Công nghệ bản sao số (Digital Twins) là gì?

Khái niệm về bản sao số (digital twin) đã không còn quá xa lạ, cũng giống như nhiều công nghệ khác trong cách mạng công nghiệp 4.0, digital twin đang nổi lên nhanh chóng nhờ sự tích hợp của các công nghệ. Nhờ có công nghệ đám mây, Internet vạn vật (IoT), mô phỏng tiên tiến và khả năng điện toán cao, digital twin chắc chắn là một công nghệ mới nổi đang được săn đón.

Ngành công nghiệp đang đầu tư rất nhiều tiền để theo kịp sự phát triển của công nghệ này. Trong bài viết này, chúng ta cùng tìm hiểu những khái niệm cơ bản về digital twin, cũng như ý kiến của đại diện từ nhiều công ty khác nhau đang phát triển bản sao số để tìm ra chỗ đứng hiện tại của công nghệ này nhé.

Bản sao số của động cơ tuabin cánh quạt

Digital Twins là gì?

    Digital twins là bản sao kỹ thuật số ảo (thường là 3D) của một vật thể hay hệ thống thực tế. Giữa bản sao và vật thể thực tế có một luồng dữ liệu (dataflow) và thông qua các cảm biến trên hệ thống thực tế, bản sao được cập nhật để có thể theo dõi trạng thái của hệ thống theo thời gian thực.

   Quá trình này không những cho phép cập nhật trạng thái của hệ thống thực mà còn có thể được lập trình để chạy các lệnh nếu - thì và xác định các tham số tối ưu để thực hiện các chức năng khác nhau. Một bản sao ảo có thể bao gồm các lớp khác nhau, với mỗi lớp ảo đại diện cho một lớp vật lý tương đương. Các lớp này có thể gồm tính chất vật lý, vật liệu, cấu trúc, điện tử, v.v.

    Ngay khi đo lường xong, hệ thống thực sẽ được mô hình hóa thành bản sao số; càng nhiều dữ liệu thu được từ hệ thống thực, bản sao kỹ thuật số càng cụ thể và chính xác hơn. Với khả năng nắm bắt cơ hội của chúng tôi, cùng với việc xử lý và mô phỏng trong kỷ nguyên dữ liệu lớn (big data) và công nghệ đám mây, không điều gì là không thể. Digital twin là một công nghệ có chỗ đứng trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0.

    Bản sao số cung cấp rất nhiều thông tin như chẩn đoán hoặc tiên lượng, có thể dùng để giảm thời gian chết (downtime) và tăng lợi tức đầu tư. Thậm chí, công nghệ này còn có thể tái hiện vòng đời sản phẩm khép kín, đưa sản phẩm về giai đoạn pháp triển để tối ưu hóa liên tục các sản phẩm trong tương lai. Hơn nữa, công nghệ này còn dùng để phát triển sản phẩm theo định hướng IoT. Trước đây, việc phát triển sản phẩm sẽ dừng lại ngay khi khách hàng nhận sản phẩm.

    Ngày nay, với những phản hồi về sản phẩm, quá trình bán hàng không chỉ dừng lại ở chuyển giao sản phẩm mà còn là dịch vụ hỗ trợ, phát triển sản phẩm sau đó. Khi một sản phẩm được phát triển hiệu quả thì bản sao số cũng vậy và ngược lại.

   Bản sao này được dùng như một hộp cát (sandbox) để thử nghiệm những ý tưởng mới có thể áp dụng cho hệ thống thực và kết quả sẽ được phản ánh qua bảo sao số. Luồng dữ liệu này là một quá trình hai chiều, do đó bản sao kỹ thuật số và bản cứng có thể phát triển cùng nhau.

Tổng quan về bản sao số

Bản sao số cho vạn vật

    Bản sao số có thể gồm nhiều thức tùy thuộc vào loại ngành và trường hợp sử dụng. Ví dụ, một dây chuyền sản xuất có bản sao ảo hiển thị trạng thái của dây chuyền và có thể kết nối với bộ phận nạp nhiên liệu và các đường chuyền và cho thấy bất kì sự gián đoạn nào.

