Rohamosan nő a „digitális ikrek” piaca, de távol van még a telítődés: van helye a fejlődésnek. Szerencsére egyre több vállalat ismeri fel azokat az előnyöket, amelyek a cégeknél működő rendszereket, eszközöket, teljes folyamatokat modellezni képes virtuális másolatok okos felhasználásával elérhetők.
◼︎ Digitális ikrek térhódítása
A piac érettségét jelzi, hogy a gyártócégek 29 százaléka már ma is alkalmaz digitális ikreket vagy jelenleg zajlik az ilyen megoldások implementációja. További 63 százaléka pedig vagy már rendelkezik ilyen stratégiával, vagy jelenleg is folyik ennek előkészítése, kidolgozása.
Mindenki testvért szeretne…
Az IoT Analytics 2023 februárjában publikált, „Digital Twin Market Report 2023–2027” címet viselő elemzésének adatai szerint a növekedés kifejezetten dinamikus a digitális ikrek piacán: 2020 és 2022 között 71 százalékkal növekedést sikerült elérni. A szakértők szerint ehhez komoly segítséget jelentett, hogy egyre inkább elterjednek az Ipar 4.0 megoldások is. Ezek bevezetése – főleg, ha az iparban nem ritka módon akár már évtizedek óta működő, termelő eszközökről, rendszerekről van szó – erős kihívást jelent, és komoly tervezést, tesztelést, előkészítést igényel. Ez hatványozottan igaz az olyan, a jövőnek tartott új technológiák esetében, mint amilyennek az ipari metaverzum projektek ígérkeznek.
Nem teszi egyszerűbbé a képet az sem, hogy bár a digitális iker definíciója meglehetősen egyértelmű, és az ipar egészére tekintve is elfogadott, de a megvalósítást számos alkalmazással igyekeznek elérni – már 2020-ban is több mint 200-féle digitális ikerről sikerült információkat szereznie az IoT Analytics kutatóinak. Ez szinte kezelhetetlen szám, de a most megjelent elemzésben sikerült három dimenziót és hat területet felhasználva 100, a globális piacon megvalósult projektet feldolgozni.
Nagy, drága rendszerek kicsi, olcsó, digitális testvérkéje
| A digitális ikrek gyakori fajtái (vizsgált esetek arányában)
– Komplex rendszerek működésének előrejelzése: 30% Az esetek többségében egy-egy, megvalósult és vizsgált digitális iker egyszerre két vagy több kategóriában is megjelenhet. Forrás: IoT Analytics „Digital Twin Market Report 2023–2027” |
Az előrejelzés nem véletlenül lett a legnépszerűbb terület. (Lásd „A digitális ikrek gyakori fajtái” című keretet!) A gyártó vagy összeszerelő cégek életének és üzleti folyamatainak egyik legfontosabb területévé vált az optimizálás, a költséghatékonyság növelése. Ebben segíthet egy olyan digitális hasonmás, mely akár teljes, összetett rendszerek (gyáregységek, épületek vagy akár egész települések) minden elemét is képes szimulálni, részben a korábbi működés elemzéséből már rendelkezésre álló adatokra támaszkodva. Ezek felhasználásával a megfelelően felépített iker képes pontos előrejelzéseket mutatni a vizsgálat alá vont rendszer vagy rendszerek jövőbeli állapotáról, működéséről.
Arra is kiváló eszköz, hogy a mérnökök még jóval azelőtt számtalan forgatókönyvet próbálhatnak ki a leendő rendszerek felépítésével, működtetésével és optimalizálásával kapcsolatban, hogy például egy intermodális csomópont építkezéséből akár az első kapavágás megtörtént volna. Olyan esetekben lehet kiemelkedően fontos, ahol számos változóval kell dolgozni, amelyek ráadásul egymáshoz is kapcsolódva, összetett hálózatként befolyásolják egy-egy komplex rendszer vagy rendszercsoport működését.
Érdekes példaként említhető a dél-koreai Doorsan szélturbina-farmjának digitális vizsgálata. Az IoT-eszközökkel a turbinákból valós időben kinyert és a meteorológiai adatok elemzése, majd a modellből kiszámított, elméleti teljesítmény összevetésével például minden eddiginél gyorsabban lehetett észlelni a meghibásodásokból eredő teljesítménycsökkenést vagy más eltérést. A gyorsabb javítás, a kevesebb, meghibásodással töltött üzemóra pedig nagyobb bevételt is eredményez.
