ИСТОКИ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА: ОПЕРЕЖАЯ СВОЕ ВРЕМЯ

ИСТОКИ ЦИФРОВОГО ДВОЙНИКА: ОПЕРЕЖАЯ СВОЕ ВРЕМЯ

Литвинов Владимир Владимирович

аспирант, МИРЭА – Российский технологический университет,

РФ, г. Москва

Волчкова Александра Сергеевна

магистр, МИРЭА – Российский технологический университет,

РФ, г. Москва

Цветков Виктор Яковлевич

д-р техн. наук, д-р экон. наук, проф., МИРЭА – Российский технологический университет,

РФ, г. Москва

THE ORIGINS OF THE DIGITAL TWIN: AHEAD OF ITS TIME

Vladimir Litvinov

Postgraduate student, MIREA – Russian Technological University,

Moscow, Russia

Alexandra Volchkova

Master's degree, MIREA – Russian Technological University,

Moscow, Russia

Viktor Tsvetkov

Doctor of Technical Sciences, doctor of Economics, professor, MIREA – Russian Technological University,

Moscow, Russia

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются первые истоки принципиальной новой в те времена парадигмы «цифровых двойников» от момента теоретической идеи до ее первой практической реализации. И поскольку, около двадцати лет назад, когда в мире только начинались первые разработки концепции цифровых двойников, их использование помимо огромной дороговизны, осуществлялось исключительно в экстремальных условиях, в статье сделан вывод, что на момент своего создания концепция сильно опережала время, как из-за недостаточного технологического уровня, так и из-за отсутствия понимания правильного использования и применения цифровых двойников.

ABSTRACT

This article examines the first origins of the fundamentally new paradigm of "digital twins" at that time, from the moment of the theoretical idea to its the first practical implementation. And since, about twenty years ago, when the first developments of the concept of digital twins were just beginning in the world, their use, in addition to the enormous high cost, was carried out exclusively in extreme conditions, the article concludes that at the time of its creation, the concept was far ahead of time, both due to insufficient technological level and due to the lack of understanding the correct use and application of digital doubles.

Ключевые слова: цифровой двойник, модель зеркальных пространств.

Keywords: digital twin, mirrored spaces model.

На сегодняшний день технология цифровых двойников становится всё более важным и желанным компонентом в разнообразном множестве отраслей, начиная с основополагающих производственных мощностей и заканчивая образовательной, медицинской и экологической направленностью деятельности на стыке с информационными системами.

Но, конечно же, цифровые двойники – это далеко не новая парадигма. Концепция цифрового двойника берет свое осознанное начало в далеком 2002 году. Майкл Гривс, эксперт в области управления жизненным циклом продукции, в данный момент являющийся главным научным сотрудником Института цифровых двойников во Флориде, представил в презентации Мичиганского университета для промышленности концептуальный идеал для управления жизненным циклом продукта, схематичное изображение которого представлено на Рисунке 1.

Рисунок 1. Схематичное изображение концептуального идеала для управления жизненным циклом продукта, представленного доктором Майклом Гривсем впервые 3 декабря 2002 года [Авт].

«Модель зеркальных пространств» (mirrored spaces model), как назвал ее Майкл Гривс, состояла из трех ключевых элементов, являющихся основой технологии цифровых двойников и сегодня: реальное пространство, виртуальное пространство и связи между ними [3]. В качестве схематического примера для данной иллюстрации выбран космический корабль – так, реальный объект в космосе представлен на схеме слева, а виртуальное пространство, то есть, тренажер, находящийся на Земле, справа, и в центре связи между ними: поток данных из реального пространства в виртуальное и поток информации из виртуального пространства в реальное.

Основная мысль этой концепции, конечно же, заключалась в том, что «Модель зеркальных пространств», которая через пару лет стала называться «Модель зеркалирования информации» (Information Mirroring Model) [4], состоит из двух систем: физической, существующей в данный момент, и новой виртуальной системы, которая содержит всю информацию о физической [2].

Но в реальности ограничения технологий того периода, например, дороговизна ресурсов для высоко вычислительных мощностей, их длительность, отсутствие повсеместного использования сети Интернет для устройств, а также низкие скорости передачи данных, делали модель, которая закладывала действительно правильную траекторию развития, практически бесполезной, лишая возможности практического применения.

Текущее наименование этой концепции – «цифровой двойник» впервые появилось спустя почти восемь лет в одной из очередных дорожных карт NASA  (национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства). В разделе 2.2.3.3. приводится следующее определение цифровых двойников: «интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностностное моделирование транспортного средства или системы, которое использует наилучшие доступные физические модели, обновления датчиков, историю парка и т.д., чтобы отразить жизнь своего летающего двойника» [6]. NASA определило в данной дорожной карте четыре основных направления возможного применения цифровых двойников:

1. Проверка выполнения миссии реального транспортного средства перед его запуском в виртуальной среде для корректировки маршрутов, планов и выявления возможных уязвимостей и неисправностей [6].
2. Полное зеркалирование фактического полета, предполагающее, что в модели будут вводиться непрерывные данные о фактической нагрузке, температуре и других факторах окружающей среды, что позволит постоянно прогнозировать состояние летающего двойника [6]. 
3. Проведение экспертизы в случае потенциально катастрофической неисправности или повреждения, поскольку цифровой двойник точно отражает состояние летающего фактического аппарата, его возможно использовать для инсценировки и анализа потенциально катастрофических событий [6].
4. Использование в качестве опытной платформы для изучения последствий изменения полета, которые могли быть не учтены на этапе проектирования, и, как следствие, для определения мер по смягчению последствий [6].

