Digitálne dvojča: Inteligentný podnik a smart výroba

Dôležitosť technológie digitálneho dvojčaťa a jej prínos spočívajú v jej simultánnom duálnom nastavení ako simulačného a riadiaceho nástroja. Digitálne dvojča v kombinácii s Internetom vecí (IoT) a strojovou inteligenciou (MI) dokáže transformovať bežné objekty  na inteligentné veci.

Okrem pasívnej formy digitálneho dvojčaťa, teda ako nástroja, ktorý do procesov vo výrobe priamo nezasahuje, iba ich interpretuje, vznikla postupne aj nová forma digitálneho dvojčaťa, ktorá už disponuje riadiacou funkcionalitou. Práve táto podoba „aktívneho“ digitálneho dvojčaťa predstavuje kľúčový predpoklad pre správne fungujúce kyberneticko-fyzikálne výrobné systémy a tým pádom aj autonómne riadenie priemyselných a logistických procesov.

Vzhľadom k operáciám, ktoré takéto digitálne dvojča vykonáva, sa taktiež označuje aj ako autonómny informačný agent. Pojem agent odkazuje na jednotku schopnú plniť zadanú úlohu. Prívlastok autonómny v tomto prípade definuje schopnosť agenta jednať samostatne, čo znamená, že má úplnú kontrolu nad svojím správaním.

V elementárnej podobe je agent nositeľom reakčnej schopnosti. Je schopný vyvolať reakciu vzhľadom na podnety z okolitého prostredia. Príkladom jednoduchého agenta je termostat, ktorý samostatne reaguje na zmeny podľa vopred zadefinovaného pravidla.

Aktívne digitálne dvojča je v podstate počítačový program, ktorý v zastúpení nejakého objektu alebo z poverenia užívateľa vykonáva zadanú úlohu. Túto formu digitálneho dvojčaťa  označujeme ako inteligentný informačný agent, nakoľko už disponuje nejakou podobou umelej inteligencie.

Vzhľadom na zmeny v prostredí a stanovené ciele je takýto agent schopný preberať iniciatívu a sám ovplyvňovať svoje prostredie a objekty v ňom. Rovnako sa dokáže aj samostatne rozhodovať o súslednosti operácií s ohľadom na zabezpečenie čo najefektívnejšieho výsledku optimálnym spôsobom.

Aktívne digitálne dvojča tvorí nevyhnutnú súčasť Smart Industry systémov ako aj celého digitálneho ekosystému podniku. V komplexných infraštruktúrach už technológia digitálneho dvojčaťa musí disponovať dostatočnými vlastnosťami akými sú adaptabilnosť, škálovateľnosť, agilnosť ako aj niektoré kognitívne schopnosti.

Kognitívne technológie umožňujú digitálnemu dvojčaťu reagovať na úplne nové podnety. A to predovšetkým vďaka predchádzajúcim skúsenostiam, respektíve výsledkom predchádzajúcich rozhodnutí a ich následnému prehodnoteniu.

Súčasne musí mať inteligentný informačný agent (digitálne dvojča) predispozíciu interagovať v kolektíve iných agentov. To znamená komunikovať a kolaborovať v skupinovom zriadení alebo v istej hierarchii.

                      Digitálne dvojča ako strategická technológia na rok 2019 (zdroj: Gartner)

Digitálny podnik a inteligentný priemysel

Výrobné podniky a logistické toky predstavujú dynamické a nedeterministické prostredie, čo znamená, že ide o prostredie, v ktorom každá akcia nemá zaručený výsledok. Vzhľadom k častému výskytu mimoriadnych situácií spôsobených predovšetkým externými faktormi (napríklad nečakaná alebo chybná ľudská interferencia) vzniká potreba nasadzovania náročnejších riadiacich systémov.

Komplexnosť týchto prostredí s mnohými simultánne prebiehajúcimi procesmi, z ktorých väčšina na seba priamo nadväzuje, a taktiež enormný objem dát, ktoré tieto operácie generujú, ich už nie je možné obslúžiť systémami založenými na technológii jednoduchej evidencie (alebo spracovania) transakcií. Do popredia sa preto dostávajú Smart Industry systémy, v ktorých inteligentné informačné agenty tvoria sieť decentralizovanej a distribuovanej inteligencie.

Decentralizácia a distribúcia riadenia je rovnako signifikantná aj v prípade procesov intralogistiky výrobných podnikov (výrobná logistika). Riadenie flotily vozíkov zásobujúcich výrobné linky je pri súčasnom náraste variability a customizácii produktov natoľko komplexné, že už nie je v ľudských silách ho zvládnuť.

Predovšetkým preto, že množstvo údajov vstupujúcich do rozhodovacieho procesu už presahuje ľudské kognitívne schopnosti. Postupné nasadzovanie robotov a samonavádzaných zariadení (AGV) vedie k narastajúcim požiadavkám na inteligenciu riadiaceho systému.

Zároveň to vedie aj k implementácii technológii multi-agentových systémov, ktoré prepájajú jednotlivých autonómnych agentov (digitálne dvojčatá), aby vzájomne interagovali (komunikovali, koordinovali sa a kooperovali) a zabezpečili dosiahnutie stanoveného spoločného cieľa.

Decentralizované multi-agentové systémy umožňujú prideľovať agentom rôzne role pre plnenie variabilných úloh a tým vytvárať zložité systémy s lepšou reakciou na vonkajšie a vnútorné faktory. Prvé implementácie Smart Industry systémov s prvkami multi-agentového správania je možné objaviť v procesoch triedenia zásielok alebo vychystávania tovaru.