Nem egyszerű feladat a nagy sebességű személyszállító vonatszerelvények fejlesztése és tesztelése – és igen költséges is. A Siemens Mobility ezért választotta a napi akár 10 ezer dolláros összeget is igénylő, „igazi” tesztelés helyett a digitális ikrek megalkotását a német Deutsche Bahn AG-nek szállítandó, 170 darab szerelvény fejlesztésekor. A német mérnökök egy olyan virtuális vonatszerelvényt alkottak meg, amely 40 alrendszer felépítését, működését és egymáshoz kapcsolódását volt képes egyszerre szimulálni. Ennek köszönhetően nem csupán több millió dollárt sikerült megtakarítani, de ahogyan azt Matthias Reinholdt, a Siemens AG Mobility Division szakértője hangsúlyozta, alig két óra alatt lehetett „előállítani” egy új változatot – a több ezer elemből, alkatrészből álló szerelvényt virtuálisan átépítve.
Kommunikációs kísérletek
Mint az IoT Analytics tanulmánya hangsúlyozza, a megvalósított projektek 24 százalékában az adatcsere optimalizálása, felgyorsítása az alapvető feladat. A minden eszköz által használható, értelmezhető és feldolgozható, valós időben kinyerhető adatformátum kidolgozását, tesztelését és finomhangolását segítik az ilyen rendszerek, az életciklus üzemeltetési és optimalizálási szakaszában egyaránt. Sok mindenre lehet és kell is gondolni: az eszköz jellemzőit, tulajdonságait, állapotát, paramétereit, méréseinek adatait és a képességek egyaránt fel lehet dolgozni ezzel a módszerrel. Az egyes rendszerek elemeinek zökkenőmentes együttműködésének vizsgálata és biztosítása minden digitális ikerprojekt alapvető célja, így nem meglepő, hogy ikermegoldás az olyan interoperabilitási keretrendszerekhez igazodik, mint például a Digital Twin Consortium keretrendszere vagy a Platform Industrie 4.0/IDTA Asset Administration Shell platformja.
Emlékszünk még a TMK-ra?
A karbantartás szükséges rossz. Ezért kell tervszerűen, megelőzően végezni. Összetett, modern rendszerek esetében jelentős költségeket okoz, de a nem megfelelő állapotban lévő gépek, rendszerek okozta kár, a magasabb selejtarány még több pénzébe kerülhet az üzemeltetést végző cégeknek. Ezért fontos a termelőeszközök állapotának minél pontosabb ismerete, a kinyert adatok elemzése, a leggyorsabb és leghatékonyabb javítási, karbantartási módszerek modellezése, tesztelése és szükség szerint optimalizálása.
| Szimulációs ikerpárja először az Apollo 13-nak volt
Az amerikai Nemzeti Repülési és Űrhajózási Hivatal (NASA), már az Apollo 13 1970. áprilisi megmentésekor bevetette az első, nem digitális „ikerűrhajót”. Szükség is volt rá, hiszen a három űrhajóssal a Hold felé száguldó űrhajó 330 ezer kilométeres távolságban hibásodott meg. Érthető módon nem volt lehetőség arra, hogy az irányítóközpontban dolgozó mérnökök a bajba jutott űrjárművet javítsák ki – így a földön, a szimulátorokat bevetve kellett megoldást találni a problémákra, és valahogyan hazahozni az asztronautákat. Ehhez „csak” olyan apróságokat kellett megoldani, mint az energia-, a víz- és az oxigénkészletek takarékos beosztása, a megsérült űrhajó navigálása és irányítása, illetve az irányítómodul újraindítása – amelyet nem terveztek ilyen művelet végrehajtására. Ma már történelem: a világ első „szimulációs ikre” jól működött, és a meglehetősen kalandosra sikerült misszió vége a biztonságos földet érés volt. |
Ebben is segít a digitális iker – nem véletlen a kutatásban szereplő 21 százalékos arány. Ha van valami, amit egy gyártósoron mindenáron el kell kerülni, az a nem tervezett leállás, amely akár igen jelentős költségekkel és a logisztikai lánc megszakadásával is járhat. A karbantartás tervszerűségét és megelőző jellegét döntően segítheti egy helyesen felépített digitális iker. Az életciklus karbantartási fázisából ez a terület gyakran az előrejelzéshez is kapcsolódik, hiszen egy-egy gép vagy rendszer meghibásodási és javítási adataiból megfelelő elemzéssel következtetni lehet annak jövőbeli viselkedésére, a várható problémákra is.
