Digital Twins: Ο αυτοματισμός στην 4η Βιομηχανική Επανάσταση (Industry 4.0)

Η 4η Βιομηχανική Επανάσταση, με τις τεχνολογίες που εισάγει, έρχεται να προκαλέσει τεράστιες αλλαγές στον αυτοματισμό της βιομηχανικής παραγωγής. Και τα «ψηφιακά δίδυμα» (digital twins) αποτελούν μια τεχνολογία ικανή να αλλάξει ριζικά τα δεδομένα στον έλεγχο, στη διαχείριση αλλά και στο σχεδιασμό προϊόντων, συστημάτων και διεργασιών.

Γράφει ο επίκουρος καθηγητής κ. Δημήτριος Πυρομάλης*

Η ψηφιοποίηση (digitization) ίσως είναι η λέξη που χαρακτηρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια την τάση της εποχής μας· μια τάση που ήρθε να αποτελέσει το δόγμα της επονομαζόμενης 4ης βιομηχανικής επανάστασης (Industry 4.0).

Τις τελευταίες δεκαετίες, η ψηφιοποίηση έκανε την εμφάνισή της μέσω τεχνολογιών που σκοπό είχαν να μετατρέψουν πληροφορίες από μια φυσική μορφή σε ψηφιακά δεδομένα. Τέτοιες τεχνολογίες ήταν οι συσκευές οπτικής σάρωσης εγγράφων (optical scanners), οι μετατροπείς αναλογικών σημάτων μετρήσεων σε ψηφιακά σήματα (analog-to-digital converters) κ.ά. Πιο πρόσφατα εμφανίστηκαν κι άλλες, πιο προωθημένες, τεχνολογίες, οι οποίες στοχεύουν στον συγχρονισμό μέρους μιας φυσικής διεργασίας με μια ψηφιακή αναπαράσταση σε εικονικό περιβάλλον (π.χ. cross-reality environments, co-spaces και mirror models).

Η τεχνολογία των «ψηφιακών διδύμων» (digital twins) είναι η επανάσταση στον ψηφιακό μετασχηματισμό και θεωρείται ως μια ανατρεπτική (disruptive) τεχνολογία.

Σύμφωνα με την ιδέα των digital twins, για κάθε έμβια ή μη έμβια ύπαρξη / οντότητα, (physical object) δημιουργείται ένα ψηφιακό «αντίγραφο», το ψηφιακό δίδυμό του. Έτσι, για οτιδήποτε, π.χ. για άτομα, προϊόντα, συστήματα, μηχανές κλπ., επιχειρείται η σύνδεση του φυσικού μοντέλου λειτουργίας με το υπολογιστικό μοντέλο στο εικονικό περιβάλλον. Η σύνδεση αυτή πραγματοποιείται με την παραγωγή και χρήση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο (real-time data).

Στο υπολογιστικό περιβάλλον του κυβερνοχώρου (virtual cyber-space), το οποίο μπορεί να φιλοξενείται π.χ. σε ένα data server, συγκεντρώνονται ετερογενείς πληροφορίες που αφορούν το φυσικό αντικείμενο. Σ’ αυτές συγκαταλέγονται λεπτομέρειες για τα στοιχεία αλλά και για τη δυναμική του αντικειμένου, πληροφορίες από το περιβάλλον του αντικειμένου, όπως επίσης και πληροφορίες σχετικά με τις εμπειρίες άλλων οντοτήτων από το μελετώμενο φυσικό αντικείμενο (π.χ. εμπειρίες χειριστών κατά την παραγωγή, εμπειρίες τελικών χρηστών κλπ.)

Πλεονεκτήματα των digital twins

Τα σημαντικά πλεονεκτήματα από τη δυναμική και πλήρως ρεαλιστική ψηφιακή αναπαράσταση ενός φυσικού αντικειμένου είναι ότι:

  • Υποστηρίζεται η κατανόηση (understanding) των φυσικών αντικειμένων.
  • Υποστηρίζεται η βελτίωση του σχεδιασμού (design) νέων αντικειμένων.
  • Αναβαθμίζεται η δυνατότητα μοντελοποίησης (modeling) και βελτιστοποίησης (optimization).
  • Είναι δυνατή –μέσω της καταγραφής και αρχειοθέτησης των δεδομένων λειτουργίας του ψηφιακού αντιγράφου (digital twin), και με αναφορά σε πραγματικό χρόνο– η χρονική ιχνηλάτηση (tracing) στοιχείων συμπεριφοράς του φυσικού αντικειμένου.
  • Αναβαθμίζεται η δυνατότητα για διάγνωση (prediction).
  • Αναβαθμίζεται η δυνατότητα για πρόγνωση (prognostics).

