С тех пор как человек научился создавать орудия труда, он стремится улучшить свою жизнь с помощью технологий. Колесо, паровой двигатель, электричество — каждое новое изобретение открывало перед нами новые горизонты. Сегодня наступила эра цифровых технологий, которые позволяют нам создавать виртуальные миры и копии реальных объектов. Одним из таких прорывов стала технология цифровых двойников.
Цифровые двойники — это виртуальные модели реально существующих физических объектов, будь то машины, здания или даже целые города. С помощью датчиков и программного обеспечения создается детальная цифровая копия, которая затем может использоваться для тестирования, оптимизации и предсказания поведения оригинала.
Подобно тому, как космические телескопы открыли нам глубины Вселенной, цифровые двойники позволяют нам лучше изучить наш материальный мир. Их потенциал огромен — от разработки новых лекарств до колонизации Марса.
Цифровые двойники выходят за рамки традиционных моделей и симуляторов, динамически связывая физический и цифровой миры и используя современные технологии, такие как интеллектуальные датчики, аналитика больших данных и искусственный интеллект (ИИ), для обнаружения и предотвращения сбоев в работе систем, повышения их производительности и поиска инновационных возможностей. Благодаря интеграции с искусственным интеллектом и передовой аналитикой постепенно повышается точность прогнозирования работы физического объекта или процесса. Эта способность приводит к тому, что предсказанные результаты передаются в качестве части информационной обратной связи исходному физическому объекту.
Первые шаги
Цифровые двойники были описаны в книге Дэвида Гелернтера «Зеркальные миры» 1991 г. Впервые концепция и модель цифрового двойника были публично представлены в 2002 г. Майклом Гривсом на конференции Общества инженеров-технологов в г. Трой, штат Мичиган. Гривс предложил цифрового двойника в качестве концептуальной модели, лежащей в основе управления жизненным циклом изделия (product lifecycle management).
Среди основных вех на пути развития технологии цифрового двойника можно назвать следующие:
1960-е: NASA использовало зеркальные системы для моделирования космических аппаратов
1991: Книга Дэвида Гелернтера «Зеркальные миры» описывает появление цифровых двойников
2002: Майкл Гривз представил концепцию цифрового двойника на конференции Общества инженеров-технологов
2010: Джон Викерс из NASA ввел термин «цифровой двойник».
2015: Первое практическое определение цифрового двойника было дано НАСА
2017: Цифровые двойники стали одним из главных стратегических технологических трендов
2019: Object Management Group, ANSYS, Dell, Lendlease и Microsoft основали консорциум Digital Twin Consortium
2020: Sidewalk Labs представила цифрового двойника 35-этажного деревянного здания для планируемого «умного города» в Торонто
2020: Национальный институт стандартов и технологий США опубликовал концепцию цифрового двойника в производстве
2022: Gartner назвал цифрового двойника одним из 10 стратегических технологических трендов 2017, 2018 и 2019 годов
Как работает цифровой двойник?
Цифровой двойник создается на основе сканирования и моделирования реального объекта. Для сбора данных используются самые разные датчики — лазерные сканеры, видеокамеры, датчики давления, температуры и прочие. Например, для создания цифрового двойника спортивного автомобиля может потребоваться до 300 различных датчиков!
Затем эти данные обрабатываются с помощью программного обеспечения, которое создает точную 3D модель объекта. Благодаря использованию технологий искусственного интеллекта цифровой двойник может имитировать физические процессы и реакции оригинала в режиме реального времени.
Области применения цифровых двойников
Какие только области не затронет эта перспективная технология. Уже сегодня цифровые двойники активно применяются в промышленности. Например, компания General Electric использует их при проектировании авиадвигателей. Это позволяет сократить реальные испытания двигателей в несколько раз.
Цифровые двойники нашли применение и в строительстве. Так, при возведении небоскреба в городе Джедда в Саудовской Аравии был создан его точный цифровой двойник. Это помогло оптимизировать конструкцию и сэкономить миллионы долларов.
Огромный потенциал таит в себе применение цифровых двойников человека в медицине. Представьте, что возможно заранее моделировать реакцию организма конкретного пациента на терапию. Персонализированная медицина становится реальностью.
Цифровые двойники городов позволят оптимизировать транспортные потоки, а цифровые двойники планет откроют новую эру в освоении космоса.
Что нового?
В течение последнего десятилетия развертывание возможностей цифровых двойников ускорилось под влиянием ряда факторов:
- Симуляция. Инструменты для создания цифровых двойников становятся все более мощными и совершенными. Теперь можно разрабатывать сложные имитационные модели на основе реальных условий и выполнять миллионы имитационных процессов, не перегружая системы. Кроме того, с увеличением числа поставщиков расширяется и диапазон возможностей. Наконец, функции машинного обучения повышают пользу полученных результатов.
- Новые источники данных. Данные, полученные с помощью технологий мониторинга объектов в режиме реального времени, таких как LIDAR (light detection and ranging) и FLIR (forward-looking infrared), теперь могут быть включены в моделирование цифрового двойника. Аналогичным образом, IoT-датчики, встроенные в оборудование или в цепочки поставок, могут напрямую передавать оперативные данные в моделирование.
- Функциональная совместимость. За последнее десятилетие возможности интеграции цифровых технологий с реальным миром значительно улучшились. В значительной степени это улучшение можно объяснить совершенствованием отраслевых стандартов связи между датчиками IoT, аппаратными средствами операционных технологий и усилиями поставщиков по интеграции с различными платформами.
- Визуализация. Огромный объем данных, необходимый для создания моделей цифрового двойника, может усложнить анализ и затруднить получение нужных результатов. Передовая визуализация данных позволяет решить эту проблему путем фильтрации и обработки информации в режиме реального времени. Новейшие средства визуализации данных выходят далеко за рамки базовых приборных панелей (т.н. дэшбордов) и стандартных возможностей визуализации и включают интерактивные 3D-, VR- и AR-визуализации, визуализации с использованием искусственного интеллекта и потоковую передачу данных в реальном времени.
- Инструментарий. Датчики IoT, как встроенные, так и внешние, становятся все меньше, точнее, дешевле и мощнее. Благодаря совершенствованию сетевых технологий и повышению уровня безопасности традиционные системы управления могут быть использованы для получения более детальной, своевременной и точной информации о реальных условиях для интеграции с виртуальными моделями.
- Платформа. Расширение доступа к мощным и недорогим вычислительным технологиям, сетям и системам хранения данных являются ключевыми факторами, способствующими созданию цифровых двойников. Некоторые компании-разработчики ПО делают значительные инвестиции в облачные платформы, IoT и аналитические возможности, которые позволят им воспользоваться тенденцией развития цифровых двойников. Некоторые из этих инвестиций являются частью постоянных усилий по оптимизации разработки отраслевых сценариев использования «цифровых двойников».
Что обещают технологии ЦД в ближайшем будущем?
Данная технология совершает революцию в ряде отраслей, и в ближайшие десятилетия ожидается ее экспоненциальный рост.
По прогнозам, объем мирового рынка цифровых двойников вырастет с 10,1 млрд. долл. в 2023 году до 110,1 млрд. долл. млрд. к 2028 году при темпах роста в 61,3%. Рост рынка обусловлен растущим cпросом на цифровые двойники в сфере здравоохранения и растущее внимание к диагностическому обслуживанию.
Цифровые двойники станут одним из величайших технологических прорывов нашего времени, который коренным образом изменит жизнь каждого человека на Земле. И это увлекательное путешествие в будущее только начинается.