخصصان ریاضیات کاربردی یا علوم داده متولد می شود. این متخصصین در مورد فیزیک و داده های عملیاتی یک جسم یا سیستم فیزیکی تحقیق می کنند تا یک مدل ریاضی شبیه ساز نزدیک به واقعیت را توسعه دهند. مدل شبیه سازی قادر است داده ها را از حسگرها ی دنیای واقعی دریافت کند و رفتار سیستم را پیش بینی کند.

چشم انداز دیجیتال توین

اینکه دوقلوی دیجیتال مفهومی برای آینده است و در حال حاضر به اندازه کافی آماده به کارگیری نیست، تصوری رایج و البته غلط است. در حال حاضر در صنایع مختلفی از این همزادها استفاده می شود.  به عنوان مثال در فعالیت های تولیدی از آنها برای بهبود تولید و بالا بردن راندمان فرآیندها استفاده می شود. اغلب مهندسین از آنها برای بهبود پروژه های مکانیکی پیچیده در هوانوردی، صنعت خودرو و فضانوردی استفاده می کنند .

به گفته برخی تحلیلگران، بازار دوقلوی دیجیتال از 6.9 میلیارد دلار در سال 2022 به 73.5 میلیارد دلار تا سال 2027 خواهد رسید. در این شرایط، یقینا اتوماسیون صنعتی در برابر استفاده سریع و گسترده از دوقلوهای دیجیتال مصون نخواهد بود. این فناوری چالش‌هایی را حل می‌کند و مزایای بزرگی دارد که نمی توان به راحتی آن را نادیده گرفت.

دوقلوی دیجیتال در اتوماسیون صنعتی

در اتوماسیون صنعتی، همه فرآیند ها توسط ربات ها انجام می شود. دوقلوی دیجیتال سیستم اتوماسیون، یک کپی نرم افزاری از فرآیند خودکار، در جایی خارج از پلتفرم RPA است. منظور از پلتفرم RPA محل استقرار، توسعه و هماهنگی تجهیزات اتوماسیون و ربات ها است. دوقلوی دیجیتالی یک سیستم اتوماتیک همزمان با خود سیستم کامل می شود. هر تغییری در پلتفرم RPA اعمال شود، به صورت واقعی و  real-time یا حداقل در زمان نزدیک به واقعیت در دوقلوی دیجیتال منعکس می‌شود.

بدین ترتیب شاخص های عملیاتی (مانند تعداد اجرا، آخرین مرحله اجرا، تعداد مشکلات و خطاها و میزان موفقیت) به راحتی قابل اندازه گیری است. این اطلاعات  در جایی که دوقلو در آن ایجاد شده نمایش داده می‌شوند. با نظارت مستمر بر شاخص های عملکردی و عملیاتی نه تنها از وقوع خطا و ایجاد مشکل در سیستم جلوگیری می شود، بلکه می توان فرآیندها و عملکرد آن ها را به صورت مستمر بهبود داد.

مزایای استفاده از دوقلوی دیجیتال

اگرچه ایجاد اتوماسیون مزایای قابل توجهی را برای سازمان هایی که آن را پذیرفته اند به ارمغان آورده است؛ اما همچنان موانع و مشکلاتی در این زمینه وجود دارند که آزار دهنده هستند .دو مورد از این مشکلات عبارتند از:

• چالش تعمیر و نگهداری سیستم: قابل پیش بینی نبودن تعمیرات از یک سو و هزینه های گاها سنگین تعمیر و نگهداری منجر به کاهش ROI یا نرخ بازگشت سرمایه می شود.
• غیر قابل پیش بینی بودن محصولات و فرآیند ها: قابل پیش بینی نبودن کیفیت محصول نهایی تولید شده و جزییات فرآیند ها در اتوماسیون، مانع ایجاد یک دید دقیق در مورد هزینه های سیستم می شود.

یکی از دلایلی که باعث شده مفهوم دوقلوی دیجیتال در فضای اتوماسیون طنین انداز شود، توانایی آن برای کمک به غلبه بر این چالش ها است. ایجاد همزاد دیجیتال یک سیستم اتوماسیون به روش های زیر این چالش ها را برطرف می کند:

تکمیل مستندات طراحی اتوماسیون

متأسفانه، در شرایط معمول اسناد طراحی فرآیند (PDD) که در آن اتوماسیون ها طراحی و به توسعه دهندگان تحویل داده می شوند، بروزرسانی نشده و اغلب از بین می روند. حتی در صورت وجود اسناد طراحی، به دلیل بروز نبودن اسناد اپراتور ها باز هم قادر به درک تغییرات اتوماسیون در طول زمان نیستند. بدتر از آن، فقدان مستندات دقیق و به روز در یک پایگاه داده مرکزی، سازمان ها را از توانایی درک کامل آنچه در واقع در حال انجام است، محروم می گذارد.

