Digital twin – co to jest?

Wyobraź sobie fabrykę, która istnieje jednocześnie w dwóch światach – fizycznym i cyfrowym. Każda maszyna, każdy proces ma swojego wirtualnego sobowtóra, który pozwala testować zmiany, przewidywać awarie i optymalizować działanie bez najmniejszego ryzyka. Technologia cyfrowych bliźniaków przekracza granicę między rzeczywistością a przestrzenią wirtualną, tworząc dynamiczne wirtualne repliki obiektów i procesów, które rewolucjonizują sposób pracy w różnych branżach.

Z tego artykułu dowiesz się m.in.:

• Czym jest digital twin?
• Czym cyfrowy bliźniak różni się od wirtualnego bliźniaka?
• Jaka jest różnica między cyfrowym bliźniakiem a sztuczną inteligencją?
• Jakie są cechy digital twin?
• Jakie są rodzaje digital twin?
• Jakie są funkcje digital twin?

Najważniejsze informacje:

• Cyfrowy bliźniak to wirtualna replika fizycznych obiektów, procesów lub systemów, która aktualizuje się w czasie rzeczywistym dzięki danom z czujników IoT i pozwala na przeprowadzanie symulacji różnych scenariuszy bez ryzyka w świecie rzeczywistym.
• Cyfrowy bliźniak różni się od wirtualnego bliźniaka dynamicznością – podczas gdy wirtualny model jest statyczną reprezentacją, cyfrowy bliźniak nieustannie synchronizuje się z rzeczywistością poprzez dwukierunkową komunikację i danych w czasie rzeczywistym.
• Różnica między cyfrowym bliźniakiem a sztuczną inteligencją polega na tym, że cyfrowy bliźniak jest wirtualnym modelem reprezentującym konkretny fizyczny obiekt, natomiast AI stanowi technologię analityczną, która często działa jako “serce” systemu.
• Technologia charakteryzuje się dynamicznością, dwukierunkową komunikacją, funkcjami analitycznymi opartymi na podstawie danych oraz zdolnością do prowadzenia nieograniczonych symulacji w bezpiecznym wirtualnym środowisku.
• Wyróżniamy cztery rodzaje: bliźniaki komponentów, zasobów, systemów oraz procesów – każdy następny poziom obejmuje coraz większy szeroki zakres i złożoność integracji elementów w wirtualnej przestrzeni.
• Główne funkcje obejmują symulację i testowanie scenariuszy, monitorowanie i predykcyjne utrzymanie ruchu, optymalizację procesów produkcyjnych oraz zastosowania specjalistyczne w medycynie, inteligentnych miastach, produkcji i logistyce.

Digital twin – definicja

Cyfrowy bliźniak to zaawansowana technologia, która polega na tworzeniu wirtualnej repliki fizycznych obiektów, procesów, systemów lub usług. Wirtualny model odzwierciedla rzeczywiste procesy, maszyny lub systemy – może to być wirtualna kopia pojedynczych maszyn czy urządzeń, całych fabryk, skomplikowanych sieci energetycznych, a nawet konkretnego pacjenta w medycynie. Technologia cyfrowych bliźniaków stanowi pomost między rzeczywistością a wirtualnym środowiskiem, umożliwiając testowanie różnych scenariuszy i przewidywanie problemów bez ryzyka wprowadzania zmian w świecie rzeczywistym.

Digital twin (cyfrowy bliźniak) to dynamiczne odwzorowanie rzeczywistego obiektu lub procesu w przestrzeni wirtualnej, które jest na bieżąco aktualizowane dzięki ciągłej, dwustronnej komunikacji z fizycznym odpowiednikiem za pomocą danych w czasie rzeczywistym.

Definicja digital twin

Fundamentem technologii jest połączenie w czasie rzeczywistym i aktualizacja danych. Cyfrowy bliźniak pozostaje połączony z rzeczywistością za pomocą czujników i urządzeń Internetu Rzeczy, które systematycznie zbierają informacje o stanie fizycznego obiektu i całego procesu. W przeciwieństwie do statycznych modeli, cyfrowe bliźniaki są dynamiczne i nieustannie dostosowują się do zmian w otoczeniu. Stanowią wirtualne środowisko zdolne do samodzielnego przeprowadzania symulacji, co pozwala na analizowanie przeszłości, monitorowanie teraźniejszości i modelowanie różnych wersji dla danego towaru lub procesu produkcyjnego.

