Digital twin technology – co to jest i na czym polega?

W erze Przemysłu 4.0 przedsiębiorstwa szukają sposobów na poprawę wydajności, redukcję kosztów operacyjnych i przewidywanie problemów zanim jeszcze się pojawią. Technologia digital twin odpowiada na te potrzeby, oferując rozwiązanie łączące świat fizyczny z cyfrowym w sposób, który jeszcze dekadę temu wydawał się science fiction.

Z tego artykułu dowiesz się m.in.:

• Czym jest technologia digital twin?
• Co składa się na technologię digital twin?
• Jak działa technologia digital twin?
• Jakie są korzyści z technologii digital twin?

Najważniejsze informacje:

• Technologia digital twin to zaawansowane rozwiązanie polegające na tworzeniu wirtualnej repliki fizycznych obiektów, procesów lub systemów, która działa w czasie rzeczywistym i umożliwia symulację, analizę oraz optymalizację bez ryzyka wprowadzania zmian w świecie rzeczywistym.
• Na technologię składają się: fizyczny obiekt, elementy gromadzenia danych (czujniki IoT), wirtualna reprezentacja (model cyfrowy), platforma analityczna z algorytmami AI i ML, chmura obliczeniowa oraz interfejs użytkownika zapewniający dwukierunkową komunikację między światem fizycznym a cyfrowym.
• Technologia działa poprzez ciągłe zbieranie danych w czasie rzeczywistym z czujników zamontowanych na fizycznym obiekcie, przesyłanie ich do systemu przetwarzającego z algorytmami sztucznej inteligencji, który analizuje dane, przewiduje problemy i generuje rekomendacje zwrotnie do rzeczywistego systemu.
• Korzyści obejmują optymalizację i efektywność procesów, zarządzanie ryzykiem i konserwację predykcyjną, personalizację leczenia w medycynie, zwiększenie wydajności produkcji, optymalizację infrastruktury miejskiej i energetycznej oraz możliwość wirtualnego prototypowania i testowania nowych produktów bez tworzenia fizycznych prototypów.

Digital twin technology – definicja

Technologia cyfrowego bliźniaka to zaawansowane rozwiązanie, które polega na tworzeniu wirtualnej repliki fizycznych obiektów, procesów, systemów lub usług. Reprezentuje połączenie fizycznego obiektu z jego cyfrowym odwzorowaniem w przestrzeni wirtualnej. Jest to wirtualna kopia procesu, maszyny, magazynu, budowli, a nawet całego miasta lub pacjenta – zaawansowany model komputerowy, który dokładnie odzwierciedla stan, zachowanie i funkcjonowanie swojego rzeczywistego odpowiednika na podstawie danych zbieranych w czasie rzeczywistym. Globalny rynek tej technologii osiągnął wartość 19,80 miliarda dolarów w 2024 roku i według prognoz wzrośnie do 471,11 miliarda dolarów do 2034 roku, co oznacza tempo wzrostu na poziomie 37,29% rocznie^[1].

Technologia digital twin to dynamiczny system łączący rzeczywisty fizyczny obiekt z jego wirtualną repliką poprzez przetwarzanie danych w czasie rzeczywistym, umożliwiający symulację, analizę i optymalizację bez ryzyka wprowadzania zmian w świecie rzeczywistym.

Definicja technologii digital twin

Pomysł na zastosowanie digital twin sięga lat 60. XX wieku, kiedy inżynierowie NASA tworzyli naziemne kopie statków kosmicznych na potrzeby misji Apollo. Formalnie technologia cyfrowych bliźniaków została wprowadzona przez dr. Michaela Grievesa w 2002 roku, a określenie ukuł John Vickers z NASA w 2010 roku. Obecnie stanowi główny element czwartej rewolucji przemysłowej, integrując fizyczne zasoby z cyfrowymi możliwościami analizy i prognozowania w różnych branżach.

W kontekście struktury, cyfrowy bliźniak składa się z fizycznego obiektu, cyfrowego modelu stanowiącego wirtualną reprezentację, połączenia między nimi zapewniającego dwukierunkowy przepływ danych, urządzeń IoT i czujników zbierających dane, platformy analitycznej z algorytmami AI i ML oraz interfejsu użytkownika do wizualizacji i interakcji. Sektor produkcji przemysłowej stanowił 31% globalnego rynku cyfrowego bliźniaka w 2024 roku^[2], będąc największym segmentem zastosowań tej technologii w firmach produkcyjnych.

Co składa się na technologię digital twin?

Technologię cyfrowego bliźniaka można wyobrażać sobie jak orkiestrę – każdy instrument odgrywa własną rolę, ale dopiero wspólne brzmienie tworzy harmonijną kompozycję umożliwiającą analizowanie i optymalizację całego procesu:

Fizyczny obiekt

Fundamentem technologii jest fizyczny obiekt będący odpowiednikiem rzeczywistym. Obiektem tym może być pojedyncza maszyna, urządzenie czy komponent, taki jak silnik rakietowy lub turbina. Może to być również cały proces lub system, na przykład linia produkcyjna, łańcuch dostaw czy zarządzanie magazynem. W szerszej skali są to duże zasoby lub infrastruktura – budynek, cała fabryka, flota pojazdów, inteligentne miasto czy sieci energetyczne. W kontekście medycznym obiektem jest pacjent, jego stan zdrowia, organy lub tkanki w opiece zdrowotnej.

