Song sinh Kỹ thuật số (Digital Twin) là phương tiện được ưa thích để đạt được khả năng tương tác và tích hợp giữa không gian vật lý và ảo (CPS). Từ góc độ tư duy hệ thống, Digital Twin có thể được chia thành cấp độ đơn vị, cấp độ hệ thống và hệ thống của các hệ thống (System of systems – SoS).Để đáp ứng các yêu cầu thực tế về sản xuất thông minh, ba công nghệ bổ sung cùng với IoT, đó là Edge Computing , Fog computing và Cloud computing , được giới thiệu để kết hợp với Digital Twin ở các cấp độ khác nhau để tăng cường chức năng của ứng dụng Số hoá.
Hệ thống CPS – Không gian vật lý và ảo
Từ quan điểm phát triển sản xuất, một quá trình hợp nhất giữa không gian vật lý và ảo của sản xuất đang phát triển theo thời gian. Đầu tiên, trước sự ra đời của công nghệ thông tin, sản xuất chỉ liên quan đến không gian vật lý. Cụ thể, tất cả các hoạt động sản xuất được thực hiện bởi con người và / hoặc máy móc. Việc thiếu thông tin hạn chế hiệu quả sản xuất và năng lực sản xuất.
Trong giai đoạn thứ hai, không gian ảo xuất hiện. Một loạt các sản phẩm phần mềm liên quan đến sản xuất đã được phát triển và ứng dụng trong sản xuất. Tuy nhiên, do những hạn chế về công nghệ, những lợi thế và ứng dụng tiềm năng của không gian truyền thống đã không được khai thác triệt để.
Trong giai đoạn thứ ba, không gian vật lý và không gian ảo bắt đầu tương tác với nhau (CPS – Cyber Physical System). Không gian ảo đã tăng cường quản lý quá trình sản xuất, tối ưu hóa hậu cần, dòng vốn và luồng thông tin. Tuy nhiên, trong giai đoạn này, không gian sản xuất vật lý và ảo không được đồng bộ hóa. Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin thế hệ mới, tương tác thời gian thực và tích hợp hơn nữa giữa không gian vật lý và ảo đang trở thành xu hướng tất yếu trong sản xuất thông minh.
Theo phân tích theo chiều ngang trên các cơ sở sản xuất khác nhau và phân tích theo chiều dọc về phát triển sản xuất, sự hợp nhất giữa các nhà sản xuất trên mạng đang ngày càng trở nên quan trọng. Cuối cùng, song sinh kỹ thuật số (Digital Twin ) đã trở thành công nghệ được ưa thích.
Digital Twin tạo ra các mô hình ảo cho các đối tượng vật lý theo cách kỹ thuật số để mô phỏng hành vi của chúng, đóng vai trò là cầu nối giữa không gian vật lý và ảo. Thông qua vòng khép kín vật lý – không gian mạng, Digital Twin có thể thúc đẩy sự thông minh của tất cả các quy trình sản xuất.
Bạn có thể thích
Edge computing , Fog computing và Cloud computing có thể đưa ra giải pháp cho các vấn đề nêu trên. Cloud computing cho phép truy cập mạng theo yêu cầu, thuận tiện, phổ biến vào nhóm tài nguyên được chia sẻ. Do chia sẻ tài nguyên theo yêu cầu, khả năng lưu trữ và tính toán cao, cũng như chi phí thấp, Cloud computing là một phương tiện công nghệ hoàn hảo cho Digital Twin cấp SoS. Fog computing chuyển khả năng tính toán, lưu trữ và kết nối mạng của cloud sang mạng biên.Bằng cách trực tiếp xử lý dữ liệu trên mạng (ví dụ: bộ định tuyến mạng, hệ thống thông tin khác nhau, v.v.), Fog computing có thể giúp triển khai Digital Twin cấp hệ thống. Edge computing cho phép xử lý dữ liệu được thực hiện gần hơn với các nguồn dữ liệu. Edge có thể được định nghĩa là điểm cuối với cả người sản xuất dữ liệu và người tiêu dùng dữ liệu. Đối với Digital Twin cấp độ đơn vị, Edge Computing sẽ rất có lợi .
