تاریخچه فناوری همزاد یا دوقلوی دیجیتال
ایده فناوری دوقلوی دیجیتال، اولین بار در سال 1991 با انتشار کتاب دنیای آینه ای توسط دیوید گلرنتر مطرح شد. با این حال، دکتر مایکل گریوز، در دانشکده دانشگاه میشیگان، برای اولین بار از مفهوم دوقلوهای دیجیتال در سال 2002 استفاده کرد و به طور رسمی مفهوم نرم افزار دوقلوی دیجیتال را اعلام کرد. سرانجام، جان ویکرز از ناسا در سال 2010 اصطلاح جدیدی به نام "همزاد دیجیتال" معرفی کرد.
با تمام این ها، باید گفت که ایده اصلی استفاده از یک دوقلوی دیجیتال به عنوان وسیله ای برای مطالعه یک جسم فیزیکی خیلی زودتراز آن زمان کشف شده بود. حقیقت این است که ناسا در طول ماموریت های اکتشاف فضایی خود در دهه 1960، پیشگام استفاده از فناوری دوقلوی دیجیتال بود، زمانی که هر فضاپیمای مسافرتی دقیقاً در یک نسخه زمینی که برای مطالعه و شبیه سازی توسط پرسنل ناسا طراحی شده بود. در گزارش نقشه راه در سال 2010، جان ویکرز از ناسا، اعلام کرد که این ایده، برای ایجاد شبیه‌سازی دیجیتالی کپسول‌های فضایی و فضاپیما برای آزمایش استفاده شد.
مفهوم دوقلو دیجیتال در سال 2017 گسترش بیشتری پیدا کرد، زمانی که گارتنر آن را به عنوان یکی از 10 روند برتر فناوری استراتژیک معرفی کرد. از آن زمان، این مفهوم در مجموعه‌ای از برنامه‌ها و فرآیندهای صنعتی در حال رشد استفاده شده است.
همزاد دیجیتال
یک همزاد یا دوقلوی دیجیتال، نمایش دیجیتالی از یک شی، فرآیند یا خدمات فیزیکی و یا یه زبان ساده تر، یک مدل مجازی که برای انعکاس دقیق یک جسم فیزیکی طراحی شده، می باشد. یک دوقلو دیجیتال می تواند کپی دیجیتالی یک شی در دنیای فیزیکی باشد، بعنوان مثال، می تواند موتور جت یا مزارع بادی، یا حتی اقلام بزرگتر مانند ساختمان ها یا حتی کل شهرها باشد که با حسگرهای مختلف مرتبط با مناطق حیاتی عملکرد شی مورد نظر مجهز شده است. این حسگرها داده هایی را در مورد جنبه های مختلف عملکرد جسم فیزیکی مانند انرژی خروجی، دما، شرایط آب و هوایی و موارد دیگر تولید می کنند. سپس این داده ها به یک سیستم پردازش منتقل می شود و به صورت نسخه دیجیتال در می آید.
علاوه بر دارایی‌های فیزیکی، فناوری دوقلوی دیجیتال می‌تواند برای تکرار فرآیندها به منظور جمع‌آوری داده‌ها برای پیش‌بینی عملکرد آنها ، برای اجرای شبیه‌سازی‌ها، مطالعه مسائل مربوط به فرآیند ها و بهبودهای احتمالی آنها، همه با هدف ایجاد بینش‌های ارزشمند استفاده شود که بعدها، همه اینها می‌تواند به شی فیزیکی اصلی اعمال شود.
زندگی یک دوقلو دیجیتال، با متخصصان در ریاضیات کاربردی یا علوم داده شروع می شود که بر روی فیزیک و داده های عملیاتی یک جسم یا سیستم فیزیکی تحقیق می کنند تا یک مدل ریاضی شبیه سازی اصلی را توسعه دهند. توسعه دهندگانی که دوقلوهای دیجیتالی را ایجاد می کنند، اطمینان حاصل می کنند که مدل رایانه مجازی می تواند بازخوردی از حسگرهای داده ها از نسخه دنیای واقعی را دریافت کند. این روند، به نسخه دیجیتالی امکان تقلید و شبیه سازی اتفاقاتی که برای نسخه اصلی می‌افتد را می‌دهد. در نهایت این مدل دیجیتالی، فرصت‌هایی برای جمع‌آوری بینش در مورد عملکرد و هرگونه مشکل احتمالی ایجاد می‌کند.
