Digital Twins: Jak fungují digitální dvojčata

Viděli jste film Apollo 13? Potom zhruba chápete princip fungování digitálního dvojčete. Let Apollo 13 se odehrál v roce 1970 a téměř skončil tragicky. Během letu k Měsíci došlo k několika problémům, přičemž nejvážnějším bylo poškození kyslíkové nádrže. Naštěstí NASA měla na Zemi věrnou repliku kosmické lodi se všemi technickými detaily a někoho prozíravého napadlo shromáždit všechny předměty, které měla posádka na palubě Apolla 13 k dispozici.

Digital Twins: Jak fungují digitální dvojčata


Technický tým mohl věrně nasimulovat nebezpečnou situaci a otestovat dostupné postupy na její vyřešení. Takže šéf inženýrů a techniků ve středisku NASA jim názorně vysvětlil jejich roli: „Musíte vyřešit spojení této nádrže s tímto potrubím, přičemž máte k dispozici pouze předměty nacházející se v této místnosti.“ 

Při hledání řešení se možnost fyzicky uskutečnit a vyzkoušet jednotlivé návrhy řešení ukázala být klíčovou k eliminaci následků poškození nádrže a k opravě provizorními prostředky a nástroji, které měla posádka k dispozici. Tehdy použitý postup bychom mohli nazvat věrným fyzickým dvojčetem, dokonce v měřítku 1:1.

Od té doby NASA, a nejen NASA, tento princip dvojčete masivně využívá, přičemž digitální dvojče může mít fyzickou podobu zmenšeného modelu výrobní či logistické linky či jiného zařízení, nebo podobu softwarového modelu. Podle toho mluvíme o hardwarovém nebo softwarovém digitálním dvojčeti.

Důvodem pro nasazování řešení typu digitální dvojče je především rostoucí složitost zařízení.

V minulosti v roli dvojčete zařízení posloužil fyzický model v měřítku 1:1, případně zmenšený, nebo u miniaturních záležitostí naopak zvětšený model. V současnosti se digitální koncept dvojčete posunul od analogových modelů k digitálním. Úmyslně nepíšeme od fyzických, protože i digitální dvojče může být jak fyzické, tak virtuální. Digitální dvojče obecně je digitální model entity či systému z reálného světa.

Fyzické digitální dvojče

V tomto případě máme na mysli fyzický model linky výrobního či logistického procesu, který je uskutečňován jako více či méně věrná zmenšená napodobenina skutečného zařízení či linky. Pokud v případě pojmu „méně věrná“ zajdeme trochu dál a model bude více abstraktní, v mnoha případech postačí na znázornění fungování zařízení či procesu i model postavený z některé z populárních stavebnic Lego či Fishertechnik.

I v tomto případě můžeme stále pracovat s úrovní abstrakce. Digitální dvojče ze stavebnice může používat stejné řídicí jednotky, například PLC moduly jako reálné zařízení, akorát se použijí úměrně menší senzory a akční členy čili motory, servomotory či krokové motory, solenoidy, případně jiné akční členy, které pracují na stejném principu v reálném zařízení.

Při ještě vyšší úrovni abstrakce se po­užijí motory a akční členy přímo z příslušné stavebnice. Ani řídicí jednotka nemusí být originální. V případě řídicích jednotek typu PLC lze použít jednodušší model. Nebo ji nahradí vhodná mikrokontrolérová deska, například Raspberry Pi, ESP 32 či Arduino, nebo dokonce přímo řídicí jednotka příslušné stavebnice.

Tuto stoupající úroveň abstrakce využijeme v dalších úvahách. Pokud použijete v digitálním dvojčeti stejnou řídicí elektroniku jako v reálném zařízení, její software bude moci zůstat beze změny. Programovému kódu je jedno, jaké motory či elektromagnety nebo jiné zařízení spíná. Vydá povel do bloku výkonové elektroniky, buď pomocí digitálních výstupů, nebo vhodného komunikačního rozhraní, například RS 422, RS485, SPI, I2C.

Stejně je tomu u servomotorů a krokových motorů, které se řídí v případě servomotorů impulzy na signálovém vstupu a v případě krokových motorů posloupností řídicích impulzů. Pokud použijete jako řídicí jednotku digitálního dvojčete univerzální prototypovou desku, například Raspberry či ESP32, budete muset pro ni napsat software, který sice může využít většinu originálního zdrojového kódu, je-li ve vhodném jazyce, například v C, C ++, Javě či Pythonu, avšak některé části týkající se například vstupů, výstupů a komunikačních rozhraní bude nutné přizpůsobit.

V případě zjednodušených modelů, které neuskutečňují úplně všechny úkony, ale znázorňují pouze ty, které požadujeme, bude nutné tomu přizpůsobit i software. Odtud je už jen krůček k úvaze virtuálního digitálního dvojčete, které bude realizováno jako virtuální model fyzického objektu, jenž umožňuje neustále monitorovat stav skutečného objektu na dálku jako a modelovat a simulovat různé potenciální situace s přesnými a reálnými daty.