Βασικές αρχές υλοποίησης

Για την υλοποίηση της τεχνολογίας «digital twin» πρωτίστως ακολουθούνται τρία διακριτά στάδια:

  • Αρχικά πρέπει να δημιουργηθεί το πρωτότυπο ψηφιακό δίδυμο (Digital Twin Prototype [DTP]) συμπεριλαμβάνοντας σχέδια, αναλύσεις και διαδικασίες για την υλοποίηση του φυσικού συστήματος.
  • Στη συνέχεια σχεδιάζεται το ψηφιακό δίδυμο καθεμιάς από τις ιδιότητες του φυσικού αντικειμένου (Digital Twin Instances [DTI]).
  • Τέλος, όλα τα ψηφιακά δίδυμα των ιδιοτήτων ενοποιούνται (Digital Twin Aggregate [DTA]), έτσι ώστε μέσω των δεδομένων και των πληροφοριών να καθίσταται εφικτή η κατανόηση και η πρόγνωση.

Τεχνολογίες-πυλώνες

Ιδανικά, το ψηφιακό δίδυμο πρέπει να μπορεί να αναπαραστήσει με ρεαλισμό, ακρίβεια και πιστότητα το φυσικό δίδυμό του, δηλαδή το εξεταζόμενο φυσικό αντικείμενο, και σε σχεδόν πραγματικό χρόνο (real-time) να αποδίδει την κατάσταση του φυσικού αντικειμένου. Για να συμβεί αυτό, απαιτείται η χρήση και ενσωμάτωση πρωτοποριακών τεχνολογιών, μερικές από τις οποίες μάλιστα αποτελούν τα «λάβαρα» της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης (Industry 4.0). Κι αυτές είναι:

  • Το Διαδίκτυο των Αντικειμένων (Internet of Things [IoT]), το οποίο μπορεί με βεβαιότητα να θεωρηθεί ως η απαραίτητη προϋπόθεση για τα digital twins, διότι μέσω της ασύρματης διασύνδεσης (wireless connectivity) μεταξύ διαφόρων αντικειμένων, στο ίδιο ή σε διαφορετικό φυσικό μέρος, επιτυγχάνεται η συλλογή σημαντικών δεδομένων (data acquisition) σε πραγματικό χρόνο.
  • Οι αισθητήρες (sensors), οι οποίοι, ως συστατικό μικροσκοπικών και χαμηλής ενέργειας συστημάτων μικροελεγκτών (embedded systems), ενσωματώνονται σε κρίσιμα σημεία του φυσικού αντικειμένου, και έτσι το ψηφιακό δίδυμο ενημερώνεται διαρκώς με έγκυρα δεδομένα από το πραγματικό φυσικό σύστημα στο πραγματικό περιβάλλον λειτουργίας του (in situ).
  • Τα δίκτυα δεδομένων (data networks), τα οποία εξασφαλίζουν την απρόσκοπτη ανταλλαγή δεδομένων (μετρήσεις και εντολές) μεταξύ του φυσικού και του ψηφιακού διδύμου, τα οποία συνήθως είναι σε διαφορετικά γεωγραφικά μέρη.
  • Η νεφελοϋπολογιστική (cloud computing), η οποία περιλαμβάνει όλα τα εργαλεία και τις τεχνικές για την ανάπτυξη εφαρμογών στο διαδικτυακό περιβάλλον του υπολογιστικού νέφους, έτσι ώστε να αξιοποιηθούν στο μέγιστο οι δυνατότητες για συμπερίληψη πολλών και ετερογενών ανθρώπινων και τεχνητών πόρων.
  • Η εξομοίωση και η προσομοίωση (simulation, emulation), που αποτελούν γνωστές τεχνολογίες των οποίων οι μέθοδοι προσφάτως αναπτύσσονται με ραγδαίους ρυθμούς, αξιοποιώντας όλες τις τεχνολογικές εξελίξεις σε τομείς όπως είναι η σχεδίαση με τη βοήθεια Η/Υ (Computer Aided Design [CAD]), η ανάλυση δεδομένων (data analytics) και ανάλυση μεγάλου όγκου δεδομένων (big data analytics).
  • Η αναπαράσταση δεδομένων (data visualization), τα οποία μέσω των τεχνολογιών των γραφικών (computer graphics), της εικονικής πραγματικότητας (Virtual Reality [VR]) και της επαυξημένης πραγματικότητας (Augmented Reality [AR]) προσδίδουν το μέγιστο ρεαλισμό στην αναπαράσταση του φυσικού αντικειμένου εντός του εικονικού κυβερνοχώρου.
  • Η τεχνητή νοημοσύνη (Artificial Intelligence [AI]), η οποία μέσω των τεχνολογιών της για τη μηχανική και βαθιά μάθηση (Machine Learning [ML], Deep Learning [DL]) επιτρέπει στο ψηφιακό δίδυμο να αυτοεκπαιδεύεται (self-leaning, self-training) και να προσαρμόζει το μαθηματικό – υπολογιστικό μοντέλο στο πραγματικό φυσικό μοντέλο, και μάλιστα σε σχεδόν πραγματικό χρόνο.