Zastosowanie cyfrowego bliźniaka opiera się na integracji wielu zaawansowanych rozwiązań technologii, w tym big data, sztucznej inteligencji, uczenia maszynowego oraz chmury obliczeniowej. Algorytmy AI i ML stanowią często serce systemu, umożliwiając analizę danych, przewidywanie i optymalizację rzeczywistości. Model cyfrowy składa się z trzech elementów: fizycznego obiektu lub systemu, cyfrowego modelu będącego wirtualną reprezentacją oraz połączenia zapewniającego dwukierunkowy przepływ danych pomiędzy nimi.

Głównym celem technologii jest umożliwienie testowania różnych scenariuszy, przewidywania problemów i optymalizacji procesów bez ryzyka wprowadzania zmian w realnym świecie. Cyfrowe bliźniaki umożliwiają lepsze podejmowanie decyzji biznesowych dzięki dostępowi do ogromnych ilości danych w czasie rzeczywistym. Globalny rynek osiągnął wartość 24,97 miliarda dolarów w 2024 roku^[1] i rozwija się w tempie przekraczającym oczekiwania analityków.

Idea nie jest nowa – podobną koncepcję zastosowano już w latach 60. XX wieku w projektach kosmicznych NASA podczas misji Apollo. Formalnie termin wprowadził dr Michael Grieves w 2002 roku, a określenie to ukuł John Vickers z NASA w 2010 roku. Rynek technologii cyfrowego bliźniaka rozwija się dynamicznie – według prognoz osiągnie wartość 259,32 miliarda dolarów do 2032 roku, co oznacza wzrost z poziomu 17,73 miliarda dolarów w 2024 roku^[2].

Czym cyfrowy bliźniak różni się od wirtualnego bliźniaka?

Wyobraźmy sobie, że mamy przed sobą dwie mapy tego samego miasta. Pierwsza to tradycyjna papierowa mapa – pokazuje ulice, budynki i sieci transportowe w jednym zastygłym momencie. Druga to aplikacja nawigacyjna w telefonie – również pokazuje miasto, ale dodatkowo informuje nas o korkach ulicznych, wypadkach, prognozuje czas dotarcia do celu i może nawet sugerować zmianę tras w czasie rzeczywistym. Ta różnica ilustruje różnicę między wirtualnym bliźniakiem a cyfrowym bliźniakiem.

Wirtualny bliźniak możemy porównać do tej papierowej mapy – jest to statyczna replika obiektu, zazwyczaj model 3D, który przedstawia stan w jednym momencie czasowym. Koncentruje się głównie na wizualnej reprezentacji i geometrii. Nie zawiera dynamicznych danych ani nie aktualizuje się na podstawie rzeczywistych zmian zachodzących w fizycznym obiekcie. Takie modele oparte są na założeniach projektowych i są przydatne na etapie projektowania, ale ich funkcjonalność kończy się na prezentacji wizualnej.

Cyfrowy bliźniak natomiast działa jak ta aplikacja nawigacyjna – jest dynamiczny i nieustannie aktualizuje się na podstawie danych zbieranych w czasie rzeczywistym z rzeczywistego odpowiednika za pomocą czujników i urządzeń Internetu Rzeczy. Ta zdolność do adaptacji czyni go niezwykle cennym w kontekście Przemysłu 4.0. Działa cyfrowy bliźniak poprzez dwukierunkową komunikację – nie tylko pobiera dane z czujników mierzących temperaturę, ruch czy ciśnienie, ale także dostarcza natychmiastowe informacje zwrotne i prognozy, które mogą być wykorzystane do sterowania lub optymalizacji działania fizycznego obiektu.

