Digital Twins. Spełnione marzenie inżynierów

Wirtualne reprezentacje fizycznych obiektów, nazywane wdzięcznie cyfrowymi bliźniakami (digital twins), odgrywają rolę nowoczesnych prototypów. Najciekawsze w nich jest to, że potrafią na bieżąco komunikować się ze swymi fizycznymi odpowiednikami, wymieniając z nimi informacje. O tym, ile znaczy taka komunikacja, wiedzą najlepiej przedstawiciele koncernów motoryzacyjnych i lotniczych, czy firm budujących wieżowce.

Przez wiele lat inżynierowie zmagali się z nierozwiązywalnym problemem. Urządzenia przez nich projektowane – pojazdy, maszyny, budynki – gdy już nabierały kształtów lub były gotowe, cechowały się nierzadko innymi parametrami, niż zakładano na etapie projektowania. Usterki, wady, anomalie w urządzeniach technicznych, to oczywiście nic niezwykłego. Na pewnym etapie tworzenia nie zaskakują. Problem powstaje wtedy, gdy z ich diagnozowaniem i usuwaniem łączą się znaczne koszty lub trudne sytuacje, dotyczące organizacji produkcji. Usunięcie usterki w silniku samochodowym nie brzmi jak koszmar, sytuacja komplikuje się, gdy mamy do czynienia z silnikiem rakietowym.

Bliźniaki poczęte w laboratoriach NASA

Pytanie zadawane we wszystkich fabrykach i biurach projektowych świata brzmiało więc: czy jest sposób na to, by wszystkie anomalie w projektowanych obiektach wykrywać wcześniej? Czy da się lepiej monitorować procesy produkcji, lepiej przewidywać zachowania gotowych urządzeń? Pytania wydawały się retoryczne. Ale tylko do pewnego momentu. Pomysł, by tworzyć cyfrowe symulacje konstruowanych obiektów, narodził się wśród inżynierów NASA. Pracujący w niej fizycy, matematycy i programiści skoncentrowali się na idei tworzenia wirtualnych modeli, które miały coraz dokładniej odzwierciedlać rzeczywiste cechy projektowanych urządzeń, a także ich zachowania. Jako że bohaterem tych wszystkich refleksji i działań były silniki i pojazdy kosmiczne, determinacja specjalistów, by w końcu rozwiązać niegasnący problem, wydawała się oczywista. Dotąd, diagnozowane na orbicie okołoziemskiej usterki, musiały czekać w długiej kolejce, by ktoś w końcu mógł się nimi zająć – pojazdy kosmiczne musiały najpierw wylądować na ziemi. Problemy logistyczne, a także aspekt finansowy tych operacji można sobie łatwo wyobrazić.

Komputery się przebudziły

Z pomocą miała przyjść informatyka. Rozwijająca się technika komputerowa, zdolności obliczeniowe maszyn i coraz lepszy software, umożliwiały tworzenie trójwymiarowych obrazów, które coraz doskonałej obrazowały formę projektowanych konstrukcji. Największym wyzwaniem było spowodowanie, aby te trójwymiarowe rendery zaczęły „myśleć”. Żeby stały się w końcu czymś więcej, niż tylko efektowną animacją, która prezentuje działanie rzeczywistych obiektów. Dokonująca się stopniowo zmiana polegała na tym, że obrazy dało się stopniowo integrować z rozmaitymi informacjami, danymi o rożnym charakterze. Obraz nie był już tylko grafiką. Stawał się trójwymiarową, realistyczną  bryłą, która potrafiła „udawać” zachowania swojego fizycznego odpowiednika. Pokazywać ile on może ważyć, ile energii zużywać, ukazywać jak potrafi współpracować z resztą podzespołów, jak zachowa się w codziennym funkcjonowaniu. Chociaż symulacje stawały się coraz doskonalsze, ciągle istniała nieprzekraczalna granica między wirtualnym modelem, a jego fizycznym odpowiednikiem. Jeśli zaprojektowany silnik rakiety wykazywał niedoskonałości, to diagnozowano je w trakcie testów. Dopiero potem pochylano się nad wirtualnym modelem, wprowadzano modyfikacje w projekcie, a te z kolei prowadziły do zmian w testowanym urządzeniu.

Dzieci sztucznej inteligencji

I w końcu nastąpił zasadniczy przełom. Możemy go nawet umiejscowić w czasie, bo narodziny i dorastanie cyfrowych bliźniaków to sprawa świeża, łącząca się ze zmianami w technologiach informatycznych ostatnich kilku lat. Rozwój technik wirtualnej rzeczywistości i rosnące możliwości obliczeniowe komputerów, a także narodziny technologii takich jak Augmented Reality i Internet Rzeczy – to wszystko razem połączone miało olbrzymi wpływ na jakościową zmianę w tworzeniu cyfrowych reprezentacji. Duże znaczenie miała tu idea deep learning, z jej kluczową zasadą samodoskonalenia się systemów wraz z przetwarzaniem kolejnych informacji. Sztuczna inteligencja odsłaniała swoje wielkie możliwości. Spełniało się marzenie inżynierów; cyfrowy prototyp potrafił wymieniać na bieżąco informacje ze swoim fizycznym bratem bliźniakiem. 