Trong bài viết này, Chúng tôi mong muốn giới thiệu tổng quan Edge computing , Fog computing và Cloud computing để triển khai các Digital Twin cấp độ đơn vị, cấp độ hệ thống và SoS, tương ứng, hướng tới mô hình sản xuất thông minh.
Xem thêm : Data driven Manufacturing : Hệ thống Sản xuất dựa trên dữ liệu
Sự khác biệt giữa Edge Computing và Fog Computing là gì ?
Cả điện toán Edge và điện toán Sương mù đều cung cấp các chức năng tương tự nhau về việc đẩy dữ liệu lên các nền tảng phân tích gần đó được đặt trên hoặc gần nguồn gốc của dữ liệu, có thể là ô tô, động cơ, loa, màn hình, cảm biến hoặc máy bơm.
Cả hai công nghệ đều tận dụng sức mạnh của khả năng tính toán trong mạng cục bộ để thực hiện các tác vụ tính toán có thể được thực hiện trên đám mây một cách dễ dàng. Họ có thể giúp các công ty giảm sự phụ thuộc vào các nền tảng dựa trên đám mây để xử lý và lưu trữ dữ liệu, điều này thường dẫn đến các vấn đề về độ trễ và có thể tạo ra các quyết định dựa trên dữ liệu nhanh hơn.
Sự khác biệt chính giữa điện toán đám mây, điện toán sương mù và điện toán Edge là vị trí xảy ra xử lý dữ liệu.
Trong điện toán đám mây, dữ liệu được xử lý trên máy chủ đám mây trung tâm, thường nằm cách xa nguồn thông tin. Nó diễn ra trên các Cloud Service như các phiên bản Amazon E2C.
Điện toán biên hầu hết xảy ra trực tiếp trên các thiết bị mà các cảm biến được kết nối hoặc một thiết bị gateway gần với các cảm biến.
Mặt khác, điện toán Sương mù chuyển các tác vụ điện toán Edge sang các bộ xử lý được kết nối trực tiếp với phần cứng LAN hoặc WAN để chúng có thể cách xa vật lý hơn với các bộ truyền động và cảm biến.
Vì vậy, đối với tính toán Edge, dữ liệu được xử lý trên chính cảm biến hoặc thiết bị mà không chuyển sang bất kỳ nơi nào khác. Ngược lại, trong điện toán Sương mù, dữ liệu được xử lý trong một gateway IoT hoặc các nút Sương mù được đặt trong mạng LAN.
3 cấp độ của song sinh kỹ thuật số với Cloud, Fog và Edge Computing
Bằng cách xây dựng một hệ thống Digital Twin tích hợp dữ liệu từ các đối tượng, hoạt động và quy trình khác nhau, sự đổi mới và hiệu quả của thiết kế sản phẩm, lập kế hoạch sản xuất và triển khai có thể được tăng cường một cách hiệu quả.
Digital Twin là một công nghệ hỗ trợ quan trọng cho sản xuất thông minh. Để hiểu rõ hơn về Digital Twin , cần thiết lập một khung nhìn có hệ thống và phân cấp. Đối với sản xuất thông minh, cả hai vật thể nhỏ như một thiết bị hoặc dây chuyền sản xuất và các vật thể lớn như khu sản xuất hoặc toàn bộ nhà máy đều có thể được coi là Digital Twin . Do đó, các Digital Twin cần được chia thành các cấp khác nhau, bao gồm cấp đơn vị, cấp hệ thống và cấp SoS, để thích ứng với các đối tượng ở mức độ chi tiết khác nhau.
