Digitální dvojčata závisí na kvalitě dat

Při značném zjednodušení představují digitální dvojčata digitální reprezentaci konkrétního aktiva nebo procesu. V ideálním případě fungují či reagují na podněty v reálném čase. Digitální dvojčata lze definovat také jako rozšířenou aplikaci simulací a vizualizací v prostředí digitálně transformované organizace. Právě na poslední uvedený aspekt kladou analytici společnosti IDC velký důraz. Bez digitální transformace bude nasazení digitálních dvojčat obtížné, až nemožné. Vyžadují totiž přesná data, která umí zpracovávat v reálném čase, a jsou také efektivnější, pokud mohou čerpat obsah z jiných systémů. V ideálním případě pracují multidisciplinárně a multioborově.

Samotné digitální dvojče v sobě propojuje tři hlavní části. První představuje fyzické aktivum nebo proces v reálném prostředí. Druhá má podobu virtuálního aktiva nebo procesu ve virtuálním prostředí. A třetí částí je propojený datový model, jenž oba světy propojuje.

„Digitální dvojče je velmi široký pojem a ne všichni jej chápou stejně. Někdo má na mysli digitální sken soustruhu a někdo jiný on-line zrcadlový obraz celé výrobní jednotky v kybernetickém prostoru a se sběrem dat v reálném čase. Oboje je digital twin,“ vysvětluje Michal Major, plant director ve společnosti Whirlpool EMEA.

Technické provedení

Pro bližší představu si připomeňme, že digitální dvojče nelze koupit. Musí být vybudováno pomocí metod a řešení, jež integrují a modelují různé datové vstupy. Ty by měly být obohacené v rámci kontextu a struktur, jež definují potřeby a požadavky byznysu. „Digitální dvojčata nejsou výrazně náročná na interní zdroje při vytváření, udržování a rozvoji. Platí to zejména v oblasti výzkumu a vývoje,“ říká Jan Burian, ředitel IDC Manufacturing Insights, a dodává: „Je důležité správně nadefinovat potřebu, kde digitální dvojče přinese požadovaný benefit. To bývá často v technickém úseku, v údržbě nebo v již zmiňovaném výzkumu a vývoji.“

Prakticky digitální dvojčata agregují a analyzují data o aktuálním stavu aktiv nebo procesů a umožňují návrh a posouzení různých variant plánovaných nebo žádoucích stavů. Technologicky je pohání řada vzájemně se doplňujících nástrojů a řešení. Jde především o zástupce rodiny produktů CAD/CAM/CAE (Computer Aided Design, Manufacturing, Engineering), vizualizační aplikace, informační systémy PLM (Product Lifecycle Management), ERP (Enterprise Resource Planning), ALM (Application Lifecycle Management), EAM (Enterprise Asset Management), analytické programy, instalace internetu věcí nebo platformy umělé inteligence a strojového učení. Není od věci o digitálních dvojčatech uvažovat hierarchicky. Vrchol tvoří aktivum nebo produkt, základna sestává z procesů, informačních zdrojů, modelů, přičemž každý je sám o sobě digitálním dvojčetem.

„Digitální dvojčata jsou při plném nasazení integrální součásti firemního řešení PLM, což znamená, že slouží napříč celým životním cyklem výrobku a příslušného výrobního systému. Digitální dvojče poskytuje rychlé a spolehlivé informace o tom, jak byl daný produkt navržen, vyroben, provozován a servisován,“ říká František Podzimek, ředitel oddělení Digitální podnik Siemens Digital Industries ve společnosti Siemens. „Z povahy věci digitální dvojče integruje celou řadu podnikových systémů a propojuje do jednoho uceleného celku doposud roztříštěné zdroje dat. Vzniká tak unikátní znalostní báze potřebná pro efektivní spolupráci ve firmě. Schopnost věrné simulace chování produktu na straně jedné a vyhodnocení dat z jeho reálného provozu na straně druhé pak umožňují nasadit do praxe postupy jako virtuální prototypování, virtuální realizace pokročilých experimentů, nahrazování reálných senzorů v produktu virtuálními senzory, včasná diagnostika a identifikace chyb, predikce chování či optimalizace produktu,“ dodává Podzimek.

Jakkoliv úspěšně nacházejí digitální dvojčata uplatnění v průmyslu, rozhodně nejde o jejich jedinou doménu. Úspěšně se etablují také v utilitách, ve stavebnictví nebo ve správě měst.

Digitální vlákna jako základ

V teorii i praxi digitálních dvojčat hraje důležitou roli digitální vlákno. Jde o integrované nebo namapované kolekce dat, jež přísluší konkrétnímu aktivu nebo procesu. Reprezentují jediný zdroj pravdy o dané entitě. Tím eliminují případné redundance a nekonzistence a naopak zvyšují přesnost a dostupnost. Jejich data musí mít kontext a strukturu. Dané aktivum nebo proces doprovázejí po celý životní cyklus. A samozřejmě přestavují klíčový datový vstup do příslušného digitálního dvojčete. To je na digitálních vláknech v podstatě existenčně závislé. Lze odtušit, že nedostupná, nepřesná nebo nerelevantní data digitální dvojče odsuzují k neúspěchu a selhání.

