Print

Digitální dvojče: Vůdčí technologie inteligentního průmyslu

-- 13.05.19

Každou sekundu je do IoT sítě připojeno 127 nových zařízení[1]. Do roku 2020 by měla být pokořena hranice 30 miliard zařízení[2] zapojených do sítě. Množství připojených zařízení by mělo narůst na 50 miliard již v roce 2023. S nástupem 5G sítí by se mělo toto tempo ještě zvýšit. Exponenciální nárůst nových technologií mění užívané způsoby a etablované modely signifikantním způsobem. Digitální transformaci podstupují všechny obory, přičemž průmyslová výroba a logistika se v adopci nových technologií zařazují na přední příčky, a to především z důvodu maximalizace produktivity, kvality a variability produktů a služeb, stejně jako přidané hodnoty, kterou podniky dokážou generovat.

Mezi technologie, jež nabývají stále většího významu pro podniky v éře kyberprůmyslu a inteligentní logistiky, se zařazuje i technologie digitálního dvojčete. Podle studie prestižní mezinárodní analytické společnosti Gartner[3] již 75 % podniků využívajících IoT řešení implementovalo technologii digitálního dvojčete nebo to plánuje udělat v rámci jednoho roku. Má se tak stát ještě dříve, než Gartner původně předpokládal, a proto ji zařadil na čtvrtou příčku technologických trendů pro rok 2019.

Digitální dvojče se tak dostalo do základního inventáře průmyslu a podniků digitálního věku spolu s internetem věcí (IoT), velkými daty (Big Data) a strojovou inteligencí (Machine Intelligence). Gartner také upozorňuje, že zvýšené tempo nasazování digitálního dvojčete souvisí rovněž s neustále se rozšiřujícími možnostmi, které IoT řešení podnikům přináší. Právě rychlost adopce těchto technologií naznačuje také šířku jejich využití, zejména vzhledem k rozsahu funkcionalit a přidané hodnotě, jež podniku ponoukají.

Nicméně koncept digitálního dvojčete předchází éru Průmyslu 4.0, stejně jako samotný digitální věk. Kořeny sahají až do sedmdesátých let, kdy NASA pracovala na projektu Apollo. Během mise Apollo 13 došlo k explozi kyslíkové nádrže, která vážně poškodila servisní modul a tím ohrozila nejen misi samotnou, ale i životy celé posádky. Tým inženýrů na zemi musel promptně najít efektivní řešení, jak minimalizovat negativní dopad nečekaného poškození. Jelikož měli na zemi k dispozici věrnou repliku kosmické lodi i s technickými detaily, mohli důvěryhodně nasimulovat nebezpečnou situaci a otestovat možná řešení. Právě možnost fyzicky vyzkoušet hypotetické postupy posádku zachránila. Navíc NASA koncept dvojčete – už ne analogového, ale digitálního – využívá dodnes.

Princip zůstává nezměněn, jelikož se jedná o virtuální model fyzického objektu, který umožňuje neustále na dálku monitorovat stav skutečného objektu, jakož i modelovat (simulovat) různé situace s přesnými a reálnými daty. NASA označuje využití digitálního dvojčete za paradigmatický posun, neboť konvenční metody již nedokážou vyhovět náročným požadavkům projektů nové generace.

A totéž se vztahuje i na výrobní a logistické procesy, tradiční technologie a metody, které jsou již nedostatečné pro zabezpečení udržitelného růstu a nemohou tak vyhovovat novým požadavkům, od optimalizace nákladů až po spotřebitelskou kustomizaci v masové výrobě.

Digitální dvojče jako analytický nástroj

Termín digitální dvojče se dostal do širšího povědomí v roce 2002, kdy ho Michael Grieves definoval v souvislosti s řízením životního cyklu výrobku. Koncept digitálního dvojčete tehdy zavedl jako virtuální reprezentaci vyrobeného produktu a měl sloužit k porovnání výrobku s jeho inženýrským návrhem. Tato definice se posléze rozšířila a ujala i mimo původní záměr autora.

V současnosti je pojem digitální dvojče chápán především jako virtuální reprezentace fyzických objektů, jednak výrobních a přepravních zařízení, ale také procesů, systémů, pracovníků nebo celého prostředí. Digitální dvojče tak již není pouze virtuální model reálného protějšku, ale dynamický nositel dat a stavových informací získaných prostřednictvím množství senzorů a snímačů propojených internetem věcí.