Εφαρμογές στη βιομηχανική παραγωγή

Η τεχνολογία των digital twins μπορεί να χρησιμοποιηθεί και να παρέχει σημαντικά οφέλη σε όλους τους τομείς της ανθρώπινης δραστηριότητας, λ.χ. στον αγροτοκτηνοτροφικό τομέα, στη ναυτιλία, στην αυτοκινητοβιομηχανία και στη βιομηχανική παραγωγή.

Οι δυνατότητες των ψηφιακών διδύμων μπορούν με την εφαρμογή τους να βελτιώσουν το σχεδιασμό, τη διαχείριση, τη συντήρηση, την ανάπτυξη και γενικά όλες τις βιομηχανικές δραστηριότητες σχετικά με προϊόντα, υπηρεσίες, εξοπλισμό, διαδικασίες και λειτουργίες καθώς επίσης και με τους ανθρώπινους πόρους.

Ενδεικτικές εφαρμογές είναι:

  • Ο σχεδιασμός νέων προϊόντων με βάση την «εμπειρία» όλων των εμπλεκομένων αλλά και τη βαθιά γνώση των ιδιοτήτων των προϊόντων.
  • Η διαχείριση των προϊόντων καθ’ όλη τη διάρκεια της ζωής τους (Product Lifecycle Management [PLM]).
  • Η πρόγνωση της εμφάνισης ζημιών σε παραγωγικό εξοπλισμό.
  • Η έγκυρη και έγκαιρη προληπτική συντήρηση εξοπλισμού.
  • Η διάγνωση αιτιών προβλημάτων στην παραγωγή.
  • Η ανάλυση της εργασιακής εμπειρίας.
  • Ο υπεραυτοματισμός (Hyperautomation) και η υποστήριξη της αυτοματοποίησης μέσω ρομπότ (Robotic Process Automation [RPA]).

Προκλήσεις

Οι πιο σημαντικές από τις προκλήσεις, όπως αυτές έχουν μελετηθεί και διατυπωθεί από το Ερευνητικό Εργαστήριο «Ηλεκτρονικού Αυτοματισμού, Τηλεματικής και Κυβερνοφυσικών Συστημάτων» (EATCPS Lab), είναι:

  1. Η διαλειτουργικότητα (interoperability).
  2. Ο σεβασμός στην τήρηση προτύπων (standardization).
  3. Η ανοικτότητα (openness).
  4. Η εκπαίδευση (training),
  5. Η εμπιστοσύνη στους ειδικούς (expertise).
  6. Η χρηματοδότηση (financing).
  7. Το να σκεφτόμαστε ως άνθρωποι κι όχι ως μηχανές (think human).

Έχοντας αυτές τις προκλήσεις υπόψη και καταβάλλοντας όλες τις απαραίτητες προσπάθειες προς τον ψηφιακό μετασχηματισμό, η βιομηχανική παραγωγή θα κατορθώσει να αυξήσει την προστιθέμενη αξία και να καταστεί ενεργό μέρος της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης.

*O δρ. Δημήτριος Πυρομάλης είναι επίκουρος καθηγητής του Τμήματος Μηχανικών Βιομηχανικής Σχεδίασης και Παραγωγής και Διευθυντής του Ερευνητικού Εργαστηρίου «Ηλεκτρονικού Αυτοματισμού, Τηλεματικής και Κυβερνοφυσικών Συστημάτων (EATCPS Lab)» του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής.

Ελέγξτε επίσης

Πάτρικ Σβάρτσκοπφ: Η ρομποτική στην πρώτη γραμμή μετά το τέλος της πανδημίας

Στις προκλήσεις και τις προοπτικές της βιομηχανίας ρομποτικής και αυτοματισμών αναφέρεται ο Πάτρικ Σβάρτσκοπφ, διευθυντής …