با استفاده از دوقلوی دیجیتال این چالش به کلی برطرف می شود. حتی بروزرسانی های اتوماسیون ابتدا روی همزاد دیجیتال تست شده و در صورت رسیدن به نتیجه مطلوب در سیستم پیاده می شود. از سوی دیگر تمام اطلاعات عملیاتی سیستم در پایگاه داده دیجیتال ذخیره می شود. با این تفاسیر سازمان ها همواره به مستندات بروز و کامل سیستم دسترسی دارند.

تسریع فرآیند تعمیر و نگهداری

هنگامی که خطایی رخ می دهد یا سیستم متوقف می شود، به یک نیروی فنی بسیار ماهر برای رفع خطا نیاز است. این فرد باید اشراف کامل روی فرآین داشته باشد تا بتواند فرآیند اتوماتیک را بررسی کند، بفهمد چه کاری انجام می دهد، محل خطا را شناسایی و اقدامات اصلاحی مورد نیاز را انجام دهد.

دوقلوی دیجیتال این فرآیند را به شدت تسریع می‌کند. همزاد مانند یک بوم نقاشی برای اتوماسیون عمل می‌کند که می‌تواند به شناسایی محل خطا سرعت بخشد و زمان از کار افتادگی سیستم را کاهش دهد. نتیجه این قابلیت ها کاهش هزینه های نقدی و غیر نقدی مانند هزینه فرصت از دست رفته خواهد بود.

تسهیل مدیریت بحران

در حال حاضر، مدیریت بحران به شدت تحت تاثیر عواملی است که تعمیر و نگهداری را تحت تاثیر قرار می­دهند. عموما اقدامات اصلاحی تنها زمانی انجام می شود که سیستم اتوماسیون با بحران مواجه شده و متوقف شود.ایجاد  دوقلوهای دیجیتال، مدیریت بحران را پیش از وقوع بحران امکان پذیر می کند.

همچنین در شرایطی که تیم‌های اتوماسیون از یک تغییر قریب‌الوقوع آگاه می‌شوند – مانند به‌روزرسانی نسخه یک برنامه کاربردی که رابط کاربری یا مقرراتی را تغییر می‌دهد – داده های جدید با پایگاه داده دوقلوی دیجیتال تطبیق داده می­شود و اقدامات اصلاحی با سرعت و هماهنگی بیشتری صورت می­پذیرد.
مزیت دیگر این فناوری در بخش مدیریت، در زمان جابجایی کارمندان خود را نشان می دهد. در این شرایط تمام اطلاعات سیستم با جزییات کافی به فرد جدید منتقل می شود.

مراحل ساخت همزاد دیجیتال

در بخش های قبل اشاره کردیم که دوقلوی دیجیتال یک مدل مجازی از دارایی های فیزیکی یک سیستم یا یک فرآیند است. این ماکت مجازی با ترکیبی از مدل سازی سه بعدی، داده های حسگر و هوش مصنوعی ساخته شده است. به صورت کلی فرآیند ایجاد این ماکت مجازی را می توان در مراحل زیر تشریح کرد:

مدل سازی سه بعدی

اولین قدم در تولید یک دوقلو دیجیتال، مدل سازی سه بعدی جسم و سیستم فیزیکی یا مدل سازی ریاضی فرآیند سیستم است. در مدل سازی سه بعدی می توان از نرم افزار طراحی و مدل سازی سه بعدی کامپیوتری بهره برد. در این مرحله به اطلاعات دقیق فیزیکی مانند اندازه، شکل و ویژگی هایی مانند غلطت و جنس مواد نیاز است.

جمع آوری داده

در مرحله دوم داده های عملیاتی جسم یا سیستم فیزیکی توسط حسگر ها جمع‌آوری می‌شوند. این داده ها شامل اطلاعات قابل اندازه گیری در مورد ویژگی های جسم یا سیستم مانند دما، فشار، لرزش و … می شود.

هوش مصنوعی

پس از ساخت مدل و جمع آوری اطلاعات مورد نیاز، دوقلوی دیجیتال با الگوریتم های هوش مصنوعی ادغام می شود. هوش مصنوعی قابلیت شبیه سازی و تجزیه و تحلیل رفتار جسم یا سیستم فیزیکی را فراهم می کند. توسط الگوریتم‌های هوش مصنوعی می‌توان نحوه رفتار شی یا سیستم را در صورت تغییر در پارامترهای مختلف پیش‌بینی و مشکلات احتمالی را قبل از وقوع شناسایی کرد.

