Цифровой двойник, или способ виртуально проверить всё на свете

Цифровые двойники — уже не технология будущего, а реальность для многих крупных компаний. Что можно моделировать с их помощью? Как двойники меняют логистику и промышленность? Все ответы — в нашей статье.

Бурное развитие компьютерной техники и сетей передачи данных приводит ко всё большему упрощению обмена информацией, росту ее объема и скорости передачи. Это, в свою очередь, делает возможным цифровизацию мира вокруг. Цифровой подход к жизни проникает в том числе и в область управления бизнес-процессами. Одним из цифровых инструментов, обеспечивающих принятие более эффективных управленческих решений, является технология цифровых двойников.

Цифровой двойник (по-английски — digital twin, то есть цифровой близнец) — это модель реального объекта или процесса, которая содержит в себе все основные элементы и факторы, влияющие на общее поведение системы. Цифровой двойник максимально точно воспроизводит реальность в цифровой среде. С его помощью можно проверять, к каким последствиям приведет то или иное управленческое решение. Главная ценность цифровых двойников заключается в том, что они позволяют ставить неограниченное число экспериментов в безрисковой виртуальной среде и воплощать в жизнь лишь самое оптимальное решение.

Цифровые двойники применяются во многих отраслях экономики — от медицины до космонавтики. Но сегодня мы поговорим об их применении с позиции управления предприятием.

1. Цифровой двойник склада

Пожалуй, проще всего объяснить суть цифровых двойников можно на примере виртуальных копий склада или контейнерного терминала. К тому же, это одно из наиболее популярных применений данной технологии.

Используя данные из WMS- или ERP-системы, имитационная модель детально описывает и отражает текущее состояние склада. Воссоздав объект в цифровом виде, мы можем тестировать на нем свои гипотезы. Например, что будет, если мы увеличим грузопоток, переориентируем маршруты передвижения по складу, изменим расположение грузовых ворот, скорректируем процесс обработки или наймем больше грузчиков. Таким образом цифровой двойник позволяет нам планировать работу склада с тем, чтобы максимально повысить его пропускную способность — объем грузов для перевалки или скорость исполнения заявок на подбор тех или иных позиций заказа.

А какой эффект мы можем получить в цифрах? Внедрив имитационную модель в работу 160 складов одного крупного российского грузоперевозчика, мы смогли снизить время обработки операций на 35%, снизить операционные затраты на 15%, сократить затраты на фонд оплаты труда сотрудников на 20% и повысить пропускную способность склада на 25%.

2. Цифровой двойник цепочек поставок

Аналогичным образом цифровые двойники позволяют симулировать все прочие элементы многоуровневых цепочек поставок и моделировать самые разные ситуации. Для крупных компаний эта возможность является особенно нужной, потому что, по мере роста объемов бизнеса, существенно растут и издержки, связанные с цепочкой поставок. Что важно, цифровые двойники помогают протестировать все предлагаемые гипотезы с точной оцифровкой не только метрик локального сокращения потерь, но и общего изменения эффективности смежных процессов, подразделений и бизнеса в целом.

Чтобы выстраивать оптимальные графики поставок и выдавать задания на производственные единицы, компании строят цифровые модели цепочек поставок и решают на их основе комбинаторно-оптимизационные задачи по планированию. В результате решения таких задач растет уровень сервиса, оптимизируются уровни товарных остатков, растет объем продаж, а также увеличивается скорость поставок.

Одной из свежих тенденций является выход моделей цепей поставок за пределы отдельного предприятия. Мы видим, как на рынке формируются консорциумы из ряда компаний, находящихся в кооперационной цепочке, и как они начинают оперировать единой цифровой моделью. Подобное взаимодействие производителей, дистрибьюторов и торговых сетей позволяет достичь оптимума на более высоком организационном уровне.

3. Цифровой двойник производства

Итак, мы оптимизировали цепочку поставок и определили, что, когда и в каких объемах должно производиться. Следующая логическая точка для повышения эффективности — оптимизация производственного планирования. Как вы уже догадались, здесь также применяется технология цифровых двойников.

Ключевые производственные участки, являющиеся узким местом для производства, или всё производственное объединение целиком, включая цепочку производственной кооперации, описывается в виде экономико-производственной модели. На базе этой модели затем решаются задачи объемно-календарного производственного планирования и формирования операционного плана производственного расписания.

Формирование производственного расписания относится к задачам комбинаторной оптимизации. Оно должно учитывать достаточно большое количество параметров и ограничений, основными из которых являются ограничения по оборудованию, персоналу, инструментам, сырью и материалам. Цифровой двойник производства помогает нам «колдовать» над всеми этими параметрами и создавать оптимальный производственный план, который позволит добиться снижения себестоимости производства, повышения эффективности использования ограниченных ресурсов и сокращения производственного цикла.

4. Цифровой двойник технологического процесса

Кроме формирования планов выпуска, с помощью цифровых двойников могут улучшаться и характеристики самих производственных процессов. Специалисты на предприятиях могут находить более оптимальные технологические параметры производственных процессов, влиять на качество изделий и на расход энергоресурсов в процессе производства.

Этот подход широко распространен в химической и нефтеперерабатывающей отраслях, характеризующихся непрерывным производством. С помощью цифровых двойников решаются различного рода математические оптимизационные задачи, связанные с подбором технологических параметров (давления, температуры, процентного содержания реагентов и т. д.).

Если добавить к физико-химическим цифровым моделям возможности нейросетей, то это позволит нам подобрать оптимальные параметры выполнения технологических операций для получения прогнозных значений по качеству и проценту выхода готовой продукции, либо для минимизации сырьевых и энергетических затрат.

5. Цифровой двойник изделия

Теперь от непрерывного производства перейдем к дискретному. Еще один тип цифровых двойников, который распространен уже достаточно широко и активно поддерживается российскими разработчиками софта, — это цифровой двойник изделия.

Вся проектно-конструкторская документация в машиностроении уже давно перешла в цифровой вид. Другими словами, все схемы, чертежи и технологические карты сегодня не отрисовываются на физическом листе бумаги вручную.

Современные цифровые модели готовых изделий содержат не только данные по их составу и технологии изготовления, но и позволяют моделировать различные условия их эксплуатации. Таким образом мы можем имитировать нагрузки, оценивать прочность изделий и возможность их разрушения. Это достаточно серьезно сокращает и удешевляет цикл проектирования и вывода изделия на потребительский рынок, что снижает и себестоимость будущего товара.

Цифровые двойники — наше настоящее и будущее

Для каждой отрасли цифровые двойники имеют свое наполнение, используют специфические подходы, алгоритмы и технологии создания. Объединяет их то, что они с высоким процентом точности отражают реальное поведение объекта или процесса и позволяют нам выполнять виртуальные эксперименты. Как правило, все они помогают решать оптимизационные задачи и подбирать наиболее эффективные при локальных условиях управленческие решения. Практика показывает, что внедрение цифровых двойников приводит к очень высокой отдаче — в десятки, а иногда даже в сотни раз превышающей затраты на их создание и поддержку.