با پیشرفت یادگیری ماشینی و عواملی مانند داده های بزرگ، این مدل های مجازی به یکی از اجزای اصلی مهندسی مدرن برای هدایت نوآوری و بهبود عملکرد تبدیل شده اند. ایجاد یک دو قلوی دیجیتال، می تواند امکان ارتقای روندهای فناوری استراتژیک، جلوگیری از خرابی های پرهزینه در اشیاء فیزیکی را فراهم و با استفاده از قابلیت های پیشرفته تحلیلی، نظارتی و پیش بینی، فرآیندها و خدمات آزمایشی را فراهم کند.
یک طرح دیجیتال دوقلو، با جمع آوری داده ها و ایجاد مدل های محاسباتی برای آزمایش آن ساخته می شود. این روند، می تواند شامل یک رابط بین مدل دیجیتال و یک شی فیزیکی واقعی برای ارسال و دریافت بازخورد و داده در زمان واقعی باشد:
- جمع آوری داده ها
یک دوقلوی دیجیتال به داده‌هایی در مورد یک شی یا فرآیند نیاز دارد تا یک مدل مجازی را از آنها ایجاد کند که بتواند رفتارها یا حالت‌های رویه دنیای واقعی را نشان دهد. این داده ها ممکن است مربوط به چرخه عمر یک محصول باشد و شامل مشخصات طراحی، فرآیندهای تولید یا اطلاعات مهندسی باشد. همچنین می تواند شامل اطلاعات تولید از جمله تجهیزات، مواد، قطعات، روش ها و کنترل کیفیت باشد. داده ها همچنین می توانند به عملیات مرتبط باشند، مانند بازخورد بلادرنگ، تجزیه و تحلیل تاریخی و سوابق نگهداری. سایر داده های مورد استفاده در طراحی دوقلوی دیجیتال می تواند شامل داده های تجاری یا رویه های پایان عمر باشد.
- مدل سازی
پس از جمع‌آوری داده‌ها، می‌توان از آن برای ایجاد مدل‌های تحلیلی محاسباتی برای نشان دادن اثرات فرایندی، پیش‌بینی حالت‌هایی مانند خستگی و تعیین رفتار استفاده کرد. این مدل ها می توانند اقدامات مبتنی بر شبیه سازی های مهندسی، فیزیک، شیمی، آمار، یادگیری ماشین، هوش مصنوعی، منطق تجاری یا اهداف را نشان دهند. همچنین، این مدل ها را می توان از طریق نمایش های سه بعدی و مدل سازی واقعیت افزوده به منظور کمک به درک انسان از یافته ها نمایش داد.
- رابط
یافته‌های حاصل از دوقلوهای دیجیتال را می‌توان برای ایجاد یک نمای کلی به همدیگر مرتبط کرد، مثلا با گرفتن یافته‌های دوقلوهای دیجیتالی تجهیزات و قرار دادن آنها در یک خط تولید دوقلو، که می‌تواند به یک دوقلو دیجیتال کارخانه تبدیل شود. با استفاده از دوقلوهای دیجیتال متصل به این روش، می توان برنامه های صنعتی هوشمند را برای پیشرفت ها و پیشروی های عملیاتی در دنیای واقعی فعال کرد.
انواع دوقلوهای دیجیتال
انواع مختلفی از دوقلوهای دیجیتال بسته به میزان نیاز به بزرگنمایی شی وجود دارد. بزرگترین تفاوت این همزادهای دیجیتال، در کاربرد آنهاست. بیایید انواع دوقلوهای دیجیتال را بررسی کنیم تا تفاوت ها و نحوه کاربرد آنها را بیاموزیم.
- دوقلوهای جزء / جزئی: دوقلوهای جزء، واحد اصلی دوقلوی دیجیتال، کوچکترین نمونه از یک جزء عملکردی هستند. اجزای دوقلو در اینجا تقریباً یکسان هستند، اما مربوط به اجزایی هستند که اهمیت کمی دارند.
- دوقلوهای دارایی: وقتی دو یا چند جزء با هم کار می کنند، چیزی را تشکیل می دهند که به عنوان دارایی شناخته می شود. دارایی، به شما امکان می دهد تا تعامل این مؤلفه ها را مطالعه کنید و انبوهی از داده های عملکردی را ایجاد کنید که می توانند پردازش شوند و سپس به بینش های عملی تبدیل شوند.
- دوقلوهای سیستمی یا واحدی: سطح بعدی بزرگنمایی شامل این دوقلوها است که به شما امکان می دهد تا ببینید که چگونه دارایی های مختلف با هم ترکیب می شوند تا یک سیستم کامل را تشکیل دهند. در سیستم‌های دوقلو، تعامل دارایی‌ها نیز دیده می‌شود و ممکن است منجر به بهبود عملکرد شوند.
