Цифровая близнецовая архитектура: Слои, компоненты и типы

Цифровая архитектура близнецов — это многоуровневая техническая структура, соединяющая физический актив с его виртуальной моделью: датчики и связь, фиксирующие данные из реального мира, системы, обрабатывающие и моделирующие их, и интерфейс, делающий их пригодными для использования. В настоящем руководстве конкретно рассматривается эта техническая архитектура.

Если вы ищете, как Digital Twins используются в зданиях, строительстве или антропогенной среде, смотрите Digital Twins для архитектуры, инженерии и строительства. "Цифровая архитектура близнецов" используется в обоих направлениях, и эта страница посвящена прочтению систем-архитектуры.

Общее определение того, что такое цифровой близнец, перед погружением в структуру смотрите, что такое цифровой близнец.

Понимание этой архитектуры является не только теоретическим: в ходе опроса респондентов из числа промышленных компаний McKinsey 86% заявили, что цифровой близнец применим к их операциям, а 44% уже внедрили его (McKinsey, 2024).

Слои цифровой архитектуры близнецов

Архитектура цифрового близнеца обычно описывается как стек, проходящий от физического мира до интерфейса, с которым взаимодействует человек. Хотя реализации различаются, большинство цифровых сдвоенных систем включает шесть повторяющихся уровней:

1. Физический уровень. Реальный актив, машина, продукт или окружающая среда близнецы, вместе с датчиками и приборами, прилагаемыми к ним.

2. Уровень получения данных и подключения. IoT-устройства, датчики и краевое оборудование, которые фиксируют данные у источника и передают их, часто фильтруя или предварительно обрабатывая на краю перед тем, как они продвигаются дальше вверх по стеку.

3. Интеграционный слой. Промежуточное ПО и API, которые подтягивают данные из нескольких источников - датчиков, а также существующих систем, таких как MES или ERP, - и нормализуют их в согласованный формат, который может использовать остальная архитектура.

4. Уровень цифровой модели. Само виртуальное представление: геометрия, структура и логика, которые отражают физический актив. Это часто строится на основе исходных данных САПР или BIM и является ядром "близнеца".

5. Аналитика и уровень ИИ. Моделирование, машинное обучение и Analytics идут вразрез с цифровой моделью и входящими данными для получения понимания; обнаружения аномалий, прогнозирования сбоев или тестирования сценариев what-if.

6. Визуализация и прикладной уровень. Интерфейс, где люди действительно видят близнеца и взаимодействуют с ним: приборные панели, 3D-визуализации или приложения, построенные поверх модели и ее Analytics. Именно здесь в стеке живут 3D и преобразованные в реальном времени данные САПР/BIM, превращая цифровую модель и ее данные в нечто, что человек может видеть, ориентироваться и действовать.

Данные текут не только в одном направлении через этот стек. Определяющей особенностью цифрового близнеца, в отличие от статической модели, является то, что инсайт, генерируемый в слое Analytics, может служить основой для действий обратно в отношении физического актива. Это двусторонняя связь, а не односторонняя подача.

Ключевые компоненты цифрового близнеца

Независимо от того, как реализованы указанные выше слои, большинство цифровых сдвоенных архитектур имеют одни и те же функциональные компоненты:

Источники данных. Датчики, устройства IoT и существующие корпоративные системы, которые генерируют исходные данные, питающие близнеца.

Связь. Сеть и протоколы (часто «от края к облаку»), которые перемещают данные из места их генерации в место их обработки.

Виртуальная модель. Цифровое представление структуры, геометрии и поведения материальных активов, часто происходящих из данных САПР или BIM.

Двигатель аналитики и моделирования. Программное обеспечение, обрабатывающее поступающие данные по модели для получения информации, проведения моделирования или применения машинного обучения.

Пользовательский интерфейс. Панель приборов, визуализация или приложение, через которое человек взаимодействует с выводом близнеца.

Двунаправленный канал передачи данных. Механизм, соединяющий озарение, порожденное близнецом, с материальным активом или с людьми, работающими с ним, замыкая петлю между цифровым озарением и физическим действием.

Четыре типа цифровых близнецов

Одна из распространённых таксономий классифицирует близнецов по технической сфере применения:

Вторая, связанная таксономия классифицирует близнецов по тому, что они представляют в бизнес-контексте: товарные близнецы, активные близнецы, заводские близнецы и сквозные близнецы, которые охватывают всю цепочку от продукта до фабрики и цепи поставок.

Обе основы описывают одну и ту же основополагающую концепцию, но с разных сторон. Один из них охватывается технической сложностью (компонент обработки), другой - сферой деятельности (продукт для предприятия). На практике компонент или актив близнец в первой таксономии обычно сопоставляется с продуктом или актив близнец во второй, а система или процесс близнец сопоставляется с заводом или сквозным близнецом.

Справочная архитектура и стандарты

Несколько названных эталонных моделей придают структуру проектированию цифровых близнецовых архитектур:

ISO 23247 является международным стандартом, конкретно касающимся цифровых спаренных рам в обрабатывающей промышленности, определяющим базовую архитектуру для того, как должны строиться производственные Digital Twins и как должны взаимодействовать их компоненты.

Консорциум «Цифровые близнецы» публикует справочное руководство по архитектуре, предназначенное для нейтральных с точки зрения поставщиков организаций, призванное помочь организациям в проектировании совместимых цифровых близнецовых систем, а не в принятии собственной структуры одного поставщика.

Справочная архитектура конкретных платформ, например Azure Digital Twins от Microsoft, предлагает конкретную, реализуемую версию описанной выше многоуровневой архитектуры, построенной на основе конкретных сервисов этой платформы. Они полезны в качестве рабочего примера архитектуры на практике, хотя представляют собой скорее внедрение одного поставщика, чем нейтральный стандарт.

В совокупности они дают архитекторам и инженерам отправную точку для принятия проектных решений, вместо того чтобы требовать от каждой организации самостоятельного определения своей собственной эталонной модели.

Цифровые двойники BIM против симуляции

Потому что эти термины часто встречаются в одних и тех же разговорах, стоит быть точным в том, что представляет собой каждый из них.

BIM (Building Information Modeling) — структурированный набор проектных данных, в наибольшей степени связанный с архитектурой, инжинирингом и строительством. Обычно он статичен или полустатичен, представляя, как что-то было спроектировано и построено в определенный момент времени.

Моделирование ожидаемого поведения, обычно в качестве отдельного упражнения с использованием предполагаемого или исторического исходных данных, для проверки гипотезы, а не для постоянного отражения реальных условий жизни.

Цифровой близнец отличается от обоих описанной выше архитектурой: это живая модель, постоянно связанная с реальными данными через уровни от физического актива до визуализации. Часто он использует данные САПР или BIM в качестве исходной геометрии и моделирования в качестве одного из своих аналитических инструментов, но что делает его конкретно цифровым близнецом, так это текущая двусторонняя связь с физическим миром.

Там, где 3D в реальном времени помещается в архитектуру

Уровень визуализации и приложения - это место, где базовые данные и Analytics цифрового близнеца становятся пригодными для использования человеком.

Попадание на этот уровень обычно начинается с одной и той же проблемы: уровень цифровой модели часто строится на основе исходных данных САПР или BIM, которые, как правило, детализированы, тяжелы и структурированы для инженерных рабочих процессов, а не для взаимодействия в реальном времени. Чтобы сделать эти данные пригодными для использования в слое визуализации, нужно преобразовать и оптимизировать их в 3D-модель, готовую к работе в реальном времени и способную реагировать, будь то настольное приложение, сетевая панель или иммерсивная среда.

Роль Unity в архитектуре digital twin сидит именно на этом слое. Преобразование данных САПР и BIM для 3D в реальном времени является частью построения описанного выше уровня визуализации. Это не единственный способ построить этот слой, и другие подходы к визуализации существуют в зависимости от платформы и варианта использования.

Для того чтобы посмотреть, как эти архитектурные слои соединяются в конкретной отрасли, см. Digital Twins в обрабатывающей промышленности, а для более широкого обследования того, где применяются Digital Twins, см. цифровые примеры использования двойных слоёв в разных отраслях.