مقالات

ما هي تقنية التوأم الرقمي Digital Twin وكيف تعمل؟

ما هو التوأم الرقمي Digital Twin؟

التوأم الرقمي هو تمثيل رقمي لشيء مادي أو عملية أو خدمة. يمكن أن يكون التوأم الرقمي نسخة رقمية طبق الأصل من كائن في العالم المادي ، مثل محرك نفاث أو مزارع رياح ، أو حتى عناصر أكبر مثل المباني أو حتى مدن كاملة.

بالإضافة إلى الأصول المادية ، يمكن استخدام التكنولوجيا الرقمية المزدوجة لتكرار العمليات من أجل جمع البيانات للتنبؤ بكيفية أدائها.

التوأم الرقمي ، في جوهره ، هو برنامج كمبيوتر يستخدم بيانات العالم الحقيقي لإنشاء عمليات محاكاة يمكنها التنبؤ بكيفية أداء المنتج أو العملية. يمكن أن تدمج هذه البرامج إنترنت الأشياء (الصناعة 4.0) والذكاء الاصطناعي وتحليلات البرامج لتحسين المخرجات.

مع تقدم التعلم الآلي وعوامل مثل البيانات الضخمة ، أصبحت هذه النماذج الافتراضية عنصرًا أساسيًا في الهندسة الحديثة لدفع الابتكار وتحسين الأداء.

باختصار ، يمكن أن يسمح إنشاء المرء بتعزيز اتجاهات التكنولوجيا الإستراتيجية ، ومنع الإخفاقات المكلفة في الأشياء المادية وأيضًا باستخدام القدرات التحليلية والمراقبة والتنبؤية المتقدمة وعمليات الاختبار والخدمات.

كيف تعمل تقنية Digital Twin؟

تبدأ حياة التوأم الرقمي بخبراء في الرياضيات التطبيقية أو علم البيانات يبحثون في الفيزياء والبيانات التشغيلية لجسم أو نظام مادي من أجل تطوير نموذج رياضي يحاكي الأصل.

يضمن المطورون الذين قاموا بإنشاء توائم رقمية أن نموذج الكمبيوتر الافتراضي يمكنه تلقي ملاحظات من أجهزة الاستشعار التي تجمع البيانات من إصدار العالم الحقيقي. يتيح ذلك للنسخة الرقمية محاكاة ما يحدث مع الإصدار الأصلي في الوقت الفعلي ، مما يوفر فرصًا لجمع الأفكار حول الأداء وأي مشكلات محتملة.

يمكن أن يكون التوأم الرقمي معقدًا أو بسيطًا كما تريد ، مع كميات مختلفة من البيانات التي تحدد مدى دقة محاكاة النموذج للإصدار المادي الحقيقي.

يمكن استخدام التوأم مع نموذج أولي لتقديم ملاحظات حول المنتج كما تم تطويره أو يمكن أن يكون بمثابة نموذج أولي في حد ذاته لنمذجة ما يمكن أن يحدث مع إصدار مادي عند بنائه.

ما هي التحديات التي تم حلها؟

نظرًا لأنه يمكن استخدامه في مجموعة واسعة من الصناعات ، من السيارات إلى الرعاية الصحية وتوليد الطاقة ، فقد تم استخدامه بالفعل لحل عدد كبير من التحديات. تشمل هذه التحديات اختبار الإجهاد ومقاومة التآكل لتوربينات الرياح البحرية وتحسينات الكفاءة في سيارات السباق. تضمنت التطبيقات الأخرى نمذجة المستشفيات لتحديد تدفقات العمل والموظفين لإيجاد تحسينات الإجراءات.

يسمح التوأم الرقمي للمستخدمين بالتحقيق في حلول لتمديد دورة حياة المنتج ، وتحسينات التصنيع والعملية ، وتطوير المنتج واختبار النموذج الأولي. في مثل هذه الحالات ، يمكن أن يمثل التوأم الرقمي مشكلة تقريبًا بحيث يمكن ابتكار حل واختباره في البرنامج بدلاً من العالم الحقيقي.