Digitální vlákna i digitální dvojčata mohou sloužit a běžně slouží analytickým účelům. Parametr, ve kterém se v tomto ohledu zásadně odlišují, má podobu komplexnosti. Analýzy digitálních dvojčat mohou podávat podstatně širší vysvětlení jevů či důvodů a hodnotit dopady a důsledky změn či stavů v celém procesním řetězci. Rozbory nad digitálními vlákny obvykle nepřekročí své relativně úzké vymezení. Digitální dvojčata tedy sjednocují doposud izolované analytické modely a přístupy. Právě v tom spočítá jejich hlavní přínos.

Různé varianty nasazení

Digitální dvojčata lze nasadit a využívat napříč celou organizací. V nejjednodušší podobě poslouží pro účely digitální vizualizace. Nad digitálními modely řešení nebo procesů může probíhat mnohem efektivnější spolupráce, do níž se mohou zapojit zákazníci či dodavatelé. Asistovat mohou především v oblasti zpřesňování představ o konkrétní podobě finálního nebo už provozovaného řešení, případně při úvahách o možnostech inovací stávajících produktů a procesů.

Mírně pokročilejší formu nasazení a využití digitálních dvojčat označují analytici společnosti IDC termínem digitální vývoj. Reprezentuje jednu z možných cest, jak uchopit interní návrh a vývoj v podstatě čehokoliv. Aplikovat ji lze na výrobu, služby i údržbu.

Náročnější varianta nasazení digitálních dvojčat nese označení podnik digitálních dvojčat. Ta jsou v rámci organizace aplikována a využívána plošně, zaměřují se na otázky interní vizibility a spolupráce.

Dynamický náboj a širokou spolupráci nabízí další varianta zvaná ekosystém digitálních dvojčat. Pro ni je příznačné, že v reálném čase zpracovává data o produktech, aktivech a navrhuje potenciální vylepšení. Komunikaci či vhled navíc rozšiřuje i na zákazníky, partnery a dodavatele.

Vrcholnou formu praktického nasazení digitálních dvojčat představuje etapa či varianta s názvem orchestrace. K aspektu reálného času přidává navíc podporu rozhodování napříč celou sítí vzájemně provázaných a doplňujících se instancí digitálních dvojčat. Záběr této varianty se už neomezuje na dílčí produkty, aktiva nebo procesy. Zahrnuje celé produkční linky a továrny.

„Koncoví uživatelé si běžně nechávají vytvořit digitální dvojče svojí výroby od specializovaných konzultačně-inženýrských firem na klíč. Používá se zde typicky kombinace 3D skenování výroby, modelování a simulace vybraných scénářů. Nároky na koncového uživatele jsou v tomto případě minimální,“ říká František Podzimek ze společnosti Siemens a dodává: „Pokud se management rozhodne začít využívat digitální dvojče v širším měřítku, přistupuje firma k nákupu či pronájmu licencí příslušného softwaru a vyškolení menšího týmu vlastních pracovníků. V případě pořizování nových technologií do výroby pak dává smysl požadovat dodání digitálního dvojčete přímo od jejich dodavatele či integrátora.“

Benefity digitálních dvojčat

Různě velké firmy z různých odvětví budou s implementací digitálních dvojčat začínat v různých situacích. Shodnou se ale na podobě cíle − jasné komunikaci, rychlé spolupráci, holistické vizibilitě, přesné a efektivní reakci na změny či požadavky nebo prediktivních a proaktivních zásazích. Uživateli digitálních dvojčat jsou obvykle členové výzkumných a vývojových pracovišť nebo inženýrské týmy. Odběrateli výstupů se ale stávají všechny domény podniku od managementu přes výrobu, administrativu, obchod, zásobování až po podporu.

„Digitální dvojčata šetří čas, peníze a vedou k lepším výsledkům a vyšší kvalitě. Ve virtuálním prostředí lze levně a spolehlivě experimentovat, pomocí umělé inteligence lze generovat a simulovat tisíce variant při hledání optima,“ dodává František Podzimek ze společnosti Siemens.

K čemu digitální dvojčata obecně slouží? Podle konzultantů společnosti McKinsey významně přispívají ke zlepšování a zdokonalování predikcí budoucího stavu nebo vývoje. Dokážou pracovat s řadou scénářů, vyhodnocovat je a upravovat. Díky komplexnímu sledování výkonnosti mohou odhalovat oblasti ke zlepšení a identifikovat potenciální inovace. Nabízejí jedinečný vhled do světa závislostí a vazeb mezi aktivy. Díky této vizibilitě se organizace vyvarují případných chybných zásahů do provozního nastavení nebo konfigurace produktů.