Vzhľadom k napredujúcej digitálnej transformácii priemyslu a prepravy sa budú čoraz častejšie implementovať aj do procesov zásobovania výrobných liniek. V týchto procesoch budú početné flotily samonavádzaných prepravných zariadení (AGV) zabezpečovať včasné a korektné doplňovanie materiálu pre roboty na výrobnej linke.

Oproti súčasným riešeniam už nebudú systémy založené na centralizovanom riadení, ale budú schopné kolektívnej samokonfigurácie. Podnikový informačný ekosystém sa stane organickou štruktúrou v rámci ktorej sa automatizácia transformuje na vyššiu úroveň – autonomizáciu.

Digitálne dvojča v hlavnom prúde

Dôležitosť technológie digitálneho dvojčaťa a jej prínos spočívajú v jej simultánnom duálnom nastavení ako simulačného a riadiaceho nástroja.

Vytvorenie repliky výrobných tokov, celého podniku alebo dodávateľsko-odberateľského reťazca pasívnym modelom digitálneho dvojčaťa umožňuje podnikom sledovať, simulovať a testovať zavedené i hypotetické procesy.

Vďaka tomu môžu poverení zamestnanci odhaľovať úzke hrdlá alebo neefektívne operácie, identifikovať rôzne anomálie alebo získavať včasné upozornenia pred potenciálnymi krízovými situáciami, v predstihu im predchádzať (napríklad aj vďaka prediktívnej údržbe) a tak znižovať prevádzkové náklady.

Simulácie výrobných tokov môžu taktiež vďaka historickým dátam modelovať rôzne varianty montážnych operácií a na základe výsledkov nasadiť do ostrej prevádzky tú procedúru, pri ktorej vznikajú výrobky s najvyššou kvalitou. Tento postup minimalizuje neplánované výdaje na dodatočné repasovanie a zbytočné navyšovanie doby výroby (výrobný lead time). Digitálne dvojča už v tejto podobe vytvára pre podnik pridanú hodnotu.

Aktívne forma digitálneho dvojčaťa, teda inteligentný informačný agent, zastáva kľúčovú úlohu v inteligentom riadení procesov (Intelligent Operations Management).

Digitálne dvojča v kombinácii s Internetom vecí (IoT) a strojovou inteligenciou (MI) dokáže transformovať bežné objekty (ktoré nemajú vlastnú predispozíciu byť „smart“) na inteligentné veci. Okrem výrobných a prepravných zariadení a nástrojov alebo materiálov sa táto spôsobilosť vzťahuje aj na samotných zamestnancov, u ktorých kombinácia oboch spomínaných technológií rozširuje ich kognitívne schopnosti.

Zamestnanec skladu tak napríklad nemusí (a ani nemôže) vedieť presné poradie a objem úloh. Riadiaci Smart Industry systém mu už prostredníctvom inteligentného informačného agenta prioritizuje jednotlivé pracovné zadania v reálnom čase na základe relevantných dát a aktuálnych požiadaviek koncového odberateľa.

Digitálne dvojča tvorí základný predpoklad pre Smart Industry systémy zabezpečujúce operatívne a autonómne riadenie výrobných a zásobovacích procesov. Dynamickú vnútropodnikovú logistiku (Intralogistiku 4.0) je možné dosiahnuť kombináciou Internetu vecí (IoT) a aktívnej formy digitálnych dvojčiat (digitálne dvojča ako riadiaci agent), ktoré sú integrované v rámci riadiaceho Smart Industry systému.

            Digitálne dvojča rozvoj 2016-2025 podľa krajín v miliardách dolárov (zdroj: MarketsandMarkets)

Smart Industry systém zabezpečuje nevyhnutnú informačnú infraštruktúru pre správne fungovanie oboch technológií. Okrem automatizácie a následnej autonomizácie činností sa vďaka týmto riešeniam zvyšuje agilnosť jednotlivých operácií. Podnikové procesy sa tým pádom stávajú flexibilnejšími a lepšie reagujú na vonkajšie podnety (zákazníci, módne vlny, trhy) s možnosťou väčšej variability výsledného produktu alebo služby.

Digitálne dvojča navyše disponuje všestranným potenciálom nielen pre dynamické a autonómne riadenie výrobných podnikov a inteligentný priemysel, ale jeho funkčnosť dnes preniká aj do oblasti zdravotnej starostlivosti, projektovania, maloobchodu, údržby a v neposlednej rade aj do digitálnej transformácie miest (Smart City).

Práve predispozícia k univerzálnemu využitiu, rovnako ako ku škálovateľnosti funkcií a vytvoreniu pridanej hodnoty, prispeli k faktu, že objem nasadzovania digitálneho dvojčaťa predčil pôvodné prognózy spoločnosti Gartner. Medzinárodná analytická spoločnosť revidovala svoje predikcie a už hovorí o mainstreamizácii digitálneho dvojčaťa. 

Ústredné postavenie technológie digitálneho dvojčaťa vyplýva aj z jeho organického previazania s ostatnými technológiami, akými sú Internet vecí (IoT) a Internet služieb (IoS), umelá inteligencia (AI), strojové učenie (Machine Learning) alebo rozšírená analytika (Augmented Analytics) a spracovanie veľkých dát (Big Data).

Práve prepojiteľnosť s ďalšími exponenciálnymi technológiami prispieva k súčasnému unikátnemu postaveniu digitálneho dvojčaťa navzdory 50-ročnej existencii tohto konceptu. Rozsiahla funkčnosť, všestranné využitie a výsledný prínos pre podniky zaraďujú digitálne dvojča medzi najvplyvnejšie disruptívne technológie súčasnosti aj blízkej budúcnosti.

Článok bol pôvodne publikovaný v Control Engineering číslo 3 (100). ročník XIV.

MOHLO BY VÁS TIEŽ ZAUJÍMAŤ