شبیه سازی شرایط

پس از ایجاد مدل و تکمیل آن با داده های حسگرها، رفتار جسم یا سیستم فیزیکی را تحت تاثیر شرایط مختلف مانند استرس، سایش یا عوامل محیطی مورد آزمایش قرار می دهند. به این ترتیب عملکرد محصول قبل از تولید آزمایش و در صورت نیاز بهینه می گردد.

نظارت Real time

به کمک اینترنت اشیا و دوقلوی دیجیتال، امکان نظارت بر عملکرد سیستم به صورت Real time یا در زمان واقعی فراهم می شود. نظارت و تجزیه و تحلیل عملکرد شی یا سیستم در زمان واقعی به شناسایی مشکلات و بهبود فرآیند نگهداری و تعمیرات کمک کند.

برای مثال یک شرکت تولید توربین هواپیما برای ساخت دیجیتال توین مراحل زیر را باید طی کند:

• ابتدا یک نمونه سه بعدی طراحی شده و پس از برطرف نمودن ایرادات احتمالی، اقدام به ساخت نمونه فیزیکی واقعی آن کنند.

• هنگامی که توربین ساخته و راه اندازی شد، با نصب حسگرهای مختلف داده های عملیاتی آن را جمع آوری می کنند. این داده ها در یک فضای نرم افزاری به مدل مجازی منتقل و دوقلوی دیجیتال را تکمیل می کند.
• به کمک هوش مصنوعی، امکان نظارت و تجزیه و تحلیل عملکرد توربین در زمان واقعی فراهم می شود.

به این ترتیب می توان مشکلات احتمالی سیستم را شناسایی و برای تعمیر و نگهداری آن پیش از وقوع چاره اندیشید. با استفاده از دوقلوی دیجیتال، می‌توان پیش‌بینی کرد که چه زمانی ممکن است یک قطعه از کار بیفتد و می توان مدت زمان خرابی ها را کاهش داد.

زیمنس NX، سازنده قدرتمند دیجیتال توین

نرم افزار شبیه ساز دوقلوی دیجیتال زیمنس، یکی از نرم افزار های موجود در بازار دیجیتال توین است. NX یکی از قوی‌ترین نرم‌افزارهای جامع طراحی، مهندسی و ساخت به کمک رایانه است. این نرم‌افزار در سال ۱۹۶۰ توسط شرکت مک‌دانل داگلاس که سازنده هواپیما و فضاپیما بود، معرفی شد و تاکنون در کاربردهای متنوعی از طراحی تا ساخت مورد استفاده قرار گرفته ‌است. در حال حاضر این شرکت با نام تجاری بویینگ شناخته می شود.

این نرم افزار امکانات فراوانی دراختیار کاربر قرار می‌دهد که موجب ارائه سریع‌تر و ارزان‌تر محصولات پیچیده و کاهش هزینه‌های طراحی تا ساخت محصول شده‌است.

از جمله امکانات این نرم افزار می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اتوماسیون فرآیند طراحیِ مبتنی بر اطلاعات
• طراحی صنعتی
• مدل‌سازی
• تحلیل مقاومت و استحکام
• شبیه‌سازی وتحلیل مکانیزم‌ها

این نرم‌افزار به دلیل استفاده از هسته مرکزی قدرتمند توانایی مدل‌سازی بسیار بالایی دارد، حجم فایل‌های نهایی آن کوچک‌ و سرعت طراحی آن بالاست. برای استفاده از این نرم‌افزار به پردازشگرهای چندان قوی نیاز نخواهید داشت. امروزه در صنایع مختلفی از جمله هوافضا، خودروسازی، ماشین‌سازی، عمران، بیومکانیک، فناوری‌های نوین (های تک) و… به‌طور گسترده از این نرم افزار استفاده می شود.

این نرم افزار در واقع یک مجموعه ابزار جامع را در اختیار طراحان قرار می دهد. داده ها را یکپارچه می کند و هدف طراحی را حفظ می کند. به کمک این نرم افزار کل فرآیند توسعه محصول، از طراحی مفهومی گرفته تا مهندسی و ساخت ساده می شود. مهندسان می توانند از مدل های پیش فرض طراحی شده برای ایجاد سریعتر آیتم ها بهره ببرند و بر روی همین مدل ها محدودیت های طراحی پروژه خود را اعمال کنند. به نظر شما دوقلوی دیجیتال چه تاثیری در بهبود عملکرد صنایع خواهد گذاشت؟