Gromadzenie danych

Elementy gromadzenia danych stanowią oczy i uszy cyfrowego bliźniaka. Aby model cyfrowy był dynamiczny i odzwierciedlał stan rzeczywisty w czasie rzeczywistym, musi być stale zasilany danymi. Urządzenia IoT i czujniki systematycznie zbierają rzeczywiste dane z fizycznych obiektów i środowisk, mierząc parametry takie jak temperatura, ruch, wibracje, ciśnienie, zużycie energii czy poziom spalania. Cyfrowy bliźniak łączy danych w czasie rzeczywistym z danymi historycznymi. W medycynie są to dane kliniczne, wyniki badań, obrazowanie, dane genetyczne oraz informacje o stylu życia i środowisku. W budownictwie gromadzone są dane z czujników IoT, LiDAR, plików BIM oraz danych GIS.

Wirtualna reprezentacja

Wirtualna reprezentacja stanowi replikę fizycznego obiektu w wirtualnej przestrzeni, tworzoną za pomocą zaawansowanych narzędzi modelowania i symulacji. Cyfrowy model to wirtualna kopia, która odzwierciedla atrybuty, stan i zachowanie fizycznego systemu. W przeciwieństwie do statycznego modelu, cyfrowy bliźniak jest dynamiczny i stale dostosowuje się do zmian w otoczeniu i danych napływających z rzeczywistego odpowiednika, umożliwiając ich działanie w synchronizacji.

Platforma analityczna i przetwarzająca

Platforma analityczna i przetwarzająca to “mózg” systemu, który analizuje dane i pozwala na podejmowanie decyzji. System do monitorowania, symulacji i optymalizacji działania systemu opiera się na technologiach big data wspierających przechowywanie, przetwarzanie i analizę ogromnych ilości danych.

Algorytmy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego

Algorytmy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego są niezbędne, ponieważ umożliwiają automatyzację procesów analitycznych, przewidywanie wyników, identyfikację wzorców, prognozowanie problemów oraz formułowanie zaleceń. AI jest często określana jako serce systemu digital twin, umożliwiające nie tylko odtwarzanie, ale także analizowanie, przewidywanie i optymalizowanie rzeczywistości na podstawie danych. Chmura obliczeniowa zapewnia bezpieczne przechowywanie danych oraz płynny dostęp i zarządzanie ogromnymi ilościami informacji.

Połączenie i interakcja

Połączenie i interakcja to element odróżniający cyfrowego bliźniaka od statycznej symulacji. System musi zapewniać dwukierunkową komunikację między światem fizycznym a cyfrowym. Dane z czujników są przesyłane do modelu cyfrowego, a wnioski i ulepszenia wygenerowane przez model mogą być przeniesione z powrotem na fizyczny obiekt, umożliwiając zdalne monitorowanie i kontrolę. Interfejs użytkownika daje użytkownikom dostęp do danych i pozwala zarządzać wirtualną kopią fizycznego obiektu. Technologie rozszerzonej rzeczywistości są wykorzystywane do tworzenia wciągających wizualizacji i umożliwiają inżynierom oraz operatorom intuicyjną oraz interaktywną pracę z modelem cyfrowym w wirtualnym środowisku.

Jak działa technologia digital twin?

Proces zaczyna się od obiektu fizycznego – rzeczywistego systemu, maszyny, produktu, linii produkcyjnej, budynku, a nawet całego pacjenta w medycynie. Obiekty te są wyposażone w czujniki i urządzenia IoT, które stanowią oczy i uszy cyfrowego bliźniaka. Czujniki na fizycznym obiekcie systematycznie i w czasie rzeczywistym zbierają surowe informacje o jego stanie, wydajności i zachowaniu. Mierzą one parametry takie jak temperatura, ciśnienie, ruch, wibracje oraz zużycie energii. Te dane są następnie przesyłane do środowiska wirtualnego, co tworzy lustrzane odbicie fizycznego zasobu – replikę odzwierciedlającą jego aktualne atrybuty w czasie rzeczywistym.

Cyfrowy model stanowi dynamiczne odwzorowanie rzeczywistego obiektu lub procesu, tworzone za pomocą zaawansowanych narzędzi modelowania, symulacji i systemów wspomagania projektowania. W przeciwieństwie do statycznego modelu 3D, cyfrowy bliźniak jest dynamiczny i nieustannie dostosowuje się do zmian w otoczeniu i danych. To odróżnia go od prostej wizualizacji – cyfrowy bliźniak “żyje” i zmienia się wraz z rzeczywistym obiektem, umożliwiając analizowanie jego działania na podstawie danych zbieranych na bieżąco.