Digitální dvojče v této podobě tedy slouží k monitorování fyzických objektů a procesů v reálném prostoru a čase, jelikož tato technologie umožňuje vytvářet velmi detailní digitální obraz se skutečnými daty. Její využití v komplexních simulačních modelech zrychluje a ulehčuje rozhodovací procesy, protože usnadňuje přímou identifikaci možných následků zvažovaných změn, jakož i klíčových vzorců chování v jednotlivých procesech. Tato forma implementace přináší nejen hlubší poznatky o kauzalitě jednotlivých složek v procesech a prostředích, ale i schopnost odhalovat slabá místa, která je nutné stabilizovat a optimalizovat, aby došlo k udržitelnému nárůstu výkonnosti procesů a k posilnění robustnosti prostředí.

Ve výrobě se digitální dvojče nejčastěji využívá v původním konceptu, tj. v rámci řízení životního cyklu výrobku. Podobně lze vytvářet i virtuální kopie výrobních zařízení a linek, což lze kromě simulací výrobního procesu využít také při prediktivní údržbě. Moderní řídicí Smart Industry systémy již disponují moduly prediktivní údržby, stejně jako moduly pro operativní, plánovanou, korekční a preventivní údržbu. Díky historickým datům o technickém stavu zařízení, jeho výkonu nebo opotřebování v reálném čase, jejichž nositeli jsou digitální dvojčata, můžou řídicí Smart Industry systémy vhodně zvolit optimální strategii údržby podnikových zařízení. Tímto způsobem realizované inteligentní plánování údržby pomáhá minimalizovat nechtěné prostoje ve výrobě. V praxi se dnes již můžeme setkat s prvními implementacemi Smart Industry systémů, které za pomoci strojové inteligence analyzují sesbíraná data za účelem hledání kauzálních vztahů mezi mírou opotřebení (identifikovanou například ze zvuku zařízení) a poruchovostí zařízení.

V oblasti logistiky se nejčastěji využívá virtuální model materiálových toků, který umožňuje podnikům efektivněji řídit jednotlivé části dodavatelsko‑odběratelského řetězce. V takovém modelu jsou k dispozici reálná data nejen o konkrétních materiálech, ale i o ostatních relevantních činitelích (vozidlech, povětrnostních nebo dopravních podmínkách, odběratelských zadáních apod.). V součinnosti s geografickými informačními systémy (GIS) a jejich mapovými podklady tak podniky získávají okamžitý přehled například o aktuální situaci flotily a poloze jednotlivých vozů, který je uživatelsky srozumitelný a mnohdy i nezbytný pro správné dispečerské řízení (například systém řízení dopravy – TMS).

Digitální dvojče jako řídicí agent

Kromě pasivní formy digitálního dvojčete, tedy nástroje, jenž do procesů ve výrobě přímo nezasahuje, jen je interpretuje, postupně vznikla i nová forma digitálního dvojčete, jež disponuje řídicí funkcionalitou. Právě tato podoba „aktivního“ digitálního dvojčete představuje klíčový předpoklad pro správně fungující kyberneticko‑fyzikální výrobní systémy, a tudíž i automatické řízení průmyslových a logistických procesů. Vzhledem k operacím, které vykonává, se také označuje jako inteligentní informační agent. Pojem agent odkazuje na autonomní jednotku schopnou plnit zadaný úkol. Přívlastek autonomní definuje schopnost agentu jednat samostatně, což znamená, že má plnou kontrolu nad svým jednáním. V elementární podobě je agent nositelem reakční schopnosti, je tedy schopen vyvolat reakci vzhledem k podnětům z okolního prostředí. Příkladem jednoduchého agentu je termostat, který samostatně reaguje na změny podle předem definovaného pravidla.

Aktivní digitální dvojče je v podstatě počítačový program, který v zastoupení nějakého objektu nebo z pověření uživatele provádí zadaný úkol. Tuto formu digitálního dvojčete označujeme jako inteligentního informačního agenta, jelikož již disponuje nějakou podobou umělé inteligence. Vzhledem ke změnám v prostředí a stanoveným cílům je takový agent schopen přebírat iniciativu a sám ovlivňovat své prostředí a objekty v něm, stejně tak i samostatně rozhodovat o souslednosti operací s ohledem na zabezpečení co nejefektivnějšího výsledku optimálním způsobem.