   Với cùng một bản sao kỹ thuật số có thể kết nối với một nền tảng phân tích phần tử hữu hạn để cho thấy việc thay đổi thiết kế của sản phẩm có thể ảnh hưởng đến hoạt động và hiệu quả như thế nào. Một ví dụ khác, bản sao số có thể thể hiện các bộ phận lắp ráp của máy bay chiến đấu, với mọi thành phần và hệ thống hữu hình đơn lẻ được nhân đôi trong mô hình 3D.

    Bạn muốn biết tại sao các thiết bị hạ cánh bị mắc kẹt? Chỉ cần nhấp vào thiết bị hạ cánh trên mô hình và bạn sẽ thấy được những hệ thống con bên trong thiết bị này được phóng to lên. Tiếp tục phóng to cho đến khi bạn tìm thấy vấn đề. Bạn muốn thử nghiệm một số bề mặt điều khiển mới trên máy bay phản lực? Chỉ cần thêm những chức năng đó vào bản sao số và thực hiện mô phỏng để thấy được kết quả.

    Như bạn có thể thấy, bản sao số rất quan trọng đối với con người và có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khác nhau. Bằng cách phân tích các sản phẩm trong thực tế, các nhà sản xuất có thể đưa ra quyết định cải tiến sản phẩm tốt hơn. Chính hiệu quả thông qua quản lý vòng đời sản phẩm đã làm cho bản sao số trở thành một đề xuất hấp dẫn.

    Ông Francois Lamy, phó chủ tịch của tập đoàn Giải pháp IoT, PTC cho biết: “ Việc sử dụng bản sao số để thể hiện một tài sản hữu hình sẽ có tác động tăng lên gấp bội trong toàn tổ chức: từ các sản phẩm mới, mô hình kinh doanh, đến các quyết định kỹ thuật đều được cải thiện hiệu quả và khả năng phục vụ tốt hơn.

    Bằng cách phân tích vật thể theo cách sử dụng trong thực tế, các nhà sản xuất sẽ có thể đưa ra quyết định cải tiến sản phẩm, tiếp thị và bán sản phẩm tốt hơn. Sử dụng bản sao số để thiết kế, sản xuất trong các lĩnh vực đem lại cơ hội tuyệt vời để cải thiện lợi nhuận khi bán hàng, thu hồi hoặc nâng cấp sản phẩm.”

    Ông Lamy cũng cho biết thêm: “Tuy nhiên, các nhà sản xuất cần bắt đầu quản lý và hiểu ý nghĩa của dữ liệu với quy trình phát triển sản phẩm thông minh, có tính liên kết trước khi họ có thể đạt được bản sao số. Bằng cách thể hiện dữ liệu sản phẩm thông qua bản sao số, chủ động thiết kế sản phẩm có khả năng kết nối, và đảm bảo một luồng kỹ thuật số trong suốt vòng đời của sản phẩm, các nhà sản xuất có thể tiến hành bước tiếp theo để hoàn thiện bản sao số.”

Chúng ta đang ở đâu?

   Theo hãng nghiên cứu thị trường hàng đầu Gartner, công nghệ Digital Twin nằm trong top 10 Xu hướng công nghệ chiến lược 10 năm tới. Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi công nghệ này nằm trong Hype Cycle - Chu trình Kỳ vọng của những công nghệ mới nổi 2017 của hãng Gartner.

Chu trình Kỳ vọng của những công nghệ mới nổi của Gartner

    Như bạn có thể thấy từ biểu đồ Hype Cycle, công nghệ bản sao số hiện đang trong giai đoạn khởi đầu. Điều này có nghĩa là công nghệ này mới chỉ chủ yếu được sử dụng ở các viện nghiên cứu và bộ phận nghiên cứu và phát triển (R&D) của các công ty. Biểu đồ cho thấy rằng công nghệ này sẽ được ứng dụng rộng rãi sau 5 đến 10 năm nữa. Riêng Gartner ước tính rằng 1-5 % tài sản hiện đã có bản sao số.

