Роль моделирования при создании цифровых двойников

Сама по себе концепция цифрового двойника включает в себя всестороннюю информацию о физическом состоянии и функционировании какого-либо компонента, продукта или системы – информацию, содержащую более или менее все данные, которые могут быть полезны на всех этапах жизненного цикла – как на текущем, так и на всех последующих. В данной статье мы рассмотрим отдельные аспекты моделирования цифрового двойника. Сегодня моделирование является стандартной частью процесса проектирования систем, например, оно используется для поддержки задач проектирования или для валидации свойств системы. Первые решения на основе моделирования используются во время эксплуатации и обслуживания для оптимизации операций и прогнозирования отказов. В этом смысле моделирование объединяет физический и виртуальный мир на всех этапах жизненного цикла продукта. Текущая практика уже позволяет пользователям (проектировщикам, разработчикам ПО, инженерам-испытателям, операторам, обслуживающему персоналу и т. д.) справляться со сложностью мехатронных систем[i].

Тем не менее технических проблем не становится меньше. Программное обеспечение и особенно сетевые возможности расширяют функциональность мехатронных систем. Поскольку традиционные дисциплины (механика, электрика и электроника), дающие навыки для создания мехатронных устройств, применяются скорее в интегрированном виде, интерфейсы таких устройств будут в чем-то пересекаться. Для проектирования таких систем и проверки их свойств с помощью виртуальных испытаний, проводимых на ранних этапах, а также для поддержки эксплуатации и обслуживания, необходимо многодоменное и многоуровневое моделирование. Такие подходы должны быть встроены в процесс проектирования и разработки систем и использоваться на всех последующих этапах жизненного цикла.

Если рассматривать задачу в двух измерениях (время и уровень детализации), нам необходим единый целостный цифровой двойник, основными задачами которого должны стать следующие моменты:

  • Сокращение времени выхода на рынок – это самый ключевой аспект, это актуально сейчас, это будет актуально и в будущем. Необходимо создать структуру взаимопроникающих моделей с разными уровнями детализации во всех задействованных дисциплинах, охватывающих все этапы жизненного цикла продукта.
  • Основная структура цифрового двойника должна быть создана заранее, она должна иметь собственную архитектуру. Цифровой двойник – это нечто шире, чем набор данных, доступных ещё на этапе проектирования, и данных, собираемых во время эксплуатации и обслуживания имитационными моделями. Эти имитационные модели описывают и предоставляют доступ к информации о поведении системы, оценкам производительности и параметрам качества. Цифровой двойник обеспечивает интерфейс для различных моделей и данных с различной степенью детализации и поддерживает их согласованность.
  • Наиболее важной будет оптимизация мехатронных устройств и систем во время их эксплуатации и обслуживания (например, в контексте элемента производственного оборудования). Необходимо преодолеть разрыв между разработкой и эксплуатацией. Перенастройка моделей для эксплуатации и обслуживания – трудоемкий и дорогостоящий процесс.
  • Цифровой двойник соединяет различные производственные процессы. Например, цифровой двойник продукта, который используется в качестве производственного оборудования в системе производства, передает важную информацию (данные и исполняемые модели) производителям, например, для упрощения интеграции системы (виртуальный ввод в эксплуатацию, планирование производства и т.п.). Для этого необходимо, чтобы цифровой двойник содержал модели с разной степенью детализации, и, в целом, необходимо предварительно определить его основную архитектуру (структуру, содержание и цели). Цифровой двойник – это не монстр-повелитель данных, который включает в себя абсолютно все данные на всех этапах жизненного цикла.

В следующей статье мы покажем, что в будущем моделирование может быть интегрировано во все этапы проектирования системы. Оно будет доступно в качестве дополнительной функции на всех этапах работы. Поскольку все больше и больше функций реализуются с использованием программного, а не аппаратного обеспечения, имитационные модели необходимы для описания всех дисциплин – по отдельности и в различных комбинациях – и на разных уровнях детализации. В целом, только методы моделирования справятся с теми широкими задачами, что ставят новые технологии, используемые во всех видах технических систем.

[i] Типичная мехатронная система – тормозная система автомобиля с антиблокировочной системой. Станки с ЧПУ, промышленные роботы, вычислительная техника – так же представляют собой мехатронные системы.