Дигиталните близнаци – виртуална среда за решаване на реални проблеми

Концепцията е базирана на различни иновативни технологии като AI, ML, 5G и периферни изчисления и има приложение в почти всяка сфера на общественото развитие

от Иван Гайдаров

7 юни 2022 14:18 1829 прочитания

Възможностите, които разкриват дигиталните близнаци по отношение на оптимизацията на всевъзможни процеси във физическия свят, превръщат тази технологична концепция в основа за развитието на редица индустрии. От Индустрия 4.0, през Интернет на нещата до стремежа на човечеството да създава все по-умни градове - изграждането на цифровите двойници придобива все по-голямо значение както за съвременния бизнес, така и за управлението на модерните общества като цяло.

Фактическото описание на днешния термин "дигитални близнаци" се появява за първи път в книгата на американския компютърен изследовател Дейвид Гелернтер "Огледални светове" през 1991 г., но като концепция е приложена за първи път в производството от Майкъл Грийвс от Технологичния институт във Флорида (тогава част от екипа на Мичиганския университет) през 2003 г. По време на конференция на Обществото на производствените инженери Грийвс предлага концептуален модел, който да залегне в основата на управлението на жизнения цикъл на продуктите, но конкретното определение "дигитален близнак" се появява чак през 2010 г. Тогава Джон Викърс, специалист в НАСА, отговарящ за напредналите индустриални технологии, в свой доклад за пътната карта на агенцията за 2010 г. въвежда термина "дигитален близнак".

Именно американската космическа агенция е сочена за пионер в използването на технологията. Това се случва по време на нейните мисии за изследване на космоса през 60-те години на миналия век, когато всеки космически кораб е точно възпроизведен в своя разположена на Земята версия, използвана от учените за изследвания и симулация.

Какво е дигитален близнак

По същество дигиталният близнак е платформа за виртуално представяне на физически структури и процеси, която цели оптимизация на управлението на реални обекти чрез изграждането на техен виртуален аналог. Концепцията почива на три основни елемента - физически продукт/процес, дигитален аналог и връзка между двете.

Deloitte: "Дигиталният близнак представлява цифрово изображение в почти реално време на физически обект или процес, което помага за оптимизиране на неговото бизнес представяне."

Gartner: "Дигиталният близнак е цифрово представяне на обект или система от реалния свят. Внедряването му е процес на създаване на софтуерен обект или модел, който отразява уникален физически обект, процес, организация, човек или друга абстракция. Данните от множество дигитални близнаци могат да бъдат обобщени за пространен поглед към обекти от реалния свят като електроцентрали или градове и свързаните с тях процеси."

General Electric: "Дигиталният близнак е "жив" модел, който води до високи бизнес резултати."

IBM: "Дигиталният близнак е виртуално представяне на физически обект или система през целия им жизнен цикъл чрез използване на данни в реално време, което дава възможност за анализи, прозрения и натрупване на знание."

Истината е, че компании като General Electric, Siemens, Rolls Royce и др. проектират ротори, турбини и двигатели с помощта на симулации десетилетия преди терминът "дигитални близнаци" да бъде въведен в широка употреба. Петролната и газовата промишленост пък използват подобни подходи от 80-те години на миналия век. Още тогава съществуват различни термини като "дигитални сенки", "дигитални аватари" и "дигитални модели", но разликата далеч не е само лингвистична. За разлика от предшествениците си дигиталните близнаци не са статичен модел, а свързана система, която се променя почти в реално време с физическия си еквивалент.

"Въпреки че и симулациите, и дигиталните близнаци използват цифрови модели за възпроизвеждане на различни физически процеси и обекти на дадена система, дигиталният близнак се различава, защото създава виртуална среда, значително по-богата на възможности за изучаване. Разликата между дигитален близнак и симулация до голяма степен е въпрос на мащаб - докато симулацията обикновено изучава един конкретен процес, цифровият близнак може сам да изпълнява произволен брой полезни симулации, за да изучава множество процеси", обясняват разликата от IBM в блога към своята официална интернет страница.

Видове дигитални близнаци

Дигиталните близнаци могат да бъдат използвани в различни посоки, което предопределя и многообразието в типологията на този тип системи. От IBM посочват четири основни групи от гледна точка на йерархичната структура:

Компонентните близнаци са основната единица и пример за най-малкия функциониращ модел на концепцията. Тази група включва създаването на виртуално копие на най-малките елементи от системата.

Когато два или повече компонента работят заедно, те образуват т.нар. актив. Близнаците на активи позволяват изучаването на взаимодействието на тези компоненти, създавайки богата база данни за ефективността, която впоследствие може да бъде обработена и превърната в полезна информация.

Следващото ниво включва т.нар. системни близнаци, които проследяват и демонстрират как си взаимодействат различните активи, за да образуват единна функционираща система. Системните близнаци осигуряват видимост по отношение на взаимодействието на активите и могат да предложат значителни подобрения на производителността.

Процесните близнаци на свой ред са на върха на пирамидата, тъй като разкриват как различните системи работят заедно, за да създадат хомогенна структура. Този тип близнаци трябва да дадат отговор на въпроса: "Всички тези системи синхронизирани ли са, за да работят с максимална ефективност, или закъсненията в една система ще засегнат и други?" Процесните близнаци могат да помогнат за определяне на точните модели по отношение на времето, нужно за извършването на определени задачи, което в крайна сметка влияе върху цялостната ефективност.