Digital Twin ở mỗi cấp là một mô hình có hệ thống bao gồm cấp hoặc cấp trước đó. Digital Twin cấp hệ thống có thể được coi là sự tích hợp của nhiều Digital Twin cấp đơn vị hợp tác với nhau. Các Digital Twin cấp độ đơn vị hoặc các Digital Twin cấp độ hệ thống tạo thành Digital Twin cấp độ SoS, nghĩa là, một hệ thống phức tạp bao gồm các mối quan hệ, liên kết và kết hợp phức tạp.
Như được hiển thị trong Hình dưới, Digital Twin cấp đơn vị chủ yếu phục vụ cho một đối tượng (ví dụ: một thiết bị), là đơn vị nhỏ nhất tham gia vào các hoạt động sản xuất. Việc tối ưu hóa sản xuất có thể đạt được thông qua việc điều chỉnh thiết bị. Đối với Digital Twin cấp hệ thống, một dây chuyền sản xuất thông minh bao gồm máy công cụ, cánh tay robot, xe được điều khiển tự động (AGV), vv có thể được coi là một hệ thống có năng lực sản xuất cụ thể. Đối với Digital Twin cấp độ đơn vị và cấp độ hệ thống, các mô hình ảo là ánh xạ độ chính xác cực cao thông qua các mô tả kỹ thuật số của thiết bị và dây chuyền sản xuất từ các quan điểm về hình dạng hình học, chức năng và trạng thái vận hành.
Các thuộc tính cơ bản, trạng thái thời gian thực và dữ liệu khác được truyền đến các mô hình ảo để thúc đẩy mô phỏng và dự đoán. Trong khi đó, các tham số của các mô hình ảo được đưa trở lại để tối ưu hóa các thực thể vật lý. Theo quy trình tương tác vòng kín, các thực thể vật lý và mô hình ảo phát triển đồng thời. Đối với cấp SoS (ví dụ: khu sản xuất ), quản lý khu sản xuất chính xác và hoạt động đáng tin cậy, không thể tách rời khỏi các dịch vụ, đặc biệt quan trọng.
Như hình dưới đây :
- (1) là một tập hợp các thực thể khách quan có chức năng cụ thể để hoàn thành các nhiệm vụ sản xuất theo đầu vào và đầu ra;
- (2) mô hình ảo là hình ảnh kỹ thuật số của các thực thể vật lý và có thể phản ánh hoàn toàn và thực sự vòng đời của các đối tác vật lý;
- (3) các dịch vụ cung cấp các chức năng khác nhau như kiểm soát, tối ưu hóa và dự đoán để cung cấp các dịch vụ ứng dụng theo yêu cầu;
- (4) dữ liệu là trình điều khiển cốt lõi của Digital Twin , bao gồm dữ liệu từ các thực thể vật lý, mô hình ảo, dịch vụ, cũng như dữ liệu hợp nhất của chúng;
- (5) các kết nối giữa chúng đặt bốn phần trên thành từng cặp, đảm bảo tương tác thời gian thực và tối ưu hóa lặp lại.
Trước các ứng dụng rộng rãi của CNTT mới trong sản xuất, các nhà sản xuất đang phải đối mặt với sự phát triển bùng nổ của dữ liệu. Bản chất của Digital Twin là thu thập dữ liệu từ các thực thể và môi trường vật lý thông qua các cảm biến, sau đó tính toán và phân tích chúng trong không gian ảo, để kiểm soát các thực thể và môi trường vật lý. Kết quả là vòng khép kín dữ liệu được thiết lập, hình thành sự tương tác và hợp nhất giữa không gian vật lý và không gian ảo.Các cấp độ Digital Twin khác nhau trong sản xuất có các yêu cầu khác nhau để xử lý dữ liệu và lưu thông dữ liệu, chẳng hạn như độ trễ, băng thông, bảo mật, v.v. Điện toán biên , Fog Computing và điện toán đám mây với các thuộc tính bổ sung cung cấp các ý tưởng và cách thức mới cho triển khai các Digital Twin cấp đơn vị, cấp hệ thống và SoS cấp.
