Digitální dvojčata: Technologický trend pro nejbližší budoucnost

Stále více firem si vytváří digitální dvojčata svých výrobků nebo výrobních linek. Existují však i digitální dvojčata celých ropných rafinerií, velkých firem nebo měst se statisíci obyvatel. Technologie, kterou před lety začala používat NASA, má s rozvojem internetu věcí, umělé inteligence a cloudových dat potenciál změnit takřka každý průmyslový obor.

Digitální dvojče má řadu různých definic, takže začněme tou nejjednodušší: je to virtuální kopie nějaké fyzické věci nebo nějakého procesu (třeba výrobního) nebo určité služby, která využívá cloudová data k průběžnému testování a předpovídání toho, jak se ona věc nebo proces budou chovat.

Jako typický příklad takových digitálních dvojčat mohou sloužit detailní a přesné digitální modely letadel Airbus. Ty si letečtí mechanici mohou nastudovat pomocí headsetů pro virtuální realitu a augumentovanou realitu, aniž by museli mít před sebou skutečné letadlo.

Při běžné údržbě skutečného letadla pak mohou mechanici kdekoli na světě díky těmto VR či AR headsetům nahlížet do útrob stroje, vidět přesné umístění jednotlivých součástek i kabeláže a získat k nim okamžitě instrukce z centrály Airbusu – včetně konzultace s živým specialistou, jenž za nimi nemusí cestovat přes půl zeměkoule.

Průkopníkem konceptu digitálních dvojčat byla americká kosmická agentura NASA, která řešila v principu podobný problém jako výrobce letadel Airbus – jak zajistit na dálku údržbu a opravy komplikovaných strojů, jakými byly kosmické lodě, raketoplány nebo mezinárodní kosmická stanice.

Nicméně využití digitálních dvojčat se dávno neomezuje na servis a opravy pomocí virtuální reality. „Pokud na to jdete správně, pak vám digitální dvojče dokáže ovlivnit vše od prvních návrhů a vývoje nějakého zařízení přes jeho výrobu až po to, jak se chová po celý svůj životní cyklus,“ říká Chris O´Connor ze společnosti IBM.

Vrátíme-li se k příkladu výrobce letadel, pak digitální dvojče může být dokonalou kopií prvního prototypu nového letadla. Nebo kopií prototypů jeho jednotlivých dílů. S virtuálními dvojčaty je možné testovat výkon, potenciální problémy i opotřebení, simulovat všechny myslitelné situace a účinně předpovídat rozličné scénáře, jak se bude dané zařízení chovat, včetně různých anomálií. Vše je porovnáváno s obrovským množstvím existujících cloudových dat z již existujících letadel, která jsou v provozu a využívají technologie podobné těm, jež chce konstruktér využít v novém modelu letadla. Objem dat v cloudu narůstá s každým dalším testem a s tím se rýsuje i dokonalejší, ostřejší obraz o vlastnostech prototypu chystaného letadla.

„Pořízení kompletního digitálního dvojčete vnímá většina firem jako velice nákladnou záležitost… Zároveň však existují cesty, jak tuto technologii uvést do provozu s mnohem menšími náklady. Stačí pouze využít toho, co už většina firem dávno má. Digitální modely produktů, zařízení, plány prostor a podobně často „leží“ v archivech firem už pro jiné účely,“ píše na webu Tyinternety český expert Milan Mitošinka z Virtual Everything, dceřiné společnosti technologické firmy Cleverlance.

Jakmile je vývoj nového stroje ukončen, je možné pokračovat vytvořením digitálního dvojčete celého výrobního procesu. Na virtuálním modelu si výrobce vyladí ideální podobu produkční linky. Jedním z motorů technologických inovací v tomto oboru je samozřejmě rozvoj umělé inteligence a internetu věcí (Internet of Things). A poznatky získané při hledání nejefektivnějších výrobních postupů a technologií se zpětně využijí k modifikacím konstrukce letadla, aby byla z hlediska výroby jednodušší, levnější, efektivnější.

A nakonec digitální dvojče slouží ke sledování už hotových letadel v plném provozu. A těch mohou být desítky, stovky nebo tisíce – každé je zdrojem dat o výkonu, opotřebení či poruchovosti, jež se zobrazují a analyzují na modelu digitálního dvojčete a opět jsou zdrojem dodatečných zlepšení konstrukce letadla i výrobního procesu. Čili jak říká složitější definice digitálních dvojčat: Je to virtuální reprezentant prvků i dynamiky fungování nějakého zařízení během jeho životního cyklu. Pomáhá nám sledovat a chápat jeho stav, reagovat na změny, zlepšovat provozní parametry a vytvářet přidanou hodnotu.

Vaše digitální dvojče

Digitální dvojčata se aplikují jak ve výrobě extrémně komplexních zařízení a strojů, jako jsou kosmické lodě NASA, dopravní letadla či obří zaoceánské nákladní lodě, tak i menších, relativně jednodušších výrobků, jako je mobilní telefon. Příklad takového řešení představila firma Siemens na loňském strojírenském veletrhu v Brně. Šlo o montážní stroj na chytré telefony pro jistého čínského výrobce, který potřeboval uvést montážní linku do provozu v mimořádně krátké době. S jeho konstrukcí a oživováním proto pomohlo digitální dvojče, jež mezitím souběžně vyvíjeli softwaroví odborníci Siemensu v Německu. Odzkoušení všech funkcí stroje a výrobního taktu linky nanečisto ve virtuální podobě ušetřilo více než 30 % času oproti standardnímu postupu.

Velmi často se technologie digitálních dvojčat využívá v automobilovém průmyslu, od virtuálních modelů stále více automatizovaných výrobních linek až po digitální dvojčata, na nichž se testují vlastnosti nových aut, což nabývá na důležitosti především s příchodem technologií autonomního řízení.

Vedle virtuálních modelů strojů a zařízení se využívají i digitální dvojčata různých procesů – například modelů distribuce zboží v logistických firmách. Objevují se i virtuální kopie celých firem nebo jejich částí, na nichž se sleduje efektivita jejich fungování a řízení a simulují se různé scénáře budoucího vývoje.  

Pak jsou tu digitální dvojčata celých měst. Typickým příkladem je Rennes v Bretani, druhé nejrychleji rostoucí město ve Francii. To si nechalo vyvinout u firmy Dassault Systèmes trojrozměrný digitální model „Virtual Rennes“, na němž je možné simulovat různé varianty rozvoje města a získat holistický obraz dopadu každého zásadnějšího rozhodnutí o budoucí výstavbě, dopravním řešení a podobně.

A v neposlední řadě se digitální dvojčata využívají ve zdravotnictví. Například společnost GE v posledních letech investovala do několika startupů, které vyvíjejí systém senzorů, jež se přilepí na lidské tělo podobně jako náplast a monitorují jeho puls, dýchání, tlak a tak dále. Na základě dlouhodobého sběru dat pak dokážou předpovídat vývoj vašeho zdravotního stavu. Jinými slovy, i vy zřejmě jednou budete mít své digitální dvojče.

Miliardy dvojčat na obzoru

Analytická společnost Gartner označuje digitální dvojčata za jeden z 10 nejvýznamnějších technologických trendů současnosti a předpovídá, že ve velmi blízké budoucnosti budou existovat digitální dvojčata k miliardám různých zařízení či procesů.

Jedním z hlavních důvodů je pochopitelně snížení nákladů. Například firma GE vytvořila digitální větrnou farmu, v níž testuje a individuálně konfiguruje každou větrnou turbínu před její instalací na místo určení. Firma počítá s tím, že takto zvýší efektivitu turbín o 20 %. Společnost Chevron zase předpokládá, že jí digitální dvojčata jejích rafinerií a ropných polí ušetří miliony dolarů na nákladech za údržbu a opravy.

Podle Gartneru se digitální dvojčata spojená s technologiemi virtuální reality především ve výrobních firmách pomalu stávají mainstreamovou technologií a nasazování se stále zrychluje a stává se součástí procesu digitální transformace podniků.

Podle předpovědí globální analytické společnosti IDC bude do konce roku 2020 používat technologii digitálních dvojčat až 65 % výrobců, což by mělo vést k poklesu nákladů na odstraňování vad o 25 % a zároveň zásadně zvýšit kvalitu poskytovaných služeb.

„Podle průzkumu IDC European Vertical Market Survey 2019 celých 13 % firem v České republice již pracuje na platformách pro digitální dvojčata a jedna třetina z těchto firem už má v provozu konkrétní aplikace nebo pilotní projekty. Toto číslo je sice stále nižší než evropský průměr, ale jasně signalizuje, že i ve středoevropském regionu nabral trend rozvoje této technologie jasný směr,“ dodává na technologickém webu Tyinternety český expert Milan Mitošinka.

Thomas Kaiser, viceprezident Oddělení internetu věcí v německé společnosti SAP, to vidí jednoznačně: „Digitální dvojčata se stávají nutností, která pokrývá celý životní cyklus nějakého zařízení nebo procesu a vytváří základ pro propojené produkty či služby. Firmy, jež na to nedokážou zareagovat, zůstanou daleko za svou konkurencí.“