Цифровой двойник (digital twin) — это динамическая виртуальная копия физического объекта, процесса, системы или окружения, которая обладает видом и свойствами реального аналога. Сегодня цифровые двойники помогают принимать более взвешенные решения о дизайне, проектировании, производстве, продаже и эксплуатации всевозможных физических объектов — от оборудования до целых городов. Это одна из технологий, часто упоминаемых в контексте четвертой промышленной революции, которая помогает вовремя выявлять проблемы, прогнозировать изменения и в итоге делать бизнес эффективнее.

Хотя о технологии цифровых двойников сейчас говорят очень много, не всем до конца понятно, что это такое. Особенно добавляет путаницы сходство с термином «цифровой профиль». Концепция использования цифровых двойников возникла еще в прошлом веке, когда в NASA стали применять симуляцию космического корабля при строительстве, испытаниях и запуске. А в 2002 году профессор Мичиганского университета Майкл Гривз, выступая перед промышленниками, предложил новую, казавшуюся идеалистической модель управления жизненным циклом изделия. Она основывалась на концепции, что представленная в цифровом формате репрезентация физически существующей системы может быть самостоятельным виртуальным цифровым объектом. На протяжении всего жизненного цикла этот объект будет двойником информации, заложенной в физически существующей системе.

«Сырая» на тот момент еще технология отправила идею Гривза в стол на многие годы и до 2010 года о цифровых двойниках почти не вспоминали. Однако индустриализация технологий Интернета вещей и обработки больших данных, развитие облачных технологий, VR и AR сделали возможным появление первых проектов по созданию цифровых двойников. И в 2010 году снова NASA стало первой организацией в аэрокосмической индустрии, сформулировавшей дорожную карту их внедрения. Вслед за NASA Boeing, Airbus и General Electric согласились, что новая технология поможет оптимизировать процесс разработки и производства, повысить качество и надежность продуктов, а также сократить затраты и сроки их вывода на рынок. Сегодня же 73% компаний полагают, что без этих технологий не обойтись. Согласно отчету WEF, к 2026 году рынок цифровых двойников достигнет 48 млрд. долларов, а ряд компаний уже задумывается о создании индустриальной метавселенной — своего рода интернета цифровых двойников.

Как это работает

Цифровая копия сопровождает объект или процесс на протяжении всего его жизненного цикла. Предположим, речь идет о строительстве здания. Цикл начинается с выделения финансирования и заканчивается эксплуатацией. На всех этапах этого процесса постоянно появляются данные: договоры, счета, фотографии, схемы, отчеты, записи с камер. Информация регулярно обновляется, устаревшие сведения сменяются другими, более актуальными. Цифровой двойник представляет весь этот набор данных — структурированных, очищенных от ошибок и дублирования. Он характеризует точное состояние объекта в текущий момент и фиксирует любые изменения. Цифровая копия необязательно воспроизводит свойства и состояние материальных предметов. Можно создать виртуальный двойник системы или процесса, например, распространения коронавируса. Но связующим звеном между физическим объектом и его цифровой копией служит Интернет вещей. На основе информации, которая поступает с датчиков, с помощью алгоритмов машинного обучения моделируется поведение двойника, идентичное поведению реального объекта.

Существуют различные виды цифровых двойников. Например, прототип представляет свойства и параметры будущего, еще не существующего объекта. Он используется при проектировании и создании изделий. Другой вид под названием экземпляр служит копией конкретного реального объекта и сопровождает его в течение всего жизненного цикла, меняясь вместе с ним. Наконец, существуют агрегированные экземпляры — двойники нескольких объектов, которые позволяют моделировать групповое поведение, которое далеко не всегда равно простой сумме индивидуальных закономерностей. Вот лишь несколько возможностей, предоставляемых этой технологией:

• Цифровой двойник точно показывает, как работает объект. Это позволяет заметить и вовремя устранить неисправности или слабые места. С помощью цифровой копии можно увидеть ошибки еще до того, как продукт будет запущен в производство. Благодаря этому предприятие экономит ресурсы и увеличивает эффективность производственных процессов. Различие между результатами физических и виртуальных, осуществляемых посредством цифрового двойника, испытаний составляет, как правило, около 5%.
• С помощью электронной копии можно удаленно управлять объектом, менять его свойства, даже находясь физически в другой точке мира.
• Цифровой двойник продукта или изделия позволяет отслеживать процесс его использования клиентами. Это предоставляет неограниченный потенциал для оптимизации.
• Технология прогнозирует будущее поведение объектов, а значит, дает возможность быть на шаг впереди времени.
• Цифровой двойник дает возможность проводить эксперименты над объектом: разрушать, уничтожать, воспроизводить неограниченное количество раз, находить правильное решение в определенной ситуации.
• Цифровой двойник позволяет разобраться со всеми свойствами, особенностями и возможностями реального объекта: как «эффект присутствия», но без физического перемещения объекта.