Từ góc độ sử dụng hiệu quả tài nguyên, Digital Twin được triển khai ở cấp đơn vị dựa trên Edge computing , cấp hệ thống dựa trên điện toán sương mù (Fog Computing) và cấp SoS dựa trên điện toán đám mây có thể đạt được kiểm soát tài sản, quản lý, tối ưu hóa và tối ưu hóa doanh nghiệp sản xuất.
Song sinh kỹ thuật số cấp đơn vị dựa trên Edge computing
Các yêu cầu cơ bản cần được đáp ứng khi xây dựng Digital Twin cấp đơn vị bao gồm (1) nhận thức trạng thái, (2) tính toán và xử lý dữ liệu và (3) kiểm soát các thực thể vật lý. Là một kiến trúc mở rộng khả năng kết nối, kết nối và lưu trữ từ đám mây sang cạnh, Edge computing cho phép nhận thức, tính toán và điều khiển cho các đối tượng thông qua phân tích và xử lý dữ liệu trong các nút cạnh.
Như trong Hình trên, các tài nguyên sản xuất (ví dụ: máy, robot, thành phần, AGV, v.v.) với các thiết bị vật lý (ví dụ: thân máy, trục chính, công cụ, v.v.) và các bộ phận không gian mạng (ví dụ: hệ thống nhúng, cảm giác thiết bị, v.v.), tạo thành Digital Twin cấp đơn vị. Các bộ phận không gian mạng có thể giám sát và nhận biết thông tin từ các thiết bị vật lý và điều khiển các thiết bị vật lý thông qua bộ truyền động có khả năng nhận các hướng dẫn điều khiển.
Do sự hiểu biết, phân tích dữ liệu và năng lực điều khiển, Edge computing có thể được triển khai trên Digital Twin cấp đơn vị, có thể được coi là một nút cạnh. Do dữ liệu lưu thông trên thiết bị đơn vị, Edge computing có thể thực hiện các ứng dụng nhỏ hơn có thể giúp cung cấp phản hồi thời gian thực tốt hơn.
Các ứng dụng thời gian thực được cung cấp bởi Edge computing ở cấp đơn vị bao gồm xử lý và phân tích thời gian thực cho dữ liệu cảm giác, đệm dữ liệu, điều khiển thời gian thực hiệu suất cao, giám sát bộ truyền động, chẩn đoán lỗi, trích xuất tính năng sức khỏe, tích lũy số chu kỳ, lỗi xử lý, và tắt máy an toàn. Ví dụ, trên máy công cụ hoặc cánh tay robot, các cảm biến được sử dụng để phát hiện xem một số trục trặc có thể gây nguy hiểm về an toàn hay không.
Trong trường hợp này, sự chậm trễ là không thể chấp nhận được. Nếu dữ liệu được gửi lên đám mây, thời gian phản hồi có thể quá dài. Tuy nhiên, với Edge computing , thời gian trễ giảm xuống, cho phép các quyết định được đưa ra trong thời gian thực do dữ liệu không ở xa nguồn dữ liệu. Kiến trúc Điện toán biên không phụ thuộc vào kết nối Internet, điều này có lợi cho Digital Twin cấp đơn vị.
Song sinh kỹ thuật số cấp hệ thống dựa trên Fog Computing
Như trong Hình trên, nhiều Digital Twin cấp đơn vị được kết nối với mạng thông qua giao diện mạng và hệ thống quản lý thông tin, ví dụ, lập kế hoạch nguồn lực doanh nghiệp (ERP), hệ thống thực thi sản xuất (MES), quản lý chuỗi cung ứng ( SCM) và quản lý quan hệ khách hàng (CRM). Digital Twin cấp độ hệ thống tích hợp một biến thể của Digital Twin cấp độ đơn vị không đồng nhất. Ngoài ra, thông qua giao diện máy người (HMI), mỗi Digital Twin cấp độ đơn vị có thể được truy cập và kiểm soát để theo dõi và chẩn đoán trạng thái cũng như tình trạng sức khỏe của hệ thống tương ứng.