   Theo một khảo sát gần đây của Gartner, 48% doanh nghiệp hiện sử dụng công nghệ IoT đang tìm cách triển khai bản sao số. Cũng theo Gartner, 50% các nhà sản xuất có tài sản vượt quá 5 tỷ USD sẽ có ít nhất một sáng kiến về bản sao số cho sản phẩm của họ vào năm 2020.

   Tất cả những điều này cho chúng ta biết điều gì? Digital twin là một công nghệ mới nổi chiếm được mối quan tâm của các nhà sản xuất, nhưng công nghệ này vẫn chưa sẵn sàng cho giai đoạn chính. Tuy nhiên, chúng ta có thể kỳ vọng vào những công ty sản xuất cao cấp đầu tư chi phí lớn vào việc phát triển công nghệ này. Các ông lớn sẽ chấp nhận rủi ro khi áp dụng công nghệ sớm nhất, nhưng họ cũng chính là những người hưởng lợi nhiều nhất.

Phản chiếu hệ thống phức tạp

    Chúng ta đã biết bản sao số thực sự là gì, vậy chúng ta đã đạt đến giai đoạn nào trong việc chinh phục công nghệ bản sao số? Các sản phẩm thông minh là hệ thống phức tạp, yêu cầu mô phỏng các mô hình đa miền, cảm biến và thiết bị cạnh để dự đoán chính xác hiệu suất. Như đã đề cập từ trước, các công ty sản xuất lớn sẽ đầu tư chi phí để áp dụng hàng loạt bản sao số.

    Ông Sameer Kher, giám đốc phát triển sản phẩm tại ANSYS cho biết: “Trong khi gần như tất cả các ngành công nghiệp đang áp dụng một số dạng của công nghệ bản sao số, mối quan tâm lớn nhất dường như là từ các thiết bị công nghiệp (như hệ thống sưởi ấm và làm mát, hệ thống bơm chất lỏng, v.v.) và công nghiệp năng lượng (như tuabin gió, xăng dầu, v.v.)”.

    Ông Sameer Kher nói thêm: “Những ứng dụng ban đầu của bản sao số có chi phí cao là do được triển khai ở các lĩnh vực quan trọng, trong đó có các thiết bị đắt tiền như tuabin gió hoặc hệ thống bơm dầu, khí (do thời gian chết của máy móc). Chúng tôi hy vọng rằng bản sao số sẽ sớm được ứng dụng vào tất cả các sản phẩm bao gồm cả sản phẩm tiêu dùng trong thời gian tới.

    Vì vậy, chúng ta có thể mong chờ được nhìn thấy bản sao số của xe điện, điện thoại thông minh, thậm chí là bản sao số của ngôi nhà chúng ta với một hệ thống dễ truy cập điều khiển tất cả hệ thống an ninh,ống nước, điện, lò sưởi, được xây dựng dựa trên mô hình thông tin xây dựng (BIM) và dữ liệu sản phẩm. Một trong những yếu tố quan trọng của công nghệ bản sao số trong kinh doanh là các nhà sản xuất có thể phục hồi sản phẩm và dữ liệu sản xuất thành một bản sao hữu ích sử dụng phương pháp thiết kế dựa trên mô hình (MBD).

Thách thức công nghệ

    Giống như những công nghệ mới nổi khác, công nghệ bản sao số sẽ phải vượt quá nhiều rào cản trước khi được ứng dụng rộng rãi. Ông Kher đã khẳng định rằng: “Vẫn phải giải quyết một số thách thức bao gồm thách thức về việc chia sẻ địa chỉ IP của mô hình, nhu cầu cao hơn, chính xác hơn khi biểu thị chi tiết cấp hệ thống của các mô hình vật lý và khả năng kết nối/ triển khai (ở từng quy mô) với các nền tảng IIoT hiện có.