Aktivní digitální dvojče tvoří nezbytnou součást Smart Industry systémů i celého digitálního ekosystému továrny. V komplexních infrastrukturách již technologie digitálního dvojčete musí disponovat dodatečnými vlastnostmi, jakými jsou adaptabilnost, škálovatelnost, agilnost a některé kognitivní schopnosti. Kognitivní technologie umožňují digitálnímu dvojčeti reagovat na zcela nové podněty, a to díky předcházejícím zkušenostem, respektive výsledkům předchozích rozhodnutí a jejich následné reevaluaci. Současně musí mít inteligentní informační agent (digitální dvojče) predispozici interagovat v kolektivu jiných agentů. To znamená komunikovat a kolaborovat ve skupinovém zřízení nebo v jisté hierarchii.

Inteligentní továrna a chytrý průmysl

Továrny i logistické toky představují dynamické a nedeterministické prostředí, tedy takové prostředí, v němž nemá každá akce zaručený jednoznačný výsledek. Vzhledem k častému výskytu mimořádných situací způsobených především externími elementy (například nečekaná nebo chybná lidská interference) vzniká potřeba nasazení náročnějších řídicích systémů. Komplexnost těchto prostředí s mnoha simultánně probíhajícími procesy, z nichž většina na sebe navazuje, a také enormní objem dat, která tyto operace generují, už totiž není možné obsloužit stávajícími řídicími systémy založenými na technologii jednoduché evidence či zpracování transakcí. Do popředí se proto dostávají Smart Industry systémy, kde inteligentní informační agenti tvoří síť decentralizované a distribuované inteligence.

Decentralizace a distribuce řízení je rovněž signifikantní v případě procesů intralogistiky výrobních podniků (výrobní logistika). Řízení flotily vozíků zásobujících výrobní linky je při stávajícím nárůstu variabilnosti a při kustomizaci produktů natolik komplexní, že již není v lidských silách ho zvládnout. Zejména proto, že množství údajů spadajících do rozhodovacího procesu již přesahuje lidské kognitivní schopnosti. Postupné nasazování robotů a samonaváděných zařízení (AGV) vede k narůstajícím požadavkům na inteligenci řídicího systému.

To zároveň vede k implementaci technologií multiagentních systémů, které propojují jednotlivé autonomní agenty (digitální dvojčata), aby vzájemně interagovaly (komunikovaly, koordinovaly se a kooperovaly) a zabezpečily dosažení stanoveného společného cíle. Decentralizované multiagentní systémy umožňují přidělovat agentům různé role pro plnění variabilních úkolů a tím vytvářet složité systémy s lepší reakcí na vnější vlivy a faktory. První implementace Smart Industry systémů s prvky multiagentního chování je možné objevit v procesech třídění zásilek nebo vychystávání zboží. Vzhledem k postupující digitální transformaci průmyslu a dopravy se budou častěji implementovat i do procesů zásobování výrobních linek, kde početné flotily samonaváděných přepravních zařízení (AGV) budou zajišťovat včasné a korektní doplňování materiálu pro roboty na výrobní lince. Oproti stávajícím řešením již nebudou systémy založeny na centralizovaném řízení, ale budou schopny kolektivní samokonfigurace. Továrenský informační ekosystém se stane organickou strukturou, v rámci které se automatizace přetransformuje na vyšší úroveň – autonomizaci.

Digitální dvojče v hlavním proudu

Důležitost technologie digitálního dvojčete i její přínos spočívají v jeho simultánním dvojitém nastavení jako simulačního i řídicího nástroje. Vytvoření repliky výrobních toků, celé továrny nebo dodavatelsko‑odběratelského řetězce pasivním modelem digitálního dvojčete umožňuje podnikům sledovat, simulovat a testovat zavedené i  hypotetické procesy. Díky tomu můžou pověření zaměstnanci odhalovat úzká hrdla nebo neefektivní operace, identifikovat různé anomálie nebo získávat včasná varování před potenciálními krizovými situacemi, v předstihu jim předcházet (například díky prediktivní údržbě) a tím optimalizovat provozní náklady. Simulace výrobních toků mohou také díky historickým datům předstírat různé varianty montážních operací a na základě výsledků nasadit do ostrého provozu tu proceduru, při které vznikají produkty s nejvyšší kvalitou, čímž se minimalizují neplánované výdaje na dodatečné repasování a zbytečné navyšování výrobního lead timu. Digitální dvojče tedy již v této podobě vytváří podniku přidanou hodnotu.