Digital Twin cấp hệ thống nhấn mạnh đến sự tương tác và khả năng tương tác giữa các yếu tố thành phần của nó. Trên cơ sở này, nó tập trung vào kiểm soát hợp tác thời gian thực và năng động của các yếu tố khác nhau, để đạt được sự phối hợp và thống nhất giữa không gian vật lý và không gian ảo. Nhìn chung, Digital Twin cấp hệ thống tập trung về mặt địa lý (chủ yếu trong doanh nghiệp sản xuất), rất phù hợp với mô hình điện toán sương mù (Fog Computing).
Dữ liệu của Digital Twin cấp hệ thống (tức là dữ liệu nội bộ doanh nghiệp) có thể được xử lý trực tiếp bằng điện toán sương mù (Fog Computing) để cải thiện hiệu quả, thay vì được lan truyền trở lại từ đám mây.
Tính đến sự chậm trễ, lưu lượng mạng, chi phí, v.v., điện toán sương mù (Fog Computing) cung cấp các dịch vụ ở rìa mạng, tạo ra sự tương tác thời gian thực, khả năng mở rộng và khả năng tương tác. Môi trường điện toán sương mù (Fog Computing) có thể được cấu thành bởi các thành phần mạng (như bộ định tuyến, máy chủ proxy, trạm gốc và các thiết bị khác).
Các thành phần này có thể cung cấp các khả năng tính toán, lưu trữ và kết nối mạng khác nhau để hỗ trợ triển khai các ứng dụng sản xuất thông minh. Các Digital Twin cấp đơn vị sử dụng các cảm biến để thu thập dữ liệu vận hành trên từng thiết bị và phân tích chúng. Môi trường điện toán sương mù (Fog Computing) tóm tắt dữ liệu từ tất cả các Digital Twin cấp đơn vị và cung cấp thông tin có thể thực hiện được (như hợp tác với nhau để hoàn thành các nhiệm vụ) cho sản xuất thông minh.
Digital Twin cấp độ hệ thống trong điện toán sương mù (Fog Computing) cung cấp các ứng dụng có yêu cầu thời gian thực thấp hơn nhưng yêu cầu tính toán mạnh hơn, như điều chỉnh mô hình, đào tạo mô hình, tính toán phổ, chuyển đổi sóng con, xử lý ưu tiên báo động, giám sát từ xa, ghi lại tai nạn, bảo trì từ xa , đánh giá hiệu suất và khả năng hiển thị tài sản.
Ví dụ, trong quy trình sản xuất thực tế, robot đặt vật liệu hoặc các bộ phận trên băng chuyền hoặc AGV để vận chuyển, sau đó máy công cụ biến chúng thành các sản phẩm mong muốn. Theo cách này, sự kết hợp giữa Điện toán biên thời gian thực và điện toán sương mù (Fog Computing) với khả năng tương tác và khả năng mở rộng sẽ cung cấp hiệu suất tốt nhất cho Digital Twin cấp hệ thống.
Song sinh kỹ thuật số cấp độ hệ thống của hệ thống (SoS) dựa trên điện toán đám mây
Tối ưu hóa hợp tác giữa nhiều Digital Twin cấp hệ thống có thể đạt được bằng cách phát triển một nền tảng dịch vụ thông minh. Kết quả là, nhiều Digital Twin cấp hệ thống tạo thành Digital Twin cấp SoS.
Ví dụ: nhiều dây chuyền sản xuất hoặc nhà máy hợp tác với nhau thông qua nền tảng Cloud Service thông minh, đạt được sự tích hợp hệ thống toàn doanh nghiệp trong toàn bộ vòng đời sản phẩm. Digital Twin cấp SoS bao gồm nhiều người tham gia và tài nguyên khác nhau, có thể bị phân tán về mặt địa lý. Dữ liệu của Digital Twin cấp SoS phong phú và đa dạng hơn.