   Giải pháp ANSYS được coi là nền tảng IIoT trung tính. Chúng tôi sắp công bố một sản phẩm mới giúp giải quyết hầu hết các thách thức này bằng cách cho phép khách hàng sử dụng lại rất nhiều IP sẵn có để xây dựng các mô hình chính xác. Với các kết nối có sẵn trên các nền tảng IIoT và tính năng tạo mô hình thời gian thực, chúng tôi sẽ giúp việc kết nối và triển khai bản sao số đến nhiều khách hàng dễ dàng hơn.”

    Công nghệ mới nổi và không ngừng phát triển cũng đồng nghĩa với việc có rất nhiều vấn đề có thể phát sinh mà chúng ta không lường trước được.

    Ông Marc Lind, Phó chủ tịch chiến lược cấp cao tại Aras cho biết: “Hầu hết các công ty đều đánh giá thấp sự phức tạp của việc quản lý bản sao số theo thời gian. Cấu hình của bản sao số sẽ rất khác nhau và thay đổi liên tục tùy thuộc vào mô hình kinh doanh, mục tiêu và vị trí trong chuỗi cung ứng.

   Trong nhiều trường hợp, các doanh nghiệp sẽ có nhiều cấu hình Digital Twin khác nhau cho các dòng sản phẩm khác nhau và mang lại giá trị cho khách hàng theo nhiều cách khác nhau. Sự đa dạng cấu hình Digital twin trong một công ty cũng đồng nghĩa với tính linh hoạt, độ mở và khả năng nâng cấp của mô hình dữ liệu sẽ là những yếu tố quyết định thành công.”

Kết luận

    Bản sao số thể hiện sự hợp nhất hoàn hảo của phần mềm, phần cứng và phản hồi hỗ trợ IoT và quan trọng là cho phép người dùng ứng dụng dữ liệu mô hình 3D trong toàn bộ vòng đời sản phẩm. Bản sao số có thể biến các mô hình CAD câm trước đây thành các hệ thống sống động ở trung tâm của bản sao.

   Các công ty mà chúng tôi đã nói có những quan điểm rất khác nhau về những thách thức hiện tại của việc phát triển bản sao số, cũng như các quan điểm khác nhau về sự phát triển trong tương lai của bản sao số.

    Một số công ty như Siemens coi bản sao số là một tài sản hoàn toàn dựa trên công nghệ đám mây do tính đàn hồi và khả năng mở rộng điện toán sẵn có cần thiết để chạy bản sao số, trong khi những công ty như ANSYS cho rằng tương lai của bản sao số sẽ giống như “con lai” giữa điện toán đám mây và điện toán biên.

    Aras cũng có cùng quan điểm với ANSYS. Ông Lind cho hay: “Các chiến lược về Digital Twin bao gồm một số khía cạnh khác nhau từ việc thu thập các luồng dữ liệu khác nhau, tiến hành mô phỏng, thực hiện phân tích, quản lý cấu hình bản sao số và các khía cạnh khác. Aras chúng tôi tin rằng các sáng kiến bản sao số sẽ tận dụng được cả tài nguyên dựa trên điện toán đám mây và môi trường trung tâm dữ liệu hiện có trong các phiên bản kết hợp.”

    Có rất nhiều quan điểm khác nhau từ nhiều công ty về chủ đề này nhưng có một điều chắc chắn là bản sao số sẽ phát triển mạnh mẽ trong vài năm tới, dựa trên sự khác biệt của các giải pháp giải quyết những thách thức khác nhau của mỗi công ty. Một khi những ông lớn đã làm chủ được công nghệ bản sao số và đạt được trạng thái bất khả thi của IoT, chúng ta có thể mong chờ sự phát triển bản sao số sẽ đi sâu vào hàng tiêu dùng và được áp dụng rộng rãi hơn.

Bài viết liên quan:

• ANSYS và Iot - Tầm nhìn kép

 

Nguồn : engineering.com