من إخترعها؟

تم طرح مفهوم التوائم الرقمية لأول مرة بواسطة كتاب David Gelernter لعام 1991 “Mirror Worlds” ، مع استمرار مايكل جريفز من معهد فلوريدا للتكنولوجيا في تطبيق المفهوم على التصنيع.

بحلول عام 2002 ، انتقل جريفز إلى جامعة ميشيغان عندما قدم مفهوم التوأم الرقمي رسميًا في مؤتمر جمعية مهندسي التصنيع في تروي ، ميشيغان.

ومع ذلك ، كانت ناسا هي أول من تبنَّت مفهوم التوأم الرقمي ، وفي تقرير خارطة الطريق لعام 2010 ، أعطى جون فيكرز من ناسا هذا المفهوم اسمه. تم استخدام الفكرة لإنشاء محاكاة رقمية لكبسولات الفضاء والحرف اليدوية للاختبار.

لا يزال مفهوم التوأم الرقمي منتشرًا بشكل أكبر في عام 2017 ، عندما وصفته جارتنر بأنه أحد أفضل 10 اتجاهات تقنية استراتيجية. منذ ذلك الحين ، تم استخدام المفهوم في مجموعة متزايدة من التطبيقات والعمليات الصناعية.

متى تستخدمه

يمكن تقسيم التوأم الرقمي إلى ثلاثة أنواع رئيسية، والتي توضح الأوقات المختلفة التي يمكن فيها استخدام العملية:

  • نموذج التوأم الرقمي (DTP) – يتم تنفيذ ذلك قبل إنشاء منتج مادي
  • مثيل التوأم الرقمي (DTI) – يتم ذلك بمجرد تصنيع المنتج لإجراء اختبارات على سيناريوهات استخدام مختلفة
  • Digital Twin Aggregate (DTA) – يجمع هذا معلومات DTI لتحديد إمكانيات المنتج وتشغيل الإنذارات واختبار معلمات التشغيل

يمكن أن توفر هذه الأنواع الشاملة مجموعة متنوعة من الاستخدامات بما في ذلك التخطيط اللوجستي وتطوير المنتجات وإعادة التصميم ومراقبة الجودة / الإدارة وتخطيط الأنظمة.

يمكن استخدام التوأم الرقمي لتوفير الوقت والمال كلما احتاج منتج أو عملية إلى الاختبار ، سواء في التصميم أو التنفيذ أو المراقبة أو التحسين.

لماذا وكيف نصمم التوائم الرقمية؟

كما ذكرنا أعلاه ، يمكن إنشاء توائم رقمية لمجموعة واسعة من التطبيقات ، على سبيل المثال ، لاختبار نموذج أولي أو تصميم ، وتقييم كيفية عمل المنتج أو العملية في ظل ظروف مختلفة ، وتحديد دورات الحياة ومراقبتها.

يتم إجراء تصميم رقمي مزدوج من خلال جمع البيانات وإنشاء نماذج حسابية لاختبارها. يمكن أن يشمل ذلك واجهة بين النموذج الرقمي وكائن مادي فعلي لإرسال الملاحظات والبيانات وتلقيها في الوقت الفعلي.

البيانات

يتطلب التوأم الرقمي بيانات حول كائن أو عملية من أجل إنشاء نموذج افتراضي يمكن أن يمثل سلوكيات أو حالات العنصر أو الإجراء في العالم الحقيقي. قد تتعلق هذه البيانات بدورة حياة المنتج وتشمل مواصفات التصميم أو عمليات الإنتاج أو المعلومات الهندسية. يمكن أن تتضمن أيضًا معلومات الإنتاج بما في ذلك المعدات والمواد والأجزاء والطرق ومراقبة الجودة. يمكن أن تكون البيانات مرتبطة أيضًا بالتشغيل ، مثل التعليقات في الوقت الفعلي والتحليل التاريخي وسجلات الصيانة. يمكن أن تتضمن البيانات الأخرى المستخدمة في تصميم التوأم الرقمي بيانات الأعمال أو إجراءات نهاية العمر الافتراضي.

