Ứng dụng bản sao kỹ thuật số " Digital Twins" trong nền công nghiệp 4.0

Hãy tưởng tượng một ngày bạn mở email và tìm kiếm một đơn thuốc trị cảm cúm mà không cần khám bệnh đề phòng bạn cảm thấy không khỏe trong người. Bác sỹ có thể đưa ra quyết định cho bạn trước đó bằng cách thực hiện trên một bản sao kỹ thuật số “Digital Twins” của bạn bao gồm các thông số thực tương đồng về chế độ ăn, cách sống và môi trường sống.

Đây là ví dụ về một công nghệ mới sẽ đóng góp một phần rất quan trọng trong cuộc sống của chúng ta trong kỷ nguyên của cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0.

Digital twins là một bản sao kỹ thuật số của các vật thể, nó có thể là một chiếc máy bay, một chiếc ô tô, hay thậm chí là chính bản thân bạn. Khái niệm này được hãng General Electric (GE) đưa ra để dự đoán trước các hư hỏng, sự cố từ đó lên kế hoạch thay thế, sửa chữa kịp thời. Ví dụ, GE sẽ biết trước khi nào phụ tùng máy bay bị hỏng và điều nhân viên đi thay để không làm ảnh hưởng tới lịch bay, làm được điều này nhờ vào dữ liệu của Digital twins của máy bay như vận tốc, sức gió, mức nhiên liệu, nhiệt độ, độ cao... đều được ghi lại theo thời gian thực

Theo lời Mr. Colin Parris, Phó Chủ tịch phụ trách nghiên cứu phần mềm của GE: "Digital Twins là một mô hình sống của thứ gì đó có thể mang lại kết quả kinh doanh."

Hình 1: Mô phỏng cấu trúc một cơ cấu máy

Digital Twins tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (machine learning) và phân tích phần mềm với dữ liệu để tạo một mô hình mô phỏng số sống cập nhật và thay đổi khi các đối tượng vật lý thay đổi. Một bản sao kỹ thuật số liên tục học hỏi và cập nhật từ nhiều nguồn để mô tả trạng thái gần thời gian thực, điều kiện làm việc hoặc vị trí của nó. Hệ thống học tập này, học từ chính nó, sử dụng cảm biến dữ liệu truyền tải các khía cạnh khác nhau của điều kiện hoạt động như từ các chuyên gia con người, chẳng hạn như các kỹ sư có kiến thức về lĩnh vực ngành sâu và có liên quan, từ các máy tương tự khác, từ các đội máy khác tương tự và từ các hệ thống lớn hơn và môi trường hoạt động của nó. Một bản sao kỹ thuật số cũng tích hợp dữ liệu lịch sử hoạt trong quá khứ vào mô hình số của nó.

Đối với một nhà máy thông minh, Digital Twins sẽ bao hàm từ tổng thể giá trị cung cấp và vòng đời của một sản phẩm, từ ý tưởng đến hành động, cơ sở hạ tầng và phát triển, vận chuyển, xoay vòng và các dịch vụ liên quan cũng như tích hợp các yếu tố yêu cầu đầu vào và phản hồi của khách hàng. Trong đó Digital Twins sẽ giả lập đại diện cho tất cả yếu tố như phương pháp tạo ra sản phẩm, cách sử dụng và hoạt động của sản phẩm trong suốt vòng đời của nó. Kết quả của Digital Twins sẽ tác động trực tiếp tới thiết kế, sản xuất và vận hành sản phẩm.

Bản sao kỹ thuật số “Digital Twins” tại nhà máy sản xuất xe hơi bằng công nghệ Siemens tại Hội chợ hàng công nghiệp Hannover Messe 2018

Công nghệ bản sao kỹ thuật số giúp đáp ứng các nhu cầu của nhà sản xuất trong việc giám sát và theo dõi những gì đang diễn ra trong phân xưởng ở một mức độ rất chi tiết. Bản sao số giúp:

• Cung cấp cho nhà quản lý dữ liệu theo thời gian thực trên một giao diện trực quan, thể hiện bản sao thực tế của máy móc, thiết bị. Bao gồm dữ liệu từ các cảm biến có thể theo dõi, lưu trữ và truyền tải các trạng thái hoạt động của thiết bị, như nhiệt độ, độ rung v.v…
• Tăng hiệu quả quản lý dữ liệu bằng cách loại bỏ những thông tin không quan trọng và xử lý những thông tin cơ bản để những công nhân ở phân xưởng có thể hiểu được.
• Tạo ra một chuẩn mực của trạng thái vận hành tối ưu, để từ đó xác định các vấn đề trong tương lai. Tiềm năng của ứng dụng này là rất lớn. Ví dụ như nó có thể dự đoán được khi nào thiết bị có thể gặp vấn đề, và từ đó cho phép can thiệp sớm.
• Thúc đẩy cộng tác (collaboration). Khi dữ liệu được thể hiện dưới định dạng dễ hiểu, như đồ thị, biểu đồ, thì nhiều cá nhân, kể cả từ nhiều địa điểm khác nhau, có thể cùng giám sát, theo dõi tình trạng vận hành. Tránh tình trạng thông tin bị phân mảnh hay lạc hậu.

  

  Hình 3: Mô phỏng hệ thống một nhà máy dưới góc nhìn “Digital Twins”

  Một ví dụ điển hình, công nghệ này đang được sử dụng tại nhà máy của Siemens tại Amberg, CHLB Đức. Nhà máy này tự động hóa đến 75%. Nhà máy sử dụng tối đa công nghệ digital twins, các loại máy móc sẽ được thử nghiệm trong không gian 3D trước khi được thực sự đưa vào sử dụng. Lỗi và các vấn đề trục trặc có thể được khắc phục trước khi phần cứng được phân phối, nhờ đó giúp tiết kiệm thời gian và tiền bạc. Và khi nhà máy đi vào hoạt động, các quy trình sản xuất vẫn có thể liên tục tối ưu hóa bằng cách phản ánh các dữ liệu thực tế trở lại cho các phần mềm kỹ thuật Digital Twins.

  Tương lai của các nhà máy với kỹ thuật Digital Twins sẽ phải liên kết chặt chẽ với một hệ thống dữ liệu vô cùng lớn vì việc sử dụng các mô hình ảo cho toàn bộ hệ thống sản xuất cùng các nhà máy đòi hỏi việc phải xử lý và lưu trữ một lượng dữ liệu khổng lồ. Trong tương lai không xa, các nhà máy kỹ thuật số ảo sẽ có thể hoạt động trong thời gian thực cùng với các bản gốc của chúng, giống như cách mà các dữ liệu chỉ hiện hữu trên màn hình máy tính dần bị thay thế bởi các bản mẫu ảo hiện nay, và đó có thể là một bước khởi đầu cho việc phát triển các nhà máy ảo trở thành các nhà máy sản xuất “thực”.

  Nguồn:

  https://blog.iec.ch/2018/06/why-digital-twins-are-growing-in-popularity/

  https://www.ge.com/digital/predix/digital-twin

  Dịch: Nguyễn Đức Anh - Viện NC&PT Viettel