- دوقلوهای فرایندی: این دوقلوها ، در سطح کلانی از بزرگنمایی، نشان می دهند که چگونه سیستم ها با هم کار می کنند تا یک مرکز تولید کامل را ایجاد کنند. دوقلوهای فرآیندی، همچنین می توانند به تعیین طرح های زمان بندی دقیق کمک کنند که در نهایت بر اثربخشی کلی تأثیر می گذارد.
مزایای بدست آمده از فناوری دوقلوهای دیجیتال
- تحقیق و توسعه بهتر: استفاده از این همتای دیجیتال، باعث می شود تا تحقیقات و طراحی موثرتر محصولات با داده های به دست آمده از نتایج بسیار بهتر صورت گیرد. با بینش های حاصل از این اطلاعات بدست آمده شرکت ها می توانند قبل از شروع تولید، اصلاحات کامل مورد نیاز محصول را انجام دهند.
- بهره وری بیشتر: پس از تولید یک محصول جدید، این دوقلوها می‌توانند با چشم‌اندازی برای دستیابی به هدف و حفظ اوج بازده در کل فرآیند تولید، به آینه‌سازی و نظارت بر سیستم‌های تولید کمک کنند.
- پردازش پایان عمر محصول: دوقلوهای دیجیتال حتی می توانند به تولیدکنندگان کمک کنند تا تصمیم بگیرند با محصولاتی که به پایان چرخه عمر محصول خود می رسند و نیاز به پردازش نهایی دارند، از طریق بازیافت یا اقدامات دیگر چه کنند و یا اینکه، کدام مواد محصول را می توان برداشت کرد.
بازار و صنایع دوقلو دیجیتال
در حالی که دوقلوهای دیجیتال به خاطر خدمتی که ارائه می‌دهند ارزشمند هستند، استفاده از آنها برای هر سازنده یا هر محصولی که ایجاد می‌شود، تضمینی نیست. هر جسمی به اندازه ای پیچیده نیست که به جریان شدید و منظم داده های حسگر مورد نیاز دوقلوهای دیجیتال نیاز داشته باشد. همچنین سرمایه گذاری منابع بسیار، برای ایجاد یک دوقلو دیجیتال، از نظر مالی همیشه ارزش آن را ندارد. همانگونه که گفته شد، یک دوقلو دیجیتال یک کپی دقیق از یک جسم فیزیکی است و این می تواند ایجاد آن را پرهزینه کند.
از سویی، رشد سریع بازار دوقلوهای دیجیتال نشان می دهد که در حال حاضر در بسیاری از صنایع استفاده می شوند و حتی تقاضا برای دوقلوهای دیجیتال برای مدتی افزایش خواهد یافت. در سال 2020، ارزش بازار دوقلو دیجیتال 3.1 میلیارد دلار بود. برخی از تحلیلگران صنعت حدس می‌زنند که می‌تواند تا سال 2026 به شدت افزایش یابد و به 48.2 میلیارد دلار برسد. انواع مختلفی از پروژه های خاص، از مدل های دیجیتال سود می برند، دوقلوهای دیجیتال نیز، در حال حاضر به طور گسترده در برنامه های زیر استفاده می شوند:
- پروژه های فیزیکی بزرگ ساختمان ها، پل ها و سایر سازه های پیچیده که با قوانین سختگیرانه مهندسی محدود شده اند. سازه‌های فیزیکی بزرگ، مانند ساختمان‌های بزرگ یا سکوهای حفاری دریایی، می‌توانند از طریق این دوقلوها ، به‌ویژه در طول طراحیشان، بهبود یابند. همچنین این همتاها، در طراحی سیستم هایی که در آن ساختارها کار می کنند، مانند سیستم های HVAC بسیار مفید هستند.
- پروژه های مکانیکی پیچیده توربین های جت، خودرو و هواپیما. دوقلوهای دیجیتال می توانند به بهبود کارایی در ماشین آلات پیچیده و برخی موتورها کمک کنند.
- تجهیزات برق مورد نیاز این پروژه، شامل مکانیسم های تولید برق و انتقال آن می شود. موتورهای بزرگ از جمله موتورهای جت، موتورهای لوکوموتیو و توربین‌های تولید برق نیز، از استفاده از دوقلوهای دیجیتال سود فوق‌العاده‌ای می‌برند، به‌ویژه برای کمک به تعیین چارچوب‌های زمانی برای تعمیر و نگهداری منظم.