النمذجة

بمجرد أن يتم جمع البيانات ، يمكن استخدامها لإنشاء نماذج تحليلية حسابية لإظهار تأثيرات التشغيل ، والتنبؤ بحالات مثل التعب ، وتحديد السلوكيات. يمكن أن تصف هذه النماذج الإجراءات بناءً على المحاكاة الهندسية ، والفيزياء ، والكيمياء ، والإحصاءات ، والتعلم الآلي ، والذكاء الاصطناعي ، ومنطق الأعمال أو الأهداف. يمكن عرض هذه النماذج عبر تمثيلات ثلاثية الأبعاد ونمذجة الواقع المعزز من أجل مساعدة الإنسان في فهم النتائج.

ربط

يمكن ربط النتائج المستخلصة من التوائم الرقمية لإنشاء نظرة عامة ، مثل أخذ نتائج توائم المعدات ووضعها في خط إنتاج مزدوج ، والذي يمكنه بعد ذلك إبلاغ توأم رقمي على نطاق المصنع. باستخدام التوائم الرقمية المرتبطة بهذه الطريقة ، من الممكن تمكين التطبيقات الصناعية الذكية للتطورات والتحسينات التشغيلية في العالم الحقيقي.

الفوائد

تختلف فوائد التوأم الرقمي باختلاف وقت ومكان استخدامه. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي استخدام التوأم الرقمي لمراقبة المنتجات الحالية ، مثل توربينات الرياح أو خط أنابيب النفط ، إلى تقليل أعباء الصيانة وتوفير العديد من الملايين من التكاليف المرتبطة. يمكن أيضًا استخدام التوائم الرقمية للنماذج الأولية قبل التصنيع ، وتقليل عيوب المنتج وتقصير الوقت اللازم للتسويق. يمكن أن تشمل الأمثلة الأخرى للاستخدام الرقمي المزدوج تحسينات العملية ، سواء كان ذلك هو مراقبة مستويات التوظيف مقابل المخرجات أو مواءمة سلسلة التوريد مع متطلبات التصنيع أو الصيانة.

تشمل الفوائد الشائعة زيادة الموثوقية والتوافر من خلال المراقبة والمحاكاة لتحسين الأداء. يمكنهم أيضًا تقليل مخاطر الحوادث ووقت التوقف غير المخطط له من خلال الفشل ، وخفض تكاليف الصيانة من خلال التنبؤ بالفشل قبل حدوثه ، وضمان عدم تأثر أهداف الإنتاج من خلال جدولة الصيانة والإصلاح وطلب قطع الغيار. يمكن أن يوفر التوأم الرقمي أيضًا تحسينات مستمرة من خلال تحليل نماذج التخصيص وضمان جودة المنتج من خلال اختبار الأداء في الوقت الفعلي.

ومع ذلك ، بالنسبة لجميع الفوائد ، فإن التوأم الرقمي غير مناسب في جميع الحالات لأنه يمكن أن يزيد من التعقيد. بعض مشاكل العمل ببساطة لا تحتاج إلى توأم رقمي ويمكن حلها دون الاستثمار المرتبط بالوقت والتكلفة.

أمثلة

يمكن العثور على أمثلة على التوأم الرقمي عبر الصناعة وخارجها للتصنيع والصيانة ومنع الأعطال / مراقبة دورة الحياة.

تتراوح التطبيقات من استخدامات السيارات حيث توفر مستشعرات القياس عن بعد ردود فعل من المركبات إلى البرنامج الثنائي الرقمي ، والمصانع حيث يتم محاكاة العمليات بواسطة التوأم الرقمي لتوفير التحسينات ، والرعاية الصحية حيث يمكن لأجهزة الاستشعار إبلاغ التوأم الرقمي لمراقبة والتنبؤ برفاهية المريض .

كيف أثرت على الصناعة؟

من خلال دمج تقنيات مثل الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي وتحليلات البرامج مع البيانات ، ينشئ التوأم الرقمي نموذج محاكاة يمكن تحديثه جنبًا إلى جنب أو بدلاً من نظير مادي. يسمح هذا للشركات بتقييم دورة تطوير محوسبة بالكامل من التصميم إلى النشر وحتى إيقاف التشغيل.

من خلال محاكاة الأصول المادية والأطر والعمليات لإنتاج بيانات مستمرة ، يسمح التوأم الرقمي للصناعة بتوقع التوقف والتفاعل مع الظروف المتغيرة واختبار تحسينات التصميم وغير ذلك الكثير.

التوأم الرقمي هو مفتاح تطوير الصناعة 4.0 لتوفير الأتمتة وتبادل البيانات وعمليات التصنيع المشتركة بالإضافة إلى التخلص من المخاطر في طرح المنتجات. يمكن لموظفي الصناعة مراقبة العمليات في الوقت الفعلي ، وتقديم تنبيهات مسبقة حول الإخفاقات المحتملة والسماح بتحسين الأداء وتقييمه في الوقت الفعلي مع الحد الأدنى من فقدان الإنتاجية.

أين تستخدم؟

تُستخدم التوائم الرقمية في مجموعة متنوعة من الصناعات لمجموعة من التطبيقات والأغراض. تتضمن بعض الأمثلة البارزة ما يلي:

الصناعة

يمكن أن تجعل التوائم الرقمية التصنيع أكثر إنتاجية وانسيابية مع تقليل أوقات الإنتاجية.

السيارات

أحد الأمثلة على استخدام التوائم الرقمية في صناعة السيارات هو جمع وتحليل البيانات التشغيلية من السيارة من أجل تقييم حالتها في الوقت الفعلي وإبلاغ تحسينات المنتج.

البيع بالتجزئه

خارج التصنيع والصناعة ، يتم استخدام التوأم الرقمي في قطاع البيع بالتجزئة لنمذجة تجربة العميل وتعزيزها ، سواء على مستوى مركز التسوق أو للمتاجر الفردية.

الرعاىة الصحية

استفاد القطاع الطبي من التوأم الرقمي في مجالات مثل التبرع بالأعضاء والتدريب على الجراحة وإزالة المخاطر من الإجراءات. قامت الأنظمة أيضًا بنمذجة تدفق الأشخاص عبر المستشفيات وتتبع الأماكن التي قد توجد فيها العدوى ومن قد يكون في خطر من خلال الاتصال.

ادارة الكوارث

كان لتغير المناخ العالمي تأثير في جميع أنحاء العالم في السنوات الأخيرة ، ومع ذلك يمكن أن يساعد التوأم الرقمي في مكافحة ذلك من خلال الإنشاء المستنير للبنى التحتية الأكثر ذكاءً وخطط الاستجابة للطوارئ ورصد تغير المناخ.

المدن الذكية

يمكن أيضًا استخدام التوأم الرقمي لمساعدة المدن على أن تصبح أكثر استدامة اقتصاديًا وبيئيًا واجتماعيًا. يمكن للنماذج الافتراضية توجيه قرارات التخطيط وتقديم حلول للعديد من التحديات المعقدة التي تواجهها المدن الحديثة. على سبيل المثال ، يمكن إبلاغ الاستجابات في الوقت الفعلي للمشكلات من خلال المعلومات في الوقت الفعلي من التوائم الرقمية للسماح للأصول مثل المستشفيات بالتفاعل مع الأزمات. أظهر استطلاع أن 4٪ فقط من الشركات الدنماركية الصغيرة والمتوسطة الحجم تستخدم تقنية AM ، مما أدى إلى اتحاد من الشركاء ، بما في ذلك TWI ، للالتقاء وتعزيز تبني التكنولوجيا كجزء من مشروع AM-LINE 4.0.

استخدم المشروع Digital Twin كجزء من العملية لإنشاء مركز مظاهرة ومعرفة للطباعة الصناعية ثلاثية الأبعاد على المعدن ، بحيث تشعر الشركات الدنماركية الأصغر بالثقة في استخدام التكنولوجيا لخطوط إنتاجها.

المصدر
twi-global

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

زر الذهاب إلى الأعلى