Szenzorok a legcsiklandósabb helyeken
A digitális ikrek az egyes eszközökről, részegységekről akkor is pontos képet tudnak mutatni, ha azok meglehetősen eldugva dolgoznak. A berendezésekbe integrált érzékelők adatainak feldolgozásával az olyan berendezések paramétereinek változásait is meg tudják mutatni a digitális másolat segítségével, mint mondjuk az elektromos motorok, hűtőegységek, szivattyúk, szelepek, ventilátorok és hasonló, jellemzően kívülről, bontás nélkül nehezen hozzáférhető részegységek. A szenzorokkal kinyert adatokból, értékekből kiindulva a digitális ikreken könnyebben és hatékonyabban lehet megoldást találni a megelőző karbantartásra és annak optimalizálásra, költséghatékonyabbá alakítására. Az IoT-paradigma erősödését mutatja, hogy egy sor jellemzően készen vásárolt rendszerelem (motor, aktuátor, ventilátor, szivattyú, nagy szelep, tolózár stb.) évek óta beépítve tartalmazza a fontos paraméterek (fordulatszám, hőmérséklet, helyzet) érzékelőit
Látni és láttatni
Minél több adatunk van, és azok minél több szálon kapcsolódnak egymáshoz, annál fontosabb azok megfelelő bemutatása – a gyorsan, minél könnyebben és egyértelműbben értelmezhető információk jelentik a jól működő, agilis vállalkozások egyik alapját. Nincs ez másképp az összetett gyártórendszerek esetében sem. A digitális ikrek alkalmazásának így fontos területe a vizualizálás, melyet elsősorban az életciklus működtetési szakaszában alkalmaznak. Az esetek döntő többségében háromdimenziós képeket használnak, szinte mindig valamilyen CAD-rendszerrel megalkotva azokat.
Az olasz Ferrovie dello Stato nemzeti vasútüzemeltető társaság a kezelésében lévő hálózatát ültette át digitális térbe. Ez több mint 16 ezer kilométernyi vágányt, állomások százait, rengeteg alagutat, hidat, jelzőberendezések és váltók ezreit, illetve a vontatáshoz, üzemeltetéshez, vezérléshez szükségese elektromos és informatikai hálózat egészét jelentette. A kameráktól, GPS-vevőktől és más érzékelőktől származó adatokat egy fejlett, tanulásra képes algoritmus dolgozta fel. A folyamat vége egy háromdimenziós, interaktív „virtuális terepasztal” lett, amelynek segítségével megbízhatóbb, biztonságosabb és gyorsabb lett a hálózat irányítása.
Totális integráció: a meg nem valósult álom
Voltaképpen a már 20+ éve létező 3D tervező rendszerek is termékszimulációk. Ezeket számos módon szeretnék összekapcsolni a termék-előállítással, aminek egy jele a fejlett BoM- (bill of materials, magyarul darabjegyzék-) kezelés. Az az optimális rendszer, amelyben egy alkatrész műhelyrajzának érvényesítésekor a logisztika megkapja megrendelést a nyersanyag megvásárlására, de ennyire integrált rendszert még a digitális ikrek alkalmazásában élenjáró repülés- és űriparban sem építettek ki.
A jól megtervezett termékszimuláció aranyat ér: A termékek tervezési és gyártási fázisában is érdemes a virtuális megoldást bevetni, elkerülve a prototípusok fejlesztésének és fizikai legyártásának időbeli és pénzügyi követelményeit. Az ikrek segítségével akár több ezer termékváltozatot lehet a számítógépeken megépíteni és utána tesztelni a teljes gyártási folyamaton keresztül. Ezeket a digitális ikreket gyakran összekapcsolják a számítógéppel támogatott tervező (CAD/CAE) rendszerekkel is. Az automatikus csomagoló- és palackozórendszerekkel foglalkozó német Krones cég például ilyen módszerrel vizsgálta meg egy telepíthető csomagolórobot prototípusát – a virtuális térben egyszerűen és költséghatékonyan lehetett kipróbálni az eszköz működését a különböző sebességgel és súrlódási együtthatókkal érkező csomagok kezelésekor.