Aktivní forma digitálního dvojčete neboli inteligentní informační agenty zastává klíčovou roli v inteligentním řízení procesů. Digitální dvojče v kombinaci s internetem věcí dokáže transformovat běžné objekty (které nemají vlastní predispozici být „smart“) na inteligentní věci. Kromě výrobních a přepravních zařízení a nástrojů nebo materiálů a produktů se tato způsobilost vztahuje i na samotného zaměstnance, u něhož kombinace obou zmíněných technologií rozšiřuje jeho kognitivní schopnosti. Zaměstnanec skladu tak kupříkladu nemusí a ani nemůže znát přesné pořadí a objem úkolů, ale řídicí Smart Industry systém mu prostřednictvím inteligentního informačního agentu prioritizuje jednotlivá pracovní zadání v reálném čase na základě relevantních dat a aktuálních požadavků koncového odběratele.

Digitální dvojče tvoří primární předpoklad pro Smart Industry systémy zabezpečující operativní a autonomní řízení výrobních a zásobovacích procesů. Dynamické vnitropodnikové logistiky neboli Intralogistiky 4.0 lze dosáhnout kombinací internetu věcí a aktivní formy digitálních dvojčat, která jsou integrována ve Smart Industry systému. Ten totiž zabezpečuje nezbytnou informační infrastrukturu pro správné fungování obou technologií. Kromě automatizace a následné autonomizace činností se díky těmto řešením zvyšuje i agilnost jednotlivých operací, podnikové procesy se tudíž stávají flexibilnějšími a lépe reagují na vnější podněty (zákazníci, módní vlny, trhy) s možností větší variability výsledného produktu nebo služby.

Technologie digitálního dvojčete navíc oplývá všestranným potenciálem nejen pro dynamické a autonomní řízení výrobních podniků a inteligentní průmysl, ale její funkčnost dnes již proniká do oblasti zdravotní péče, projektování (například pobřežních ropných plošin), maloobchodu, údržby a v neposlední řadě i do digitální transformace měst (Smart City). Právě predispozice k univerzálnímu využití, stejně jako ke škálovatelnosti funkcí a vytváření přidané hodnoty přispěly k faktu, že objem nasazování digitálního dvojčete předčil prognózy Gartneru. Mezinárodní analytická společnost již revidovala své predikce a teď už mluví o mainstreamizaci digitálního dvojčete.

Ústřední postavení digitálního dvojčete vyplývá i z jeho organického provázání s ostatními technologiemi, jako jsou internet věcí a služeb, umělá inteligence, strojové učení nebo rozšířená analytika a zpracování velkých dat. Právě  propojitelnost s ostatními technologiemi přispívá k současnému unikátnímu postavení digitálního dvojčete navzdory padesátileté existenci jeho konceptu. Rozsáhlá funkčnost, všestranné využití a výsledný přínos pro podniky řadí digitální dvojče mezi nejvlivnější disruptivní technologie současnosti i blízké budoucnosti.

 

Peter Bílik, autor článku, je Smart Industry solution designer ve společnosti ANASOFT a zabývá se digitalizací průmyslu a logistiky.


[1]https://www.politico.com/agenda/story/2015/06/internet-of-things-growth-challenges-000098

[2]https://www.statista.com/statistics/471264/iot-number-of-connected-devices-worldwide/

[3]https://www.gartner.com/en/newsroom/press-releases/2019-02-20-gartner-survey-reveals-digital-twins-are-entering-mai

Autor: Peter Bílik, ANASOFT


Sponzorované odkazy

 
Aktuální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Události  
  •   Katalog  

Události

ARaP 2019
2019-11-19 - 2019-11-20
Místo: Fakulta strojní ČVUT v Praze, Technická 4, Praha 6
EPLAN Efficiency days 2019
2019-11-19 - 2019-11-19
Místo: Clarion Congress Hotel, Praha
EPLAN Efficiency days 2019
2019-11-20 - 2019-11-20
Místo: Clarion Congress Hotel, Ostrava

Katalog

BALLUFF CZ s.r.o.
BALLUFF CZ s.r.o.
Pelušková 1400
19800 Praha
tel. 724697790

EWWH, s. r. o.
EWWH, s. r. o.
Hornoměcholupská 68
102 00 Praha 10
tel. 734 823 339

B+R automatizace, spol. s r.o.
B+R automatizace, spol. s r.o.
Stránského 39
616 00 Brno
tel. +420 541 4203 -11

Schneider Electric CZ, s. r. o.
Schneider Electric CZ, s. r. o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. 00420737266673

COGNEX
COGNEX
Emmy-Noether-Str. 11
76131 Karlsruhe
tel. 720 981 181

všechny firmy
Reklama


Tematické newslettery




Anketa


Na internetu
V tištěných médiích
Na veletrzích a výstavách
Jinde

O nás   |   Reklama   |   Mapa stránek   |   Kontakt   |   Užitečné odkazy   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   
Copyright © 2007-2019 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI