Blog

DIGITÁLNÍ DVOJČE V IOT SYSTÉMU SIEMENS MINDSPHERE

Digitální dvojče a IoT technologie je základem úspěšného vývoje výrobků budoucnosti. Cílem digitálního dvojčete a IoT je kontinuální přenos dat z provozu každého výrobku a jejich využité při vývoji každého nového výrobku. Mezi klíčové hráče na trhu patří GE, IBM, Microsoft, Oracle, PTC, Ansys, Dassault Systems a zejména Siemens. Technologie digitálních dvojčat odstraňuje dvě překážky pro vývojáře pracujících na projektech IoT: pomalost a složitost. Izoluje back-end vývojáře od složitosti vývoje edge-computingu a používá platformy IoT, které podporují technologii digitálních dvojčat, a snižují potřebu vysoce specializovaných vývojářů zařízení.

K ČEMU SLOUŽÍ DIGITÁLNÍ DVOJČE

Digitální dvojče je detailní digitální model, který reprezentuje výrobky v provozních podmínkách. Jsou společnosti, které digitální dvojče využívají už dlouhá léta. Např. společnost Apple, u které každý iPhone zaznamenává data o svém provozu a odesílá je k analýze – společnost tak získá data z celého světa o tom, které softwarové komponenty fungují hladce a které nikoli. Následně pak Apple může aktualizovat software na každém používaném zařízení, a to vždy po několika týdnech. Dalším z reprezentatům digitálního dvojčete je např. společnost Tesla, která v současnosti vytváří digitální dvojče každého prodaného vozidla. Senzory z tisíců automobilů nepřetržitě přenášejí data do numerického modelu každého vozu k výrobci. Interpretace dat pomocí umělé inteligence (AI) umožňuje predikci poruch. Mnoho závad lze řešit aktualizací softwaru. Sloučením AI a IoT se pak Tesla dokáže neustále učit ze skutečného světa a optimalizovat každý jednotlivý vůz v reálném čase.

Virtuální prototyp vs. digitální dvojče

Pojmy virtuální prototyp a digitální dvojče se často uvádějí jako totožná věc – není tomu tak. Virtuální prototyp je numerický model založený na FE (finite element) analýzách, analýzách proudění (CFD = computational fluid dynamics) a dalších analýzách využívajících zatížení pro konstrukční návrh komponent. Digitální dvojče také využívá numerický model, ale pracuje přímo s provozními daty – napětím, proudem, teplotami, výkony. Digitální dvojče umí vyhodnotit rizikové faktory, zbytkovou životnost a monitorovat překročení návrhových stavů. Digitální dvojče může také sloužit pro další optimalizaci produktů. Digitální dvojče lze tedy definovat jako propojení reálného fyzického produktu (výrobku) a digitálního produktu (modelu).

Digitální model výrobku
 

Základem digitálního dvojčete je vlastní numerický model výrobku. Ten lze vytvořit v několika úrovních:
- multidoménovém systémovém 1D modelu komplexního zařízení
- 3D modelu založeném na CFD (computational fluid dynamics), FEM (Finite element model) a MBS (multi-body simulation) technologiích
- kombinovaném hybridním 1D modelu s 3D kosimulacemi nebo redukovanými modely ROM

1D model

V případě 1D modelů je komplexní zařízení rozděleno na jednotlivé součásti, které jsou nahrazeny vhodými modely. Každá součást vyžaduje určité vstupy a produkuje určité výstupy. Výstupy pak mohou sloužit jako vstup do další součásti 1D modelu a vytvoří tak blokové schéma. Modely jsou reprezentovány matematickou funkcí, která popisuje jejich chování.

Systémový 1D model je řešen pro různé výpočetní domény reprezentující fyzikální problematiky, které řeší (elektrická doména, hydraulická, tepelná, mechanická,…). Každá z domén pracuje s jinými fyzikálními veličinami.

Systémové simulace se využívají především při řešení komplexních systémů skládajících se z mnoha vzájemně integrujících součástí. První z oblastí použití je z těchto důvodů prvotní dimenzování nového systémů. Dále se pak systémové simulace využívají při optimalizaci nebo what-if analýzách komplexníxh systémů (úlohy typu „co se stane, když místo této součástky použiju jinou?“), nebo pro návrhu řízení komplexních systémů (např. energetické optimalizace výrobního procesu).

Pro vytvoření 1D systémových modelů lze využít nástroj Simcenter Amesim, který obsahuje knihovny předdefinovaných modelů, logické obvody, stavové diagramy, umí spolupracovat s Matlabem, Modelikou, Simulinkem. V softwaru lze provádět kosimulace s 2D/3D FEM solvery (STAR-CCM+, Fluent, MotorSolve,…), je možné upravovat/vytvářet vlastní modely (Visual Basic, C++, Python, Matlab). Výpočet je možné provádět jak v časové, tak frekvenční doméně a v neposlední řadě obsahuje optimalizační nástroje, které mohou vést k rychlému vylepšení celého systému.

3D model

3D model využívá fyzikálních modelů a numerických metod založených na metodě konečných prvků FEM nebo metodě konečných objemů FVM pro řešení statických a dynamických úloh, úloh proudění, přenosu tepla a dalších.

 

Mindsphere, IoT systém společnosti siemens

Pokud máme vytvořené digitální modely a umíme sbírat data z provozu, je možné přistoupit k vytvoření digitálního dvojčete. Data nejsou jen cílem sama o sobě: je potřeba je analyzovat a získat z nich maximum. A tady vstupuje do hry MindSphere. S MindSphere lze vytvořit zcela uzavřené rozhodovací prostředí pro nepřetržitou optimalizaci.

Klíčové vlastnosti platformy Mindsphere jsou rozsáhlé knihovny analytických nástrojů, mapování fyzických aktivit společně s virtuálními modely, zaručení zabezpečené komunikace prostřednictvím Enterprise Gateway, možnost připojení se k různým systémům PLM a simulačním nástrojům a nástroje vývoje vlastních konektorů pro připojení dalších podnikových modelů.

Propojení Mindsphere a Simcenter Amesim

Jakmile máme vytvořený 1D systémový model, lze Simcenter Amesim propojit s provozními daty a to přímo na produktu (např. vozidle) nebo v cloudu. Řešič systémového modelu pak může být spouštěn i asynchronně. Pro načítání simulačních balíčků, spouštění simulací a načítání výsledků simulace je využíváno rozhraní Circuit API. Výsledky, které jsou napočítány v systémovém modelu se pak vrací zpět do platformy Mindsphere.

Současný vývoj se neobejde bez vytvoření digitálního dvojčete. Platforma Mindsphere je řešením, které umožní vytvořit zcela uzavřené rozhodovací prostředí a může vést k nepřetržité optimalizaci produktů/procesů. Data, která jsou sbírána je v současnosti možné analyzovat a využít je na maximum (ne pro pouhý monitoring). Digitální dvojče umí vyhodnocovat kritické stavy, spolehlivost a životnost a umí monitorovat překročení návrhových stavů. Technologie digitálních dvojčat s sebou přináší zrychlení a zjednodušení vývojových IoT řešení. Na základě kontinuálního využívání dat a neustálé optimalizaci jsou pak nově vyvíjené produkty lepší a společnosti, které tuto technologii využívají jsou díky tomu leadery na trhu.