Истоки концепции цифровых двойников

Концепция использования «двойников» восходит к программе НАСА «Аполлон», в рамках которой были построены как минимум два идентичных космических корабля, что позволило инженерам во время полета отражать эксплуатационные условия корабля, находившегося в космосе. Космический корабль, оставшийся на земле, назвали двойником. Также двойник широко применялся для тренировок во время подготовки к полету. Во время полета он использовался для моделирования альтернатив на наземной модели, где имеющиеся данные о полете использовались для максимально возможного отражения условий полета и, таким образом, помогали астронавтам на орбите в критических ситуациях. В этом смысле каждый вид прототипа, который используется для отражения реальных условий работы, для моделирования поведения в реальном времени, может рассматриваться как двойник.

Другим хорошо известным примером «аппаратного» двойника является наземная испытательная установка «Iron Bird», разработанная компанией Airbus для оптимизации и проверки жизненно важных авиационных систем [1, 2]. Это механическая интеграция электрических и гидравлических систем, а также средств управления полетом, каждая из которых выстроена в соответствии с фактической конфигурацией самолета, и все компоненты установлены в том же месте, в каком они были бы на реальном объекте. Фактическая кабина для испытательного стенда обычно отображается симуляторами вместе с мобильной визуальной системой. Из этой кабины испытательным стендом можно «управлять», как обычным самолетом, с помощью компьютера, генерирующего аэродинамическую модель и условия окружающей среды, такие, как плотность и температура воздуха, скорость полета и число Маха.

Наземный авиационный испытательный стенд «Iron Bird» («Железная птица»).
Наземный авиационный испытательный стенд «Iron Bird» («Железная птица»).

Испытательный стенд позволяет инженерам подтверждать характеристики всех компонентов системы, а также обнаруживать любые несовместимости, которые могут потребовать изменений на ранних стадиях разработки. Кроме того, воздействия и последующее устранение неисправностей в системе, могут быть подробно изучены и записаны для последующего анализа [2].

Вследствие растущей мощи технологий моделирования и, следовательно, все более и более точных моделей физических компонентов, сегодня аппаратные детали испытательного стенда заменяются виртуальными моделями. Это позволяет разработчикам систем использовать концепцию испытательного стенда на ранних этапах разработки, даже тогда, когда некоторые физические компоненты еще не доступны. Дальнейшее распространение этой идеи на все фазы жизненного цикла приводит к созданию полной цифровой модели физической системы – цифрового двойника.

Впервые термин «цифровой двойник» был представлен широкой общественности в 2010 году. Он фигурировал в 11-й дорожной карте НАСА в области технологий: моделирование, симуляция, информационные технологии и обработка [3]. В этом отчете было обозначено будущее направление развития моделирования:

Цифровой двойник – это интегрированная многодисциплинарная, многоуровневая модель транспортного средства или системы, использующая наилучшие доступные физические модели, актуальные данные с датчиков, историю парка и т. д., чтобы рассчитать срок службы своего реального «летающего двойника». Цифровой двойник ультра-реалистичен и может отражать одну или несколько важных и взаимозависимых систем летательного аппарата, включая двигатель/аккумулятор, авионику, средства жизнеобеспечения, конструкцию транспортного средства, систему управления температурным режимом/систему тепловой защиты и т. п. Также во внимание могут приниматься производственные сбои, способные повлиять на ЛА.

В дополнение к «каркасу» – высокоточным физическим моделям, цифровой двойник также объединяет данные с датчиков бортовой комплексной системы управления ЛА, историю технического обслуживания и все доступные исторические данные/данные об авиапарке, полученные с помощью анализа данных и анализа текста. Комбинируя всю эту информацию, цифровой двойник непрерывно прогнозирует техническое состояние транспортного средства/системы, оставшийся срок эксплуатации (ресурс) и вероятность успеха миссии. Системы на борту цифрового двойника также способны «смягчать» повреждения или снижение производительности, рекомендуя изменения в профиле миссии, чтобы увеличить как продолжительность срока службы, так и вероятность успешного выполнения миссии [3].