Celem cyfrowego bliźniaka jest optymalizacja, zarządzanie i analizowanie procesów w czasie rzeczywistym. Umożliwia on testowanie różnorodnych scenariuszy oraz przewidywanie problemów, takich jak awarie, jeszcze zanim wystąpią w świecie rzeczywistym. Dzięki temu można podejmować szybsze i lepsze decyzje biznesowe. Technologia ta łączy w sobie wiele nowoczesnych rozwiązań: Internet Rzeczy do zbierania danych, big data do przechowywania i analizy danych w ogromnych ilościach oraz sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe do automatyzacji analizy danych, przewidywania wyników i formułowania zaleceń.

Wirtualna replika może być częścią składową cyfrowego bliźniaka, ale sama w sobie nie stanowi pełnoprawnej technologii digital twin. Różnica polega na tym, że cyfrowy bliźniak to system dynamiczny, w którym wirtualna kopia jest nieustannie połączona i synchronizowana z fizycznym odpowiednikiem za pomocą danych w czasie rzeczywistym. To właśnie ta ciągła synchronizacja i zdolność do analizy predykcyjnej odróżnia cyfrowego bliźniaka od prostego modelu wirtualnego. Technologia ma kluczowe znaczenie dla transformacji cyfrowej w różnych branżach, od firmach produkcyjnych po opiekę zdrowotną.

Jaka jest różnica między cyfrowym bliźniakiem a sztuczną inteligencją?

Często słyszymy o cyfrowych bliźniakach i sztucznej inteligencji w tym samym kontekście, co może prowadzić do mylnego wniosku, że to ta sama technologia. W rzeczywistości mamy do czynienia z dwoma odrębnymi rozwiązaniami, które jednak doskonale się uzupełniają – cyfrowy bliźniak jest wirtualnym modelem reprezentującym konkretny fizyczny obiekt lub proces, natomiast sztuczna inteligencja jest technologią analityczną stanowiącą “serce” systemu digital twin.

Synergię obu technologii najlepiej zobrazować porównaniem: cyfrowy bliźniak to zaawansowane, wirtualne laboratorium, natomiast sztuczna inteligencja to naukowiec z niezwykłymi zdolnościami analitycznymi, który w tym laboratorium pracuje. AI pełni rolę silnika analitycznego i predykcyjnego – to ona umożliwia bliźniakowi nie tylko odtwarzanie rzeczywistości, ale także jej analizowanie, przewidywanie i optymalizowanie. Algorytmy uczenia maszynowego pozwalają na identyfikację potencjalnych usterek jeszcze zanim się pojawią, przewidywanie awarii maszyn czy prognozowanie zużycia energii w inteligentnych miastach.

Bez sztucznej inteligencji cyfrowy bliźniak byłby jedynie dynamicznym modelem 3D – statycznym obrazem rzeczywistości w wirtualnym środowisku. Dzięki AI staje się proaktywnym systemem zdolnym do przewidywania przyszłości, wykrywania anomalii, uzupełniania braków w danych i normalizowania formatów. Cyfrowe bliźniaki mogą również generować dane syntetyczne, które są następnie wykorzystywane do trenowania i ulepszania modeli sztucznej inteligencji. Ta wzajemna relacja sprawia, że obie technologie razem tworzą potężne narzędzie transformacji cyfrowej, umożliwiając zapobieganie błędom i osiąganie lepszych decyzji operacyjnych w różnych branżach.

Jakie są cechy digital twin?

Technologia cyfrowego bliźniaka wyróżnia się szeregiem charakterystycznych właściwości, które sprawiają, że stanowi ona fundament czwartej rewolucji przemysłowej i znajduje zastosowania w różnych branżach.

Dynamiczność i aktualizacja w czasie rzeczywistym

Cyfrowe bliźniaki są żywymi, dynamicznymi systemami, które na bieżąco dostosowują się do zmian w otoczeniu i danych. Wirtualna replika jest nieustannie aktualizowana na podstawie danych w czasie rzeczywistym zbieranych z fizycznego odpowiednika, co zapewnia aktualny wgląd w postępy, stan i wydajność monitorowanego obiektu lub procesu produkcyjnego.

Dwukierunkowa komunikacja

Technologia zaprojektowana z uwzględnieniem dwukierunkowego przepływu danych między modelem cyfrowym a obiektem źródłowym stanowi podstawę ciągłej synchronizacji. Dane płyną nie tylko z czujników do modelu wirtualnego w przestrzeni wirtualnej, ale także wnioski i optymalizacje mogą być przesyłane z powrotem do rzeczywistego systemu, umożliwiając zdalne monitorowanie i kontrolę.