В чем отличие цифровых двойников от цифровых профилей

Цифровые профили сегодня достаточно давно используются в промышленности и с их помощью обычно осуществляют мониторинг состояния эксплуатируемых изделий. Цифровой профиль тоже описывает поведение физического объекта или процесса, но его прогностические возможности ограничены. Он только запоминает то, что уже происходило. Цифровой профиль же может предсказать поведение объекта в тех условиях, в которых производился сбор данных, но с его помощью нельзя прогнозировать, например, аварийные ситуации. А вот цифровой двойник позволяет моделировать даже те условия, в которых объект никогда не эксплуатировался. Поэтому его предсказательный потенциал обладает большей ценностью.

У цифрового двойника есть еще одно свойство, отличающее его от цифрового профиля. Он понимает, какие данные нужны для получения необходимых результатов и как их правильно собирать. Цифровой двойник сам подскажет, какие датчики, маяки и метрики устанавливать на объект, как и где именно это следует делать. Цифровой профиль такими возможностями не обладает.

Особой разновидностью является цифровой профиль человека. Это набор информации о физическом лице, собранной из баз различных учреждений. Цифровой профиль может содержать личные данные, реквизиты документов, сведения о доходах, кредитную историю. Информация автоматически обновляется при ее изменении в базах этих учреждений. Такие цифровые профили востребованы банками, страховыми компаниями, финансовыми организациями, продавцами товаров и услуг. Они упрощают получение информации, помогают ускорить обслуживание, снизить риски при выдаче кредитов, обеспечивают актуальность данных в картотеке. Использование цифровых профилей удобно и для клиентов, так как электронные анкеты заполняются автоматически, ошибки при вводе исключены, да и не требуется постоянно носить с собой бумажные документы.

Где используются цифровые двойники

Авиация и космонавтика

Проекты в аэрокосмической отрасли сложны, так как на разработку и изготовление конечного изделия требуется много денег. Чтобы избежать дорогостоящих задержек, важно качественно выполнять работу с первого раза. Цифровые двойники упрощают принятие решений на всех этапах работы, будь то дизайн, проектирование, сборка или техобслуживание. Команды могут визуализировать модели от систем автоматизированного проектирования (CAD) и другие наборы RT3D-данных, а затем взаимодействовать с ними. В число примеров использования цифровых двойников в аэрокосмической отрасли входят разработка и прототипирование изделия, симуляция и обучение, техническое обслуживание и эксплуатация, а также продажи и маркетинг.

Например, один испытательный полет Boeing 787 Dreamliner собирал данные от 200 тысячах мультимодальных сенсоров. В эксплуатации двигатель этого судна генерирует 1 Tb данных от датчиков за сутки. Компания Boeing использовала цифровой двойник своего самолета, чтобы создать AR-приложение для осмотра летательных аппаратов. С помощью цифрового двойника удалось сгенерировать более 100 тысяч синтетических изображений, которые затем использовались для тренировки алгоритмов машинного обучения в основе приложения. В Airbus также использовали технологию цифровых двойников для оценки оптимального срока службы станочного парка. С помощью технологии Cosmo Tech Digital Twin Simulation авиапроизводитель определил стратегию жизненного цикла клепальных машин. Имитация 120 тысяч отказов и предиктивная аналитика позволили найти оптимальные сценарии эксплуатации станочного парка и продлить срок его службы. По оценкам Airbus, использование этой технологии позволило сэкономить до 15% всех затрат на производственные активы.

Архитектура и строительство

В начале проекта архитекторы готовят модели, рендеры и другие материалы, по которым заказчик оценивает и утверждает дизайн. Однако нет среды, в которой все участники проекта могли бы сотрудничать и принимать решения в реальном времени. Статичные 2D- и 3D-модели упускают отдельные нюансы, рендеры недостаточно универсальны, и в итоге команде не удается достичь полного взаимопонимания. Цифровые двойники помогают решить эти проблемы и избежать дорогостоящих ошибок. Но намного больше плюсов от цифровых двойников в вопросах планирования развития целых городов. Сегодня ведущие города мира все чаще используют цифровых двойников — виртуальные версии плана городской застройки, который позволяет наглядно планировать городскую жизнь завтрашнего дня. Архитекторы и градостроители могут воспользоваться цифровой копией, чтобы понять, как впишется то или иное здание в городскую среду, и даже определить, какую и куда тень будут отбрасывать новые здания, какими будут пробки на дорогах после ввода тех или иных зданий в строй, каким образом будет удовлетворяться спрос на энергию. Есть цифровой двойник и у Баку, на базе которого осуществляется планирование новейших инфраструктурных проектов, оптимизация регулярных маршрутных линий. Всего на сегодняшний день на нем смоделировано более 20 проектов.