Технологична основа

Основният градивен елемент на дигиталните близнаци са данните, които идват от реалния свят. Те могат да идват от множество източници - дронове, сателити, сензори, датчици и други периферни устройства, което поставя този тип платформи в пряка зависимост от развитието на концепцията "Интернет на нещата". В същото време събирането на подобно огромно количество разнородни данни на едно място налага използването на изкуствен интелект (AI) и машинно обучение, за да могат те да бъдат структурирани и анализирани, като по този начин донесат нужните прозрения.

Друг важен аспект за развитието на един дигитален близнак е добрата свързаност. Тъй като той трябва да се променя едновременно с физическия си първообраз, информацията за тези промени трябва да достига до системата възможно най-бързо. А към днешна дата кой може да подсигури това по-добре от 5G инфраструктурата?

"Промяната идва от скоростта", казва Тони Харб, ръководител на архитектите на решения във Verizon Business Group пред TechWire Asia. "В миналото предшествениците на дигиталните близнаци бяха статични решения, при които моделът се изграждаше, след което се прилагаха данните, а накрая се правеше анализ за генериране на резултати. Процесът беше предимно ръчен и бавен. С появата на 5G, мобилните изчисления в крайните точки и повсеместните IoT сензори се забелязва стъпаловидна промяна в оперативната съвместимост чрез прилагане в почти реално време на набори от пространствени данни върху дигитални близнаци."

Сфери на приложение

Като съвкупност от множество различни технологии дигиталните близнаци имат приложения в широк спектър дейности:

Верига за доставки - подобряване на сигурността на пратките и процеса на опаковане, оптимизиране на складовата работа и оперативните характеристики, разгръщане на по-ефективна логистична мрежа.

Строителство - възможност за анализ на функционирането на сгради и строителни обекти в реално време, която позволява да се нанасят корекции в процесите и да се повиши тяхната ефективност. Данните, събрани от един дигитален близнак, могат да се използват за планиране и проектиране на бъдещи сгради.

Здравеопазване - доставчиците на здравни услуги могат да виртуализират здравните грижи, за да оптимизират своя подход към пациентите си, разходите и производителността. Като цяло в сферата на здравеопазването случаите на употреба могат да бъдат категоризирани в две групи - подобряване на оперативната ефективност на операциите в здравеопазването и подобряване на персонализираните грижи.

Производство - приложенията на дигиталните близнаци са най-широко използвани именно в производствената индустрия. Тяхното приложение включва разработването на продукти, персонализирането на дизайни, наблюдение на крайни продукти, изпреварваща поддръжка.

Търговия на дребно - търговците на дребно могат да създават дигитални близнаци, за да подобрят клиентското изживяване, което предоставят.

Умни градове - обещанието на дигиталните близнаци в посока градско развитие включва осигуряването на симулационна среда за тестване на публични политики, разкриване на зависимости и оперативна съвместимост между различните социално-икономически области. Едновременно с това технологията подобрява ангажираността на управлението с гражданите и общностите, което може да окаже сериозен трансформационен ефект.

И планетата Земя ще има свой дигитален близнак

Огромните възможности, които дават дигиталните близнаци, провокират интерес не само от страна на бизнеса. Пример за това е проектът на Европейската комисия (ЕК) Destination Earth (DestinE), който има за цел да разработи високоточен дигитален модел на планетата Земя за наблюдение и прогнозиране на взаимодействието между природните явления и човешките дейности. Проектът е финансиран по няколко европейски програми, между които "Дигитална Европа" и "Хоризонт", а основни двигатели за реализацията му са Европейската космическа агенция (ESA), Европейския център за средносрочни метеорологични прогнози (ECMWF) и Европейската организация за експлоатация на метеорологични спътници (EUMETSAT). Той е част както от мерките, свързани със Зелената сделка, така и от цялостната дигитална стратегия на ЕК и се очаква да допринесе едновременно за прехода към по-природосъобразна икономика и за дигиталната трансформация на ЕС като цяло.

Основни етапи на проекта DestinE:

До 2024 г.: Разработване на основната платформа за услуги, базата данни и първите два цифрови близнака за екстремни природни събития и адаптиране към изменението на климата.

До 2027 г.: Подобряване на системата и интегриране на допълнителни дигитални близнаци и свързани услуги.

До 2030 г.: "Пълна" дигитална реплика на Земята.

"DestinE ще отключи потенциала на цифровото моделиране на земните системи на ниво, което представлява истински пробив по отношение на точността, локализацията на обекти, скоростта на достъпа до информация и интерактивността. Първоначалният фокус ще бъде върху ефектите от изменението на климата и екстремните метеорологични явления, тяхното социално-икономическо въздействие и възможните стратегии за адаптиране и смекчаване на последствията. Чрез безпрецедентните възможности за наблюдение и симулация на DestinE, подкрепени от европейските суперкомпютри и капацитета на изкуствения интелект, ние ще бъдем по-добре подготвени да реагираме на големи природни бедствия, да се адаптираме към изменението на климата и да прогнозираме социално-икономическото въздействие на тази тенденция", категорични са от екипа на проекта.