K vedlejším efektům nasazení digitálních dvojčat patří mimo jiné i konsolidace a zkvalitnění datové základny. Bez ní by v podstatě nemohla pracovat. Organizace často při implementaci přistupují ke změnám metodik pro sběr dat a jejich analytické využití. „Spojujeme systémy, které nám umožňují on-line sběr dat, jejich vyhodnocení a předcházení možným ztrátám,“ říká Michal Major ze společnosti Whirlpool a dodává: „Naše další využití digitálních dvojčat má podobu řízení logistických činností a prioritizace nasazení logistické flotily.“

Digitální dvojče poskytuje rychlé a spolehlivé informace o tom, jak byl daný produkt navržen, vyroben, provozován a servisován.

Foto: Siemens

Digitální dvojčata urychlují přípravu nových produktů a služeb, zkracují čas uvedení na trh. Díky simulacím podniky nemusí budovat další infrastrukturu, návrh, vývoj, testování a samozřejmě vizualizace probíhá digitálně, virtuálně. Přispívají rovněž ke zvyšování kvality. Simulace umožňují prověřit parametry produktu nebo služby ještě před jejím otestováním v reálném prostředí. „V Česku jsou nejvíce využívány aplikace spojené s výrobkem či výrobní technologií. Výrazně méně se zatím rozšířila řešení týkající se procesů či komplexnějších kombinací výroba − výrobní technologie − proces. Důvodem jsou především chybějící data. Významnou roli hraje i nezkušenost IT a pracovníků v oblasti OT, tedy výrobních technologií. Neumí vzájemně spolupracovat a vytvářet i udržovat komplexní modely,“ popisuje Jan Burian ze společnosti IDC.

Digitální dvojčata přímo i nepřímo zvyšují tržby podniku a snižují jeho provozní náklady. První disciplínu ovlivňují růstem výkonu a kvality produktů a služeb. Ve druhé identifikují neefektivně nastavené procesy nebo prediktivně plánují údržbu a možné body selhání.

Praktická aplikace dvojčat také v důsledku snižuje kapitálové výdaje firem, neboť simulace brání redundancím pořizovaných řešení a jejich nevhodné alokaci. Zvyšuje rovněž míru úspěšného dokončení projektů. Projektový tým díky simulacím vidí výstupy i milníky dříve, než jich reálně dosáhne. Umožňuje mu to pružně reagovat na změny a korigovat postup.

Co pomáhá, co brání

Faktory, které pomáhají zavádění digitálních dvojčat a podporují jejich využívání, definovali konzultanti společnosti McKinsey. Analogicky prezentují i některé další vlivy a okolnosti, jež v tomto ohledu představují spíše bariéry.

Pro digitální dvojčata platí, že čím více relevantních dat mají k dispozici, tím přesnější výstupy podávají. Podniky by se tedy neměly bránit nárůstu počtu senzorů, optikou pokročilých analýz datových bodů, které vylepší jejich simulace. A nemusí jít jen o vlastní data, lze přebírat i vstupy třetích stran. Stejně pozitivně je možné nahlížet na vzájemnou interoperabilitu informačních systémů, platforem a celých řešení. K nim se pojí i dostupné a flexibilně přizpůsobitelné výpočetní a úložné zdroje. Cloudové platformy často disponují předdefinovanými konfiguracemi a službami, jež s analytickým nasazením počítají.

ICT revue

Stáhněte si přílohu v PDF

Tradičními postupy už dnes organizace mnoho vylepšení neobjeví nebo neidentifikují. Jejich přínos stále klesá, neboť vše zjevné už bylo napraveno. Platí to především v ekonomicky vyspělých zemích. Právě proto musí nasazovat datově řízenou optimalizaci probíhající v reálném čase. Ta stále ještě dokáže odhalit prostor pro vylepšení, pro inovace a pro odstranění neefektivit.

Identifikace bariér nasazení a rozvoje digitálních dvojčat je o něco snazší. Konzultanti společnosti McKinsey označují za stěžejní překážku chybějící myšlenkové nastavení organizace pro kontinuální optimalizaci a trvalý sběr dat. Mezi velké bariéry patří rovně absence základních analýz dat a chybějící bezpečnostní standardy pro správu a výměnu dat. Tato překážka se vyskytuje uvnitř podniků, stejně jako v celých odvětvích. Některé organizace se také s nadšením pouští do užší integrace a datové výměny se svými dodavateli. Optimalizaci napříč vlastními hodnotovými řetězci se ovšem brání.

Ne vždy lze v praxi zcela sladit modely digitálních dvojčat s realitou aktiv. Platí to zejména pro stroje nebo zařízení s dlouhými životními cykly. Jejich datové pojetí bývá rigidní, nepružné a současně obtížně přizpůsobitelné. Datové modely pro dlouhodobá aktiva platí jen v krátkém časovém horizontu, případně nejsou plně kompatibilní.

Článek byl publikován ve speciální příloze HN ICT revue.