Наряду с НАСА, аналогичные идеи опубликовали ВВС США [4], согласно которым цифровой двойник является частью долгосрочной стратегии ВВС США на ближайшие 30 лет. Общая идея заключается в том, что вместе с каждым самолетом поставляется его цифровая модель, специфичная для каждого конкретного самолета. «Специфичная для каждого отдельно взятого бортового номера», эта цифровая модель отражает все отклонения от расчетных характеристик конструкции. Управление цифровой моделью будет происходить по тем же полетным данным, которые были записаны для реального самолета, а данные будут предоставляться системой контроля состояния конструкции реального самолета. Сравнение фактических показаний датчиков на критических участках с результатами моделирования позволит инженерам проверять, обновлять и калибровать модель. Такие изменения конструкции самолета, как непредвиденные повреждения, будут интегрироваться в цифровую модель. Следовательно, цифровой двойник всегда будет отображать текущее состояние самолета. Основное применение такой цифровой модели – определить, когда и где может произойти повреждение конструкции, и, таким образом, предсказать оптимальные периоды технического обслуживания.

Аспект полноценного охвата цифровыми моделями всего жизненного цикла в вышеприведенных публикациях не упоминается. Наряду с концепцией цифрового двойника, также ВВС США представили концепцию цифрового потока данных [5], призванного помочь наладить процесс приобретения новых материалов, для того чтобы на протяжении цикла закупок и производства можно было сосредоточиться на быстром развертывании, разработках, использовании и интеграции инструментов цифрового проектирования. Цифровой поток данных – это создание и использование цифрового «суррогата» материальной системы, который позволяет динамически оценивать текущие и будущие возможности системы в режиме реального времени для принятия решений на таких этапах, как: планирование и анализ возможностей, предварительное проектирование, детальное проектирование, производство и материально-техническое обслуживание.

Таким образом, цифровой суррогат представляет собой техническое описание системы, выстроенное на основе законов физики, полученное в результате создания, управления и применения данных, моделей и информации из достоверных источников на протяжении всего жизненного цикла системы. Возможность работы с цифровыми потоками данных обеспечивается техническими достижениями в области моделирования, хранения данных и аналитики, вычислений и сетей. Концепция цифрового потока данных создает возможность для обоснованного принятия решений в процессе разработки в ключевых точках воздействия, которые оказывают наибольшее влияние на программы разработки и производства. Это ведет к более раннему обнаружению проблем и создает более широкий круг возможных решений; среди преимуществ также наличие структурированной оценки расходов, графика и рисков производительности, а также ускоренный анализ, разработка, тестирование и более эффективная эксплуатация.

Если сравнить приведенные описания цифрового двойника и цифрового потока данных, выходит, что это практически одно и то же, с разницей лишь в том, какое место они занимают в жизненном цикле продукта. Обе концепции включают в себя использование всех доступных виртуальных моделей, которые в своей взаимосвязи обеспечивают пользователя наилучшей и наиточнейшей возможной информацией. Кроме того, в обоих случаях используются дополнительные данные из реальных систем или из накопленных архивов. Принимая во внимание, что концепция цифрового потока данных используется для поддержки фазы закупок, и потенциально – для проектирования новых самолетов, цифровой двойник должен поддерживать период эксплуатации и обслуживания. Однако, поскольку обе концепции основаны на одной и той же идее, использующей имитационные модели для прогнозирования поведения реальной системы, в дальнейшем будет использоваться только термин «цифровой двойник» независимо от фазы жизненного цикла, в которой данная концепция используется.

 

[1] Shafto M, Conroy M, Doyle R, Glaessgen E, Kemp C, LeMoigne J, Wang L (2010) NASA technology roadmap: DRAFT modeling, simulation, information technology & processing roadmap technology area 11, Nov 2010.

[2] Airbus Industries (2015) Innovation. www.airbus.com/innovation/proven-concepts/in-design/iron-bird/.

[3] Shafto M, Conroy M, Doyle R, Glaessgen E, Kemp C, LeMoigne J, Wang L (2012) NASA technology roadmap: modeling, simulation, information technology & processing roadmap technology area 11, Apr 2012

[4] Air Force Research Laboratory (2011) Condition-based maintenance plus structural integrity.

(CBM + SI) & the airframe digital twin. 88ABW-2011-1428

[5] US Air Force (2013) Global horizons: United States air force global science and technology vision AF/ST TR 13-0, July 2013.