- پروژه‌های تولیدی دوقلوهای دیجیتال در کمک به کارآمدی فرآیندها عالی هستند، همانطور که در محیط‌های صنعتی سیستم‌های ماشینی بعنوان کمک کننده هستند. از آنجایی که دوقلوهای دیجیتالی، کل چرخه عمر یک محصول را منعکس می کنند، جای تعجب نیست که در همه مراحل تولید، محصولات را از طراحی تا محصول نهایی و تمام مراحل بین آن ها هدایت می کنند.
استفاده از دوقلوهای دیجیتالی متوالی، به مالک/اپراتور این امکان را می‌دهد تا ضمن افزایش تولید، زمان خرابی تجهیزات را کاهش دهند و چرخه عمر را مدیریت کنند. بنابراین، دوقلوهای دیجیتال می‌توانند تولید را پربازده‌تر و ساده‌تر کنند و در عین حال زمان‌های توان را کاهش دهند.
- در برنامه ریزی شهری، مهندسین عمران و سایر افراد درگیر در فعالیت‌های برنامه‌ریزی شهری، با استفاده از این دوقلوها که می‌توانند داده‌های فضایی سه‌بعدی و ۴ بعدی را در زمان واقعی نشان دهند و همچنین سیستم‌های واقعیت افزوده را در محیط‌های ساخته شده بگنجانند، کمک قابل توجهی می‌کنند.
دوقلوی دیجیتال، می تواند برای کمک به شهرها برای پایدارتر شدن از نظر اقتصادی، زیست محیطی و اجتماعی استفاده شود. مدل‌های مجازی می‌توانند تصمیمات برنامه‌ریزی را راهنمایی کنند و راه‌حل‌هایی را برای بسیاری از چالش‌های پیچیده‌ای که شهرهای مدرن با آن مواجه هستند، ارائه دهند.
- در خدمات بهداشتی و درمانی، همانطور که محصولات را با استفاده از دوقلوهای دیجیتالی مشخص کردیم، بیمارانی که خدمات مراقبت های بهداشتی دریافت می کنند، نیز می توانند نمایه شوند. از همان نوع سیستم داده های تولید شده توسط حسگر می توان برای ردیابی انواع شاخص های سلامت و ایجاد بینش های کلیدی استفاده کرد. بخش پزشکی، از دوقلوهای دیجیتالی در زمینه هایی مانند اهدای عضو، آموزش جراحی و کاهش ریسک رویه ها سود برده است. سیستم‌ها، حرکت افراد را از طریق بیمارستان‌ها مدل‌سازی کرده‌اند و مکان‌هایی را که ممکن است عفونت وجود داشته باشد و افرادی که ممکن است از طریق تماس در معرض خطر باشند را ردیابی کرده اند.
تغییرات اقلیمی جهانی در سال‌های اخیر در سراسر جهان تأثیر داشته است، با این حال دوقلوهای دیجیتالی می‌توانند با ایجاد آگاهانه زیرساخت‌های هوشمندتر، طرح‌های واکنش اضطراری و نظارت بر تغییرات آب‌وهوایی به مبارزه با آن کمک کنند.
- در صنعت خودرو، که خودروها انواع مختلفی از سیستم‌های پیچیده و با عملکرد مشترک را نشان می‌دهند، دوقلوهای دیجیتالی هم به‌طور گسترده در طراحی خودرو استفاده می‌شوند، هم برای بهبود عملکرد خودرو و هم افزایش کارایی تولیدشان.
بنابراین، صنایعی که بیشترین موفقیت را با دوقلوهای دیجیتال به دست می آورند، صنایعی هستند که با محصولات یا پروژه های بزرگ درگیر هستند. مثل: مهندسی (سیستم ها)، خودرو سازی،تولید هواپیما، طراحی واگن ریلی، ساخت و ساز ساختمان، ساخت، تاسیسات برق
استفاده از فناوری دوقلوی دیجیتال، چه چالش هایی را حل کرده است؟
از آنجایی که می توان از آن در طیف گسترده ای از صنایع، از خودرو گرفته تا مراقبت های بهداشتی و تولید برق استفاده کرد، در حال حاضر برای حل تعداد زیادی از چالش ها استفاده شده است. این چالش ها شامل تست خستگی و مقاومت در برابر خوردگی برای توربین های بادی فراساحلی و بهبود کارایی در خودروهای مسابقه ای است. کاربردهای دیگر، شامل مدل‌سازی بیمارستان‌ها برای تعیین جریان کار و کارکنان برای یافتن بهبود روش‌ها است.یک دوقلوی دیجیتال به کاربران امکان می دهد راه حل هایی را برای گسترش چرخه عمر محصول، بهبود تولید و فرآیند، و توسعه محصول و آزمایش نمونه اولیه ارائه دهند. در چنین مواردی، یک دوقلو دیجیتالی می‌تواند به طور مجازی یک مشکل را نشان دهد تا راه‌حلی را در برنامه ابداع و آزمایش کرد تا در دنیای واقعی.
دوقلوهای دیجیتال یا شبیه سازی
اگرچه شبیه‌سازی‌ها و دوقلوهای دیجیتالی هر دو از مدل‌های دیجیتال برای تکرار فرآیندهای مختلف سیستم استفاده می‌کنند، یک دوقلوی دیجیتال در واقع یک محیط مجازی بسیار غنی برای مطالعه است. تفاوت بین دوقلوی دیجیتال و شبیه‌سازی تا حدود زیادی در مقیاس آنهاست: در حالی که یک شبیه‌سازی معمولاً یک فرآیند خاص را مطالعه می‌کند، یک دوقلوی دیجیتال خودش می‌تواند هر تعداد شبیه‌سازی مفید را برای مطالعه چندین فرآیند اجرا کند.
تفاوت ها به همین جا ختم نمی شود برای مثال، شبیه‌سازی‌ها معمولاً از داشتن داده‌های بلادرنگ سودی نمی‌برند. اما دوقلوهای دیجیتال حول یک جریان دو طرفه اطلاعات و داده ها طراحی شده‌اند که اول، زمانی اتفاق می‌افتد که حسگرهای شی، داده‌های مربوطه را به پردازنده سیستم ارائه می‌دهند و سپس مرحله دوم، زمانی اتفاق می‌افتد که بینش ایجاد شده توسط پردازنده با شی منبع اصلی به اشتراک گذاشته شود. دوقلوهای دیجیتال با داشتن داده های بهتر و دائماً به روز، مربوط به طیف گسترده ای از حوزه ها، همراه با قدرت محاسباتی افزوده در یک محیط مجازی، می توانند مسائل بیشتری را با پتانسیل نهایی بیشترو از نقطه نظرهای بیشتر نسبت به شبیه سازی های استاندارد مطالعه کنند و بطور کلی، محصولات و فرآیندها را بهبود بخشد.
دوقلوی دیجیتال و صنعت
از طریق ادغام فناوری‌هایی مانند هوش مصنوعی، یادگیری ماشین و تجزیه و تحلیل نرم‌افزاری با داده‌ها، دوقلوی دیجیتال یک مدل شبیه‌سازی ایجاد می‌کند که می‌تواند در کنار یا به جای همتای فیزیکی به‌روزرسانی شود. این به شرکت ها اجازه می دهد تا یک چرخه توسعه کاملاً کامپیوتری را از طراحی تا استقرار و حتی از کار انداختن ارزیابی کنند. با تقلید از دارایی‌های فیزیکی، چارچوب‌ها و عملیات برای تولید داده‌های پیوسته، یک دوقلوی دیجیتال به صنعت اجازه می‌دهد تا زمان خرابی را پیش‌بینی کند، به شرایط در حال تغییر واکنش نشان دهد، پیشرفت‌های طراحی را آزمایش کند و موارد دیگر.
تغییر اساسی در مدل های عملیاتی موجود به وضوح در حال رخ دادن است. یک اختراع مجدد دیجیتال در صنایع با دارایی فشرده رخ می دهد که مدل های عملیاتی را به روشی مخرب تغییر می دهد و نیاز به دید فیزیکی و دیجیتالی یکپارچه از دارایی ها، تجهیزات، امکانات و فرآیندها دارد. دوقلوهای دیجیتال بخش مهمی از این همسویی مجدد هستند. آینده دوقلوهای دیجیتال تقریباً نامحدود است، زیرا مقادیر فزاینده ای از قدرت شناختی به طور مداوم به استفاده از آنها اختصاص می یابد. بنابراین دوقلوهای دیجیتال، دائماً در حال یادگیری مهارت‌ها و قابلیت‌های جدید خواهند بود، به این معنی که می‌توانند به تولید بینش‌های مورد نیاز برای بهتر کردن محصولات و فرآیندهای کارآمدتر ادامه دهند.
ترجمه و تالیف:حدیثه سقاتپه
References:
https://www.ibm.com
https://www.twi-global.com