Hlavní navigace

Souboj digitálních i fyzických dvojčat

27. 8. 2021

Sdílet

 Autor: Depositphotos
Chcete si postavit virtuální nebo fyzické dvojče výrobní linky? Co se lépe hodí do vaší továrny?

Inovace výrobních a logistických procesů je třeba před aplikováním do reálného prostředí důkladně otestovat, avšak ve většině případů je to problém, protože firma si kvůli tomu nemůže dovolit narušit kontinuitu výroby, případně jiných procesů. Stejně i testování různých variant procesu s cílem nalézt nejrychlejší, případně optimální, zpravidla nelze dělat během reálného provozu. Proto se vytvářejí modely linek či jiných zařízení, nazývané také dvojčata.

V éře digitalizace v rámci Průmyslu 4.0 se začal používat pojem digitální dvojče, které může být buď fyzické, nebo virtuální. Digitální dvojče definoval Michael Grieves v roce 2002: koncept digitálního dvojčete je definován jako virtuální reprezentace vyrobeného produktu a slouží k porovnávání produktu s jeho inženýrským návrhem. V praxi to funguje tak, že analýzy dat získaných z reálných 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. Avšak tyto změny je třeba před nasazením do reálných výrobních či logistických procesů nejdříve důkladně otestovat.

Fyzické digitální dvojče

Modely linek či zařízení, ať už ve skutečné velikosti čili měřítku 1 : 1 nebo zmenšené, se používají nejen k optimalizaci procesů, ale i na hledání řešení různých problémů. Taková dvojčata mají nezastupitelnou roli, zejména v případě, kdy jde o zařízení, které je v nebezpečném prostředí, případně je těžko dostupné nebo zcela nedostupné. Typickým příkladem hledání řešení problému zařízení v nedostupném prostředí byla známá mise Apollo 13 v roce 1970. Během letu došlo k několika problémům včetně poškození kyslíkové nádrže. Naštěstí NASA měla na Zemi věrnou repliku kosmické lodi i se vším vybavením na palubě. Technický tým tak mohl dokonale nasimulovat nebezpečnou situaci a najít způsob, jak situaci vyřešit. Možnost fyzicky vyzkoušet varianty oprav provizorními prostředky v tomto případě zřejmě posádce zachránila život.

Model zařízení může a nemusí být přesný. Je zdlouhavé a zbytečné replikovat všechny konstrukční detaily, které nemají vliv na základní funkcionalitu, případě u modelů v měřítku 1 : 1 je třeba rozhodnout, zda dvojče bude někdy využíváno i jako záložní zařízení, nebo bude sloužit pouze k testování scénářů a hledání řešení problémů. V druhém případě je zbytečné dimenzovat součástky na dlouhodobou zátěž.

Fyzická digitální dvojčata bez ohledu na měřítko a konstrukční řešení jsou zpravidla vybavena reálnými řídícími jednotkami, protože tehdy je možné využít originální software a o jeho optimalizaci nám většinou jde. Řídící jednotce je v principu jedno, jestli ovládá velký, nebo malý servomotor, takže senzory či akční členy, jako jsou motory, ventily a podobně, mohou a nemusejí být stejné jako na originálním zařízení. V úrovni abstrakce můžeme pokračovat, takže konstrukce dvojčete může být například z lehkých hliníkových či plastových profilů, nebo dokonce digitální dvojče může být postaveno z některé z konstrukčních stavebnic jako například Lego Technic či Fishertechnik a při vysoké míře abstrakce mohou být použité i řídící jednotky a akční členy z těchto stavebnic.

Fyzická digitální dvojčata mohou sloužit i k předvádění ať už komplexní funkcionality nebo specifické funkce, kterou považujeme za nejvýznamnější konkurenční výhodu našeho řešení pro potenciální zákazníky. Typickým příkladem je převzetí řízení procesů a zařízení záložním systémem při případné poruše či výpadku napájení či připojení. Vývojové desky typu Arduino, Raspberry, ESP32 nebo řídící jednotky ze stavebnic se využívají hlavně u dvojčat zjednodušených modelů určených k předvádění, například na různých výstavách.

Digitální dvojče jako simulační model

Při popisu fyzických digitálních dvojčat jsme postupně zvyšovali míru abstrakce čili zjednodušování konstrukce, až se nám nakonec dvojče zredukovalo na řídicí systém, většinou originální, který ovládá zmenšené akční členy ve zjednodušené konstrukci. Ještě vyšší úrovní abstrakce je simulační model. Pokud je dostatečně věrný a komplexní, umožňuje optimalizovat procesy a zefektivňuje rozhodování. Virtuální model dovoluje sledovat jednotlivé fáze procesu a zkoumat, jak se projeví změny některých parametrů. Pokud se změny osvědčí, mohou se implementovat i v reálném prostředí.

Aktivní digitální dvojče

Přímá vazba na výrobní a logistické procesy je při klasickém simulačním modelu striktně jednosměrná. Jinak řečeno, digitální dvojče využívá údaje z fyzických procesů, ale přímo do těchto procesů nezasahuje. Změny, ať už na optimalizaci nebo vyřešení problému po důkladném odzkoušení, uskuteční na základě důkladného zvážení technický štáb firmy.

Digitální dvojče de facto poskytne pouze údaje, jejichž analýzou se získají podklady pro kvalifikované rozhodování. Virtuální digitální dvojče neboli simulační model však může fungovat i jako aktivní autonomní řídící agent, který může zasahovat do reálných procesů, nejčastěji při automatizaci rutinních činností, přičemž reaguje na informace získané z těchto procesů. Pokud takový simulační model napojený na reálný proces, který může také modifikovat, doplníme o algoritmy umělé inteligence a strojového učení, získáme plnohodnotné aktivní digitální dvojče, jež autonomně dělá optimalizační a korekční zásahy.

Algoritmy strojového učení umožňují získat informace na natrénovaném modelu, tak aby aktivně digitální dvojče mohlo adekvátně reagovat i na situace, které se dosud nevyskytly. To už zasahujeme do oblasti AIoT (Artificial Intelligence of Things) čili umělé inteligence věcí, jež je schopná postarat se sama o sebe, průběžně optimalizovat procesy a autonomně řešit vzniklé problémy.

PIT

Decentralizované systémy

Praxe ukazuje, že nejvyšší míru odolnosti vůči předvídatelným i nepředvídatelným vlivům, ať už entropickým nebo úmyslným, jako jsou útoky kyberkriminálníkem, mají decentralizované systémy. Typickým příkladem takového decentralizovaného systému je internet. Právě již zmíněné aktivní digitální dvojče může sloužit nejen k optimalizaci či řešení problémů, ale takový systém může v krizové situaci převzít řízení celého procesu. Například při výpadku centralizovaného řídicího systému či útoku hackerů. Zjednodušeně řečeno, proces se dokáže postarat sám o sebe.

Výhody digitálního dvojčete

Vytvoření digitálních dvojčat čili modelů výrobních a logistických procesů, případně i celé firmy, umožňuje monitorovat, simulovat a testovat dosud používané nové optimalizované procesy. Pomáhá odhalovat různé problémy a anomálie, problematická místa, takzvaná úzká hrdla či méně efektivní fáze procesů. Kromě pasivních modelů digitálního dvojčete se do popředí stále více dostávají i aktivně dvojčata čili agenty, které dokážou proaktivně řídit procesy. Implementování umělé inteligence umožní další zvyšování flexibility procesů, a tedy i zvýšení konkurenceschopnosti firmy, jež do takových technologií investuje.