Digitální dvojče jako virtuální model

Termín digitálního dvojčete se dostal do širšího povědomí v roce 2002, kdy ho definoval Michael Grieves v souvislosti s řízením životního cyklu výrobku.

Koncept digitálního dvojčete je vymezen jako virtuální reprezentace vyrobeného produktu a slouží k porovnávání produktu s jeho inženýrským návrhem.

V současnosti představuje digitální dvojče především virtuální kopii fyzických objektů jako výrobní a logistické procesy, systémy a zaměstnance nebo celé výrobní prostředí. Digitální dvojče se používá k monitorování fyzických objektů a procesů v reálném čase a prostoru, proto v současnosti již není jen obrazem reálného zařízení či procesu, ale cenným zdrojem informací získaných prostřednictvím množství senzorů a snímačů propojených internetem věcí.

Využití principu digitálního dvojčete v komplexních simulačních modelech umožňuje optimalizovat procesy a zrychluje a zároveň zefektivňuje rozhodování. Analýzy údajů získaných z procesů dokážou odhalit klíčové vzorce chování jednotlivých komponentů, subsystémů i celých procesů. To umožní odhalovat úzká místa a jejich odstraněním v procesu optimalizace se dosáhne zvýšení efektivnosti. To způsobí nárůst výkonnosti procesů bez nutnosti velkých investic.

V logistice ať vnitřek firemní, nebo v rámci dodavatelského či odběratelského řetězce je klíčový virtuální model materiálových toků vytvořen na základě údajů získaných z reálných logistických procesů. Při logistice mimo firmu jsou důležité i další předvídatelné údaje jako vliv počasí, dopravní zácpy a podobně. Ve vnitropodnikové logistice virtuální model umožňuje sledovat materiálové toky od příjmu polotovarů a komponentů od externích dodavatelů, jejich naskladnění, operativního on-time vyskladňování na příslušné úseky výrobních linek, přemísťování výrobků do expedičních skladů a expedici. Stačí si představit komplexnost tohoto procesu a je jasné, že případné změny v reálném prostředí lze implementovat až po jejich důsledném vyzkoušení na simulačním modelu.

Aktivní digitální dvojče s umělou inteligencí

Je důležité si uvědomit, že přímá vazba simulačního modelu na výrobní a logistické procesy je přísně jednosměrná. Digitální dvojče v pojetí jako virtuální simulační model využívá údaje z fyzických procesů, ale nikdy do těchto procesů přímo nezasahuje. Slouží výhradně jako nástroj simulace procesů a interpretace dat.

Digitální dvojče však může sloužit i jako aktivní prvek – jakýsi řídící agent, který může zasahovat do průmyslových a logistických procesů, nejčastěji při auto­matizaci rutinních činností. Pojem agent se v tomto kontextu chápe jako autonomní modul schopný plnit stanovenou úlohu. Zdůrazňujeme přívlastek autonomní, který naznačuje, že agent je schopný jednat samostatně. V praxi to znamená, že dokáže reagovat na podněty z prostředí, které řídí.

Aktivní digitální dvojče (agent) je algoritmus, který samostatně vykonává naprogramované úlohy. Sbírá data ze senzorů a v reálném čase může zasáhnout do procesu. Pojem aktivní digitální dvojče schopné samostatného jednání se v současnosti často skloňuje v souvislosti s rozvojem umělé inteligence a strojového učení. Je schopné iniciativně zasáhnout do procesu nebo jeho části a popřípadě i samostatně rozhodovat o posloupnosti operací s cílem maximálního zefektivnění procesů. Umělá inteligence na základě naučených vzorců umožňuje aktivnímu digitálnímu dvojčeti reagovat i na situace, které se dosud nevyskytly.

Decentralizace řízení, případně schopnost aktivního digitálního dvojčete převzít „krizové“ řízení procesů v neobvyklých situacích je klíčovou vlastností i v souvislosti s rizikem potenciálních hrozeb na IoT infrastrukturu. Několik příkladů z nedávné minulosti ukázalo, že škodlivý kód dokázal ochromit výrobní procesy.

Výhody digitálního dvojčete

Simulování procesů a realizace scénářů typu what-if nanečisto, mimo reálné operační prostředí výrobních a logistických procesů, je v mnoha situacích neocenitelná konkurenční výhoda. Analýzou dat lze lépe porozumět procesům a odhalit úzká místa v procesních tocích, navrhnout řešení, odsimulovat ho, a pokud se osvědčí, implementovat jej do fyzického prostředí. Aktivní digitální dvojče umožňuje identifikovat anomálie a dokáže proaktivně reagovat na krizové situace, a zabránit tak škodám.


Autor je redaktorem PC Revue.


Úvodní foto: pixabay.com




Komentáře