Wirtualne środowisko symulacyjne

Cyfrowy bliźniak jest wirtualnym środowiskiem, które może samodzielnie przeprowadzać dowolną liczbę symulacji w celu zbadania zachodzących procesów. W przeciwieństwie do tradycyjnych, statycznych modeli 3D, technologia ta jest interaktywna i pozwala na testowanie nowych rozwiązań bez ryzyka wprowadzania ich do realnego świata lub przerywania rzeczywistych procesów produkcyjnych.

Integracja z IoT i czujnikami

Urządzenia IoT i czujniki stanowią “oczy i uszy” cyfrowego bliźniaka. Zbierają dane z fizycznego obiektu w czasie rzeczywistym, dotyczące parametrów takich jak temperatura, ruch, wibracje czy ciśnienie. Ta ciągła wymiana informacji na podstawie danych z czujników umożliwia precyzyjne odzwierciedlenie stanu rzeczywistego odpowiednika i ich systemów.

Algorytmy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego

Wsparcie analizy danych, przewidywanie wyników, identyfikacja wzorców i formułowanie zaleceń to zadania realizowane przez algorytmy AI i ML. Te zaawansowane technologie stanowią “mózg” systemu, umożliwiając nie tylko odtwarzanie, ale także analizowanie i przewidywanie rzeczywistości w oparciu o modelach matematycznych i uczenia maszynowego.

Analityka predykcyjna

Cyfrowy bliźniak jest w stanie przewidywać potencjalne problemy, awarie, przestoje lub przyszłe stany zdrowotne na podstawie analizy danych zebranych z czujników. Ta zdolność do analizy predykcyjnej pozwala na proaktywne podejmowanie decyzji i planowanie konserwacji w optymalnych momentach, co znacząco obniża koszty utrzymania infrastruktury i przyczynia się do oszczędności kosztów.

Generowanie danych syntetycznych

Technologia potrafi generować dane syntetyczne, które są wykorzystywane do trenowania modeli sztucznej inteligencji. Prowadzi to do bardziej precyzyjnych algorytmów i usprawnia procesy uczenia maszynowego w różnych branżach, od motoryzacji po opiekę zdrowotną, umożliwiając poprawę wydajności całego procesu.

Jakie są rodzaje digital twin?

Technologia cyfrowego bliźniaka klasyfikowana jest na różnych poziomach, w zależności od zakresu fizycznego obiektu, procesu lub systemu odwzorowanego w środowisku wirtualnym.

Bliźniaki komponentów

Reprezentują cyfrowego bliźniaka pojedynczego komponentu z całego systemu. Dotyczy zarówno podstawowych części, które mają bezpośredni wpływ na wydajność i funkcjonalność, jak i mniejszych podzespołów narażonych na przeciążenia. Skupiają się na stabilności i trwałości konkretnych części maszyny lub urządzenia w procesie produkcji.

Bliźniaki zasobów

Są złożone z minimum dwóch współpracujących ze sobą komponentów. Opisują, w jaki sposób poszczególne komponenty współdziałają w ramach większej całości. Umożliwiają eksplorację całego systemu i poznanie możliwych ulepszeń bez ingerencji w realny fizyczny obiekt, zmniejszając czas między awarią a czasem naprawy i wspierając poprawę wydajności.

Bliźniaki systemów

Łączą ze sobą pojedyncze bliźniaki zasobów, pozwalając sprawdzić, jak te połączone zasoby ze sobą współpracują. Przykładem może być cała fabryka samolotów, gdzie system gromadzi wszystkie jednostki niezbędne do produkcji części, dążąc do poprawy współpracy między komponentami w celu maksymalizacji wydajności przy minimalnym zużyciu materiałów i oszczędności czasu.

Bliźniaki procesów

Reprezentują kompletne zakłady produkcyjne, dając wgląd w sposób, w jaki systemy współpracują ze sobą w pełnym cyklu całego procesu. Obejmują wszystkie urządzenia, które biorą udział w danym procesie produkcyjnym. Nadzorują całą złożoność, aby upewnić się, że wszystkie komponenty spełniają swoje zadania w ramach procesu najbardziej funkcjonalnego i efektywnego.