Do đó, các yêu cầu cần được đáp ứng trong Digital Twin cấp SoS bao gồm (1) cung cấp lưu trữ và xử lý dữ liệu phân tán và (2) cung cấp dữ liệu và dịch vụ thông minh cho cộng tác doanh nghiệp. Như trong Hình trên, kiến trúc điện toán đám mây có lợi cho việc tổ chức và quản lý một số lượng lớn các thiết bị được kết nối, cũng như sự kết hợp và tích hợp dữ liệu bên trong và bên ngoài của doanh nghiệp.
Trong kiến trúc điện toán đám mây, nhiều loại thiết bị lưu trữ khác nhau có thể hoạt động cùng nhau thông qua phần mềm ứng dụng, để cùng cung cấp lưu trữ dữ liệu và truy cập kinh doanh cho doanh nghiệp. Bên cạnh đó, việc khai thác dữ liệu lớn phải được hỗ trợ bởi các công nghệ xử lý và ảo hóa phân tán, đó là các đặc điểm điển hình của điện toán đám mây. Do đó, điện toán đám mây là công nghệ lý tưởng để lưu trữ và phân tích dữ liệu lớn và lâu dài của Digital Twin cấp SoS.
Ngoài ra, các dịch vụ với các đặc điểm của khả năng tương tác mở đường cho sự hợp tác giữa các Digital Twin cấp hệ thống. Theo kiến trúc đám mây, các Digital Twin cấp đơn vị hoặc Digital Twin cấp hệ thống khác nhau có thể được gói gọn trong các dịch vụ, để trở thành các thành phần plug-and-play và được chia sẻ bởi những người tham gia khác
Theo cách này, các nhà sản xuất không chỉ có thể thuận tiện cung cấp dịch vụ của mình cho các bên liên quan hợp tác mà còn sử dụng các nguồn lực khác nhau theo cách trả tiền. Tóm lại, kiến trúc điện toán đám mây cung cấp sự linh hoạt hơn về kiến trúc và sử dụng dữ liệu ngoài cao hơn để đổi mới sản phẩm và tạo ra giá trị.
Ví dụ, ứng dụng chuỗi cung ứng và tùy chỉnh sản phẩm có thể được hưởng lợi từ việc hiểu biết từ chế độ xem dữ liệu tổng hợp.
KẾT LUẬN
Liên quan đến sự phát triển của dịch vụ sản xuất, xã hội hóa và cá nhân hóa nhu cầu, việc thúc đẩy và ứng dụng sản xuất thông minh tạo thành một xu hướng tất yếu. Đạt được sự tương tác và tích hợp của không gian vật lý và không gian ảo của sản xuất thông qua việc sử dụng các công nghệ tiên tiến, tạo thành một điều kiện tiên quyết quan trọng để thực hiện sản xuất thông minh.Cuối cùng, Digital Twin là công nghệ được ưa thích. Digital Twin có thể được áp dụng cho toàn bộ quy trình sản xuất, toàn bộ chuỗi cung ứng và toàn bộ vòng đời sản phẩm. Tùy thuộc vào phạm vi phân bổ tài nguyên, Digital Twin có thể được phân tầng theo cấp đơn vị, cấp hệ thống và cấp SoS.
Bởi vì dữ liệu được tạo ở các cấp khác nhau có các yêu cầu khác nhau ở quy mô thời gian, Điện toán biên , điện toán sương mù (Fog Computing) và điện toán đám mây cung cấp các giải pháp kỹ thuật lý tưởng cho các cấp khác nhau của hệ thống vật lý không gian mạng (CPS) và Digital Twin .Sự hợp tác giữa Điện toán biên , điện toán sương mù (Fog Computing) và điện toán đám mây có thể đáp ứng tốt hơn các yêu cầu của từng cấp độ Digital Twin.
Nguồn Digital Twin Driven Smart Manufacturing
