Цифровой двойник и имитационное моделирования

В общем виде концепция цифрового двойника – это всеохватывающее физическое и функциональное описание компонента, продукта или системы, которое включает более или менее всю информацию, которая может быть полезна на более поздних этапах жизненного цикла. С технической точки зрения это неосуществимо. Объем данных слишком велик, разнообразен и абсолютно неструктурирован. Кроме того, новые приложения на более поздних этапах требуют специальной подготовки данных и информации, полученных на предыдущих этапах. Необходима некая особая архитектура цифрового двойника.

Прежде чем рассматривать этот аспект, мы обратимся к пониманию цифрового двойника с точки зрения моделирования. Цифровой двойник – это описание компонента, продукта или системы с помощью набора хорошо согласованных исполнимых моделей со следующими характеристиками:

  • Цифровой двойник – это набор соответствующих взаимосвязанных цифровых артефактов, включая технические и эксплуатационные данные, описания поведения системы, реализуемые с помощью нескольких имитационных моделей. Имитационные модели, составляющие цифровой двойник, специфичны – они могут отличаться, в зависимости от цели их предполагаемого использования, а также применять подходящий уровень точности для решения той или иной проблемы.
  • Цифровой двойник развивается вместе с реальной системой на протяжении всего ее жизненного цикла и объединяет имеющиеся в настоящее время знания об этой системе.
  • Цифровой двойник используется не только для описания поведения, но и для выработки решений, относящихся к реальной системе, т.е. он предоставляет функциональные возможности для поддержки систем в оптимизации процессов эксплуатации и обслуживания. Таким образом, цифровой двойник расширяет концепцию модельно-ориентированного проектирования систем (MBSE)[i], он охватывает периоды от проектирования и производства до эксплуатации и обслуживания.

Мы рассмотрим четыре основных аспекта цифрового двойника:

  • Принципиальный подход и практическая польза.
  • Архитектура цифрового двойника.
  • Аспекты, касающиеся жизненного цикла изделия.
  • Цифровой двойник и производственно-сбытовая цепочка.

Принципиальный подход и практическая польза

На рисунке в виде схемы показан принципиальный подход к концепции цифрового двойника. Существующие ИТ-системы, такие, как PLM, PDM и SCADA[ii], хранят и предоставляют огромные объемы информации, поступающей из множества программных и аппаратных средств, используемых для авторской разработки, например, требования пользователя, приложения САПР, эксплуатационные данные.

Цифровой двойник использует необходимую информацию, поступающую из разных ИТ-систем, и делает ее доступной для использования на последующих этапах.
Цифровой двойник использует необходимую информацию, поступающую из разных ИТ-систем, и делает ее доступной для использования на последующих этапах.

Цифровой двойник использует эту цифровую информацию и делает ее доступной в виде данных и имитационных моделей. Таким образом, цифровой двойник включает в себя соответствующие данные для обработки задач моделирования конкретной стадии. Кроме того, он содержит только необходимую информацию, требуемую для последующих шагов и этапов. Таким образом, цифровой двойник имеет интеллектуальный характер, он повышает производительность и предоставляет новые возможности в процессе эксплуатации, например, обеспечивает системы поддержки и сервисные приложения. Более того, цифровой двойник может замкнуть цикл от эксплуатации и обслуживания до разработки новых продуктов или обновленных версий.

Тем не менее, цифровой двойник – это очень динамичная концепция, которая растет в течение всего жизненного цикла, основываясь на применении концепций MBSE. Цифровой двойник предоставляется вместе с продуктом или даже раньше. Во время эксплуатации продукта он является основой для вспомогательных систем, управляемых моделированием, а также для выработки решений по управлению и обслуживанию в сочетании с применением интеллектуальных данных. Концепция цифрового двойника не зависит от особенностей ее реализации или конкретных сфер применения.

 

[i] Модельно-ориентированное системное проектирование (MBSE) это формализованное применение моделирования для поддержки системных требований, проектирования, анализа, верификации и валидации, начиная с этапа концептуального проектирования и продолжая в течение всей фазы разработки и последующих этапов жизненного цикла» [9]. Таким образом, ключевая идея MBSE использовать цифровые модели для отслеживания и отражения взаимодействий отдельных подсистем и компонентов на системном уровне. Поведение системы проверяется на соответствие этим моделям на протяжении всего процесса разработки продукта.

[ii] Управление жизненным циклом продукта PLM, управление данными о продукте – PDM, диспетчерское управление и сбор данных – SCADA.