Автомобилестроение

В автомобилестроении цифровые двойники помогают воссоздавать и тестировать новые дизайны перед сборкой. Они также позволяют оптимизировать производство и даже прогнозировать работу транспортного средства в разных условиях. Главное же преимущество цифровых двойников для автопроизводителей — это возможность сэкономить время и деньги, предотвратив возможные проблемы. Технология активно приживается в отрасли и начинает играть все более важную роль на каждом этапе автопроизводства — от проектирования и изготовления до техобслуживания и маркетинга.

Энергетика и производство

Компании в сфере энергетики генерируют огромное количество данных, а особенно сейчас, когда все активнее используются датчики с технологией Интернета вещей, камеры с высоким разрешением на базе искусственного интеллекта и прочие инновации. Цифровые технологии позволяют визуализировать данные и тем самым получать актуальную аналитику и принимать правильные решения по поводу производства, техобслуживания, безопасности и оптимизации.

Пока четвертая промышленная революция и прочие тренды набирают обороты, производители активно меняют жизненные циклы своих продуктов с помощью цифровых двойников. Технология уже принесла первые плоды. Она не только ускорила выход продуктов на рынок, но и повысила продуктивность сотрудников, работающих с клиентами. Более 80% компаний, внедривших иммерсивные технологии, сообщают, что им стало легче разрабатывать инновации и вести совместную работу на этапах производства и эксплуатации. В числе лучших примеров использования цифровых двойников в производстве — проектирование и планировка заводов, симуляция роботизированных процессов, обучение операторов, мониторинг, обслуживание под руководством и ремонт.

Торговля

Сейчас магазинам крайне необходимо использовать цифровые двойники в проектировании, планировании и бизнес-операциях. Не менее важно вовлекать клиентов в интернете. Для этих целей компании начали создавать иммерсивные VR-приложения, которые позволили бы и далее поддерживать связь с аудиторией. Находчивые ритейлеры постепенно внедряют в работу цифровые двойники, чтобы улучшить процессы, открыть новые эффективные способы общения с клиентами и сделать интересным шопинг в физическом или цифровом магазине. С помощью цифровых двойников товаров и магазинов можно создать множество приложений для оптимизации работы, например, для автоматического расчета с покупателями или интеллектуальной навигации по магазину. Например, компания Siemens Digital Industries перешла от модели прямых продаж своих программных продуктов к модели предоставления облачных сервисов, за 2 года увеличив выручку с 15 до 20 млрд. долларов. Свой портфель продуктов в сегменте цифровых двойников производитель разместил в индустриальной метавселенной Siemens Xcelerator.

Перспективы развития цифровых двойников

Внедрение цифровых двойников нельзя рассматривать как изолированный процесс. Они должны синхронизироваться для информационного обмена с другими компонентами единой цифровой среды в компаниях, такими как математические модели, CAD/CAM­системы, PLM­системы, системы управления производством (МЕS), системы управления активами и системы управления ресурсами (ERP). Гармонизация всех этих данных отнюдь не простая задача, тем более в условиях, когда компании используют программные продукты разных вендоров. Кроме того, цифровые двойники генерируют массивные объемы данных. Здесь уже необходимо применение облачных технологий, которые не только помогают хранить данные, но и открывают возможности для создания масштабных цифровых платформ и предоставления их заказчикам как сервисы с разным набором опций.

Но цифровые двойники физических объектов уже не фантастика, а реальность. Технология будущего активно используется в производстве, банковском деле и других сферах. Благодаря цифровым копиям изделий, оборудования, производственных, финансовых, логистических процессов бизнес становится эффективнее, а продукты и услуги — качественнее. И сегодня перспектива внедрения цифровых двойников выглядит как неизбежность, если вы хотите не просто идти в ногу со временем, но и не проиграть конкурентную гонку. Если сегодня 80% решений основано на опыте менеджмента и лишь 20% — на данных, то цифровые двойники перевернут это соотношение и в будущем 80% решений будет основано на результатах анализа объективных данных.