Jakie są funkcje digital twin?

Jedną z najważniejszych funkcji jest symulacja i testowanie scenariuszy w bezpiecznym wirtualnym środowisku. Cyfrowe bliźniaki pozwalają na testowanie różnorodnych scenariuszy, optymalizowanie procesów produkcyjnych i wprowadzanie innowacji bez ryzyka zakłócenia realnych operacji. Umożliwiają analizowanie hipotetycznych sytuacji i przewidywanie, jak zmiany wpłyną na działanie systemu. Firmy mogą tworzyć i udoskonalać prototypy produktów w wirtualnej przestrzeni, zanim zdecydują się na fizyczną produkcję, co eliminuje potrzebę tworzenia kosztownych fizycznych prototypów i skraca czas na etapie projektowania, przynosząc oszczędność czasu i kosztów operacyjnych.

Monitorowanie i predykcyjne utrzymanie ruchu stanowi kolejną istotną funkcję technologii. Cyfrowe bliźniaki stale zbierają dane z czujników IoT w czasie rzeczywistym, co umożliwia ciągłą diagnostykę i proaktywne zarządzanie. Identyfikacja potencjalnych usterek i problemów na długo przed ich wystąpieniem pozwala unikać kosztownych przerw w produkcji. Planowanie konserwacji w optymalnych momentach minimalizuje przestoje i obniża koszty utrzymania infrastruktury. Według szacunków, zastosowanie cyfrowego bliźniaka w produkcji może zwiększyć efektywność operacyjną nawet o 25%^[3], co przekłada się na znaczną oszczędność kosztów.

Optymalizacja i efektywność procesów to obszar, w którym technologia cyfrowego bliźniaka wykazuje szczególną wartość dla Przemysłu 4.0. Analiza danych pozwala na optymalizację wykorzystania zasobów, zużycia energii i identyfikację wąskich gardeł w przepływie pracy. Pomaga osiągać i utrzymywać maksymalną wydajność w całym procesie produkcyjnym oraz zapewnia spójność w produkcji masowej. Poprzez testowanie w wirtualnym środowisku i przewidywanie problemów przyczynia się do oszczędności czasu i pieniędzy oraz redukcji marnotrawstwa surowców, co obniża koszty całego procesu.

W medycynie i opiece zdrowotnej cyfrowy bliźniak pacjenta, będący modelem odzwierciedlającym stan zdrowia danej osoby, ma potencjał zrewolucjonizowania diagnostyki i leczenia. Umożliwia prognozowanie ryzyka chorób, reakcji na terapię oraz dostosowanie leczenia do indywidualnych potrzeb pacjenta. Rynek cyfrowych bliźniaków w opiece zdrowotnej osiągnął wartość 902,63 miliona dolarów w 2024 roku i przewiduje się jego wzrost do 9,05 miliarda dolarów do 2034 roku[4], co oznacza tempo wzrostu na poziomie 25,92% rocznie^[4], potwierdzając kluczowe znaczenie tej technologii dla przyszłości medycyny.

W inteligentnych miastach i budownictwie cyfrowy bliźniak miasta pomaga w monitorowaniu ruchu ulicznego, optymalizacji zużycia zasobów i identyfikacji awarii w sieciach energetycznych. Umożliwia prowadzenie złożonych symulacji skutków decyzji urbanistycznych oraz służy jako platforma do symulacji reagowania na warunki nadzwyczajne. W produkcji i logistyce bliźniaki są niezbędne dla zarządzania łańcuchem dostaw, optymalizacji procesów logistycznych i zarządzania magazynem, pozwalając stworzyć cyfrową kopię całego łańcucha dostaw.

Wdrożenie technologii cyfrowego bliźniaka przynosi rezultaty przekraczające oczekiwania. Redukcja nieplanowanych przestojów, optymalizacja zużycia energii oraz możliwość testowania nowych rozwiązań bez przerywania produkcji to tylko niektóre korzyści.

Michał Włodarczyk, Head of Customer Success