Однако, помимо определений и общего описания цифровых двойников, стоит отметить, что в дорожной карте 2010 года эта задача входит в топ-3 «технических вызовов NASA» [6] и отложена в этом плане на самый дальний для 2010 года срок – 2023-2028 год.

Исследуя подходы к использованию цифровых двойников, явно наблюдается большая разница между направленностью мышления у Гривса – использование в контексте управления жизненным циклом продукта, и у NASA, относящееся к цифровому двойнику в контексте потребности эксплуатации, обслуживания и ремонта физических систем, находящихся вне Земной поверхности – в космосе.

Ключевым моментом в этом отличии подходов к одной концепции является факт того, что назначение цифрового двойника отличается от назначения виртуального прототипа. Прототип чаще всего используется в производстве для контроля всех этапов и процессов единственного экземпляра с конечной целью детализированного описания продукта и системы для дальнейшего масштабного производства. Напротив, когда реальная система производится или произведена и используется в полной мере, данные ее использования могут быть собраны и применены на цифровой двойник, что способствует работе над поддержанием состояния и адаптации или модификации системы к изменяющимся условиям или окружающей среды.

Конечно, в те года использование цифровых двойников имело смысл только для больших корпораций с огромными бюджетами, рисками и сложностями, поэтому именно NASA явилось первооткрывателем концепции в реальных условиях. Однако идеи Гривса также имеют место быть и использование цифровых двойников в производственных отраслях – это путь, по которому новая парадигма будет продолжать развиваться дальше все быстрее.

Около двадцати лет назад, когда в мире только начинались первые разработки концепции цифровых двойников, их использование помимо огромной дороговизны, осуществлялось исключительно в экстремальных условиях. На момент своего создания концепция сильно опережала время, как из-за недостаточного технологического уровня, так и из-за отсутствия понимания правильного использования и применения цифровых двойников. За это время по сегодняшний день технологический прогресс сильно изменил картину мира и использование цифровых двойников стало значительно доступнее и удобнее, что в свою очередь открывает возможность использовать их в большем количестве отраслей, чем исключительно космическая и производственная. И поскольку, в соответствии с трудами Рэя Курцвейла, технологические изменения экспоненциальны, то есть, такой ключевой показатель как вычислительная мощность умножается на постоянный коэффициент за каждую единицу времени, а не просто увеличивается на некоторую величину [7], скорее всего человечество только открывает для себя возможности цифровых двойников и, возможно, через следующие 20 лет их использование на принципиально другом техническом оборудовании позволит открыть новые пути применения данной концепции.

Список литературы:

1. S. Mihai et al., "Digital Twins: A Survey on Enabling Technologies, Challenges, Trends and Future Prospects," in IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 24, no. 4, Fourthquarter 2022. – pp. 2255-2291, doi: 10.1109/COMST.2022.3208773.
2. Michael Grieves and John Vickers Digital Twin: Mitigating Unpredictable, Undesirable Emergent Behavior in Complex Systems // Transdisciplinary perspectives on complex systems: New findings and approaches. - Springer International Publishing, 2017. – pp. 85-113, doi: 10.1007/978-3-319-38756-7_4.
3. Industry 4.0 and Digital Twins: Key lessons from NASA - Author Professor Ben Hicks // The Future Factory — [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.thefuturefactory.com/blog/24 (дата обращения: 01.07.2023).
4. Singh M.; Fuenmayor, E.; Hinchy, E.P.; Qiao, Y.; Murray, N.; Devine, D. Digital Twin: Origin to Future. Appl. Syst. Innov. 2021, 4, 36. https://doi.org/10.3390/asi4020036..
5. Grieves M. Back to the future: Product lifecycle management and the virtualization of product information. In Product Realization; Springer, Boston MA, USA 2009; pp. 1–13.
6. Shafto M.; Conroy, M.; Doyle, R.; Glaessgen, E.; Kemp, C.; LeMoigne, J.; Wang, L. Draft modeling, simulation, information technology & processing roadmap. Technol. Area, National Aeronautics and Space Administration 2010, 11.
7. Ray Kurzweil: The Law of Accelerating Returns // Kurzweil – Tracking the acceleration of intelligence — [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.kurzweilai.net/the-law-of-accelerating-returns (дата обращения: 01.07.2023).
8. Царев М.В., Андреев Ю.С. «Цифровые двойники в промышленности: история развития, классификация, технологии, сценарии использования» // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2021. - №7. - С. 517-531.
9. Grieves, M.W. Digital Twins: Past, Present, and Future. In: Crespi, N., Drobot, A.T., Minerva, R. (eds) The Digital Twin. Springer, Cham, 2023 https://doi.org/10.1007/978-3-031-21343-4_4.