Platforma analityczna wraz z algorytmami AI i ML stanowi inteligentną warstwę technologii. Zebrane dane są natychmiast analizowane przez systemy przetwarzające. Algorytmy sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego umożliwiają interpretację danych, identyfikację wzorców, przewidywanie wyników, optymalizację procesów oraz formułowanie zaleceń. W kontekście inteligentnych miastach AI pełni rolę “kuratora danych”, wykrywając anomalie, uzupełniając braki i normalizując formaty informacji napływających z różnych źródeł, co ma kluczowe znaczenie dla prawidłowego działania systemu.

Ciągła synchronizacja i informacja zwrotna zapewniają dwukierunkową komunikację między modelem cyfrowym a fizycznym obiektem. Cyfrowy bliźniak jest na bieżąco aktualizowany, zapewniając dynamikę i responsywność relacji między światem wirtualnym a fizycznym. Informacje zwrotne generowane w wirtualnym środowisku mogą być użyte do sterowania lub sugerowania poprawek w rzeczywistym świecie. To właśnie ta zamknięta pętla informacyjna nadaje technologii prawdziwą moc transformacyjną, umożliwiając optymalizację całego procesu.

Działanie cyfrowego bliźniaka obejmuje zazwyczaj cały cykl życia obiektu:

• W fazie projektowej tworzy się bliźniaka dla prototypu lub koncepcji w celu przetestowania i udoskonalenia projektu przed fizyczną produkcją, eliminując potrzebę kosztownych fizycznych prototypów i pozwalając na oszczędność czasu na etapie projektowania.
• Podczas fazy produkcyjnej następuje monitorowanie i optymalizacja procesów produkcyjnych, kontrola jakości i przewidywanie awarii maszyn w czasie rzeczywistym.
• W fazie użytkowania i konserwacji technologia umożliwia ciągłe monitorowanie stanu obiektu, zarządzanie jego wydajnością i planowanie konserwacji predykcyjnej.
• Na końcu cyklu życia pomaga w podejmowaniu decyzji, co zrobić z produktem, który dobiega końca, w tym identyfikacja wartościowych materiałów do recyklingu.

Jakie są korzyści z technologii digital twin?

Technologia cyfrowego bliźniaka oferuje szeroki zakres korzyści w wielu sektorach, wynikających przede wszystkim z możliwości dokładnego wirtualnego modelowania, przeprowadzania symulacji i analizy danych w czasie rzeczywistym. Sektor małych i średnich przedsiębiorstw przewiduje się, że będzie rósł w najszybszym tempie w nadchodzących latach^[3], co pokazuje rosnącą dostępność i adaptację technologii w różnych branżach.

Michał Włodarczyk, Head of Customer Success

Optymalizacja i efektywność procesów stanowi główną korzyść z wdrożenia cyfrowego bliźniaka. Technologia zapewnia znaczącą poprawę wydajności operacyjnej oraz procesów produkcyjnych. Umożliwia lepsze zrozumienie funkcjonowania produktów lub systemów. Dzięki analizie danych generowanych w czasie rzeczywistym można zidentyfikować i wyeliminować nieefektywności, w tym wąskie gardła w procesie.

Zarządzanie ryzykiem i konserwacja predykcyjna to obszar, w którym cyfrowy bliźniak wykazuje wyjątkową wartość. Technologia umożliwia analizę predykcyjną na podstawie danych rzeczywistych, co pozwala na przewidywanie awarii, przestojów i potencjalnych usterek maszyn jeszcze zanim wystąpią.

W medycynie i opiece zdrowotnej cyfrowy bliźniak pacjenta ma potencjał, aby zrewolucjonizować diagnostykę i leczenie. Umożliwia realizację medycyny precyzyjnej, personalizację terapii dostosowanej do indywidualnych potrzeb pacjenta, maksymalizując jej skuteczność przy minimalizacji negatywnego wpływu na zdrowie. Według danych, 66% profesjonalistów z sektora opieki zdrowotnej oczekuje wzrostu inwestycji w technologię cyfrowych bliźniaków^[4], co podkreśla rosnące znaczenie tej technologii w medycynie.

W przemyśle i produkcji cyfrowy bliźniak jest elementem strategii Przemysłu 4.0. Pozwala osiągać i utrzymywać maksymalną wydajność w całym procesie produkcji. Pomaga zapewnić spójność w produkcji masowej, dzięki czemu produkt końcowy jest zawsze zgodny ze specyfikacjami.

W inteligentnych miastach, budownictwie i energetyce technologia ma ogromne znaczenie dla zarządzania złożoną infrastrukturą. Umożliwia prowadzenie złożonych symulacji skutków decyzji urbanistycznych przed ich realizacją. Wspiera zarządzanie infrastrukturą miejską, monitorowanie ruchu ulicznego i optymalizację zużycia zasobów. Pozwala na analizę emisji gazów cieplarnianych, monitorowanie jakości powietrza, ocenę bilansu energetycznego i efektywności gospodarowania wodą.