Niedoskonałe przedmioty opowiadają o sobie

Dzisiaj cyfrowe bliźniaki to inny wymiar zarówno projektowania, jak i całkowitego zarządzania procesem tworzenia obiektu – silnika, budynku, pojazdu, maszyny. Przełomowe możliwości polegają na tym, że możliwy jest nieustanny wgląd – w czasie rzeczywistym – we wszystkie procesy, które zachodzą w konstruowanym i uruchamianym obiekcie. Ten niejako „ożywa”, wysyłając do zainteresowanych specjalistów strumienie danych dotyczących własnego zachowania. Pod wpływem tych spływających informacji, konstrukcja może być doskonalona, mogą być diagnozowane i eliminowane jej niedociągnięcia. Cyfrowy bliźniak jest więc modelem komputerowym, który potrafi wykorzystywać bieżące i historyczne dane pobierane z rozmaitych urządzeń. Umie symulować procesy krytyczne, takie jak awarie, czy nieprzewidziane zachowania systemu. Cała ta dynamiczna wymiana informacji między realnym obiektem i jego cyfrowym odwzorowaniem, nie byłaby możliwa, gdyby nie rozwój Internetu Rzeczy i szeroko rozumianej idei Big Data – w skrócie na przetwarzaniu ogromnej liczny danych płynących z rozmaitych obiektów. Ich przepływ możliwy jest dzięki komunikującym się ze sobą sensorom. Te mogą być wbudowane zarówno w ścianę budynku, jak i w samochód, ekspres do kawy, czy silnik rakiety.

Technologia doceniana przez największych

Dzisiaj z opisywanej technologii korzystają producenci samochodów, przemysł lotniczy i wydobywczy. Tesla używa jej zarówno do wykrywania usterek w gotowych pojazdach, jak i do symulacji nowych rozwiązań. Volkswagen w swoim centrum w Wolfsburgu stworzył specjalny oddział wirtualnych prototypów. Strumienie danych płyną więc z taśm produkcyjnych do kontrolujących proces komputerów, a te po przetworzeniu tych informacji „odsyłają” swoje propozycje z powrotem na taśmę. Nowa technologia nie mogłaby się dalej rozwijać bez ewolucji oprogramowania. Dzisiaj oferują je m.in. i Microsoft. Platforma Microsoftu Azure, będąca zintegrowanym zestawem narzędzi informatycznych, umożliwia programistom tworzenie złożonych modeli w chmurze. Możliwe jest wykonywanie rozmaitych obliczeń i analiz predykcyjnych w oparciu o dane z wielu rozmaitych źródeł. 

Cyfrowe bliźniaki zmienią miasta i medycynę

Według firmy badawczej Gartner w ciągu najbliższych kilku lat cyfrowe bliźniaki zaczną zdobywać uznanie kolejnych branż. Kosztowne prototypy będą zastępowane komputerowymi symulacjami również po to, by obniżać koszty produkcji. To trzeba podkreślić; ta innowacyjna technologia to nie tylko wygoda i precyzja obliczeniowa. To radykalna zmiana w ekonomii. Najbliższe lata mogą przynosić ciekawe scenariusze dotyczące cyfrowych bliźniaków. To jest właśnie ten przypadek, kiedy cyfrowa innowacja, która dotyczy wycinka rzeczywistości, uruchamia lawinę zdarzeń. Cyfrowe bliźniaki mogą wpływać na modyfikację najbardziej skomplikowanych procesów zarzadzania obiektami. Wyrafinowane symulacje mogą pomagać menedżerom w zarządzaniu budynkami i halami produkcyjnymi. Już dzisiaj rodzą się pomysły, aby nowoczesną technologię wykorzystywać przy złożonym planowaniu przestrzennym, do budowy miast, badania zachowań skupisk ludzkich. Cyfrowe repliki mogą doskonale sprawdzać się w badaniu zachowań budynków pod wpływem zmieniających się warunków atmosferycznych, czy obecności ludzi. Innowacyjna technologia budzi już zainteresowanie środowisk medycznych. Dane płynące z elektronicznych opasek zakładanych przez pacjenta, trafiają do komputera a następnie – odpowiednio przetworzone, mogą wpływać na działanie aparatury stosowanej podczas leczenia. 

Cyfrowe bliźniaki to wspaniały przykład na to, jak cyfrowa informacja potrafi stawać się częścią naszego życia. Opisane procesy pokazują, jak blisko zespalamy się z technologią, która przestaje być zewnętrznym bytem, trafia niemal do naszego krwioobiegu. Jej innowacyjny charakter jest olbrzymi i może przynieść jeszcze wiele niespodzianek. Ma szanse na to by stać się kluczowym narzędziem służącym do optymalizowania najbardziej różnorodnych procesów.

.    .   .

Cytowane prace:

Wikipedia, Digital Twins, Link, 2021. 

Expeditors,  Jarrett Hendricks, Rise of the Digital Twin: How Lessons Learned from NASA Are Changing the Way Supply Chains Are Managed, Link, 2021. 

Gartner, Christy Pettey, Prepare for the Impact of Digital Twins, Link, 2021. 

.    .   .

Powiązane artykuły:

– Czy komputery kwantowe pozwolą nam złamać zasady fizyki?

– Czy algorytmy będą popełniać zbrodnie wojenne?

– Sztuczna inteligencja to nowa elektryczność