ما هو التوءَم الرقمي؟

الكائن محل الدراسة — على سبيل المثال، توربين الرياح — مزود بأجهزة استشعار مختلفة تتعلق بالمجالات الحيوية للوظائف. تنتج هذه المستشعرات بيانات حول الجوانب المختلفة لأداء الكائن المادي، مثل إخراج الطاقة ودرجة الحرارة والظروف الجوية وغير ذلك الكثير. يتلقى نظام المعالجة هذه المعلومات ويطبقها بنشاط على النسخة الرقمية.

بعد تزويده بالبيانات ذات الصلة، يمكن استخدام النموذج الرقمي لإجراء عمليات محاكاة مختلفة وتحليل مشاكل الأداء وإنشاء تحسينات محتملة. والهدف النهائي هو الحصول على معرفة قيمة يمكن استخدامها لتحسين الكيان المادي الأصلي.

على الرغم من أن عمليات المحاكاة والتوائم الرقمية تستخدم النماذج الرقمية لتكرار عمليات النظام المختلفة، إلا أن التوأم الرقمي هو في الواقع بيئة افتراضية، مما يجعله أكثر غنى للدراسة. الفرق بين التوأم الرقمي والمحاكاة هو مسألة واسعة النطاق إلى حد كبير: في حين أن المحاكاة تدرس عادةً عملية واحدة معينة، يمكن للتوأم الرقمي تشغيل أي عدد من عمليات المحاكاة المفيدة لدراسة عمليات متعددة.

ولا تنتهي الفروق عند هذا الحد. على سبيل المثال، لا تستفيد عمليات المحاكاة عادةً من وجود بيانات في الوقت الفعلي. ولكن تم تصميم التوأم الرقمي معتمدًا على التدفق ثنائي الاتجاه للمعلومات الذي يحدث عندما توفر أجهزة استشعار الكائنات البيانات ذات الصلة إلى معالج النظام، ثم يحدث مرة أخرى عندما تتم مشاركة الرؤى التي أنشأها المعالج مع كائن المصدر الأصلي.

من خلال الحصول على بيانات أفضل ومحدثة باستمرار تتعلق بمجموعة واسعة من المجالات، بالإضافة إلى قوة الحوسبة المضافة التي تصاحب البيئة الافتراضية، يمكن للتوائم الرقمية دراسة المزيد من القضايا من وجهات نظر أكثر بكثير مما يمكن للمحاكاة القياسية أن تفعله، مع إمكانية أكبر في نهاية المطاف لتحسين المنتجات والعمليات.

هناك أنواع مختلفة من التوائم الرقمية اعتماداً على مستوى تكبير المنتج. الفرق الأكبر بين هذه التوائم هو مجال التطبيق. من الشائع أن تتعايش أنواع مختلفة من التوائم الرقمية داخل نظام أو عملية واحدة. دعنا نتعرف على أنواع التوائم الرقمية لمعرفة الاختلافات وكيفية تطبيقها.

تم التعبير عن فكرة تقنية التوأم الرقمي لأول مرة في عام 1991، بالتزامن مع نشر Mirror Worlds، بواسطة David Gelernter. ومع ذلك، يرجع الفضل إلى الدكتور Michael Grieves (الذي كان عضوًا في هيئة التدريس في جامعة ميتشيغان) في تطبيق مفهوم التوائم الرقمية لأول مرة على التصنيع في عام 2002 والإعلان رسميًا عن مفهوم برنامج التوأم الرقمي. وفي النهاية، قدم John Vickers من وكالة ناسا مصطلحًا جديدًا — وهو "التوأم الرقمي" —في عام 2010.

ومع ذلك، فإن الفكرة الأساسية لاستخدام التوأم الرقمي كوسيلة لدراسة شيء مادي يمكن في الواقع أن تكون مشاهدة فعليًا قبل ذلك بكثير. في الواقع، يمكن القول عن حق إن وكالة ناسا كانت رائدة في استخدام تقنية التوأم الرقمي خلال بعثات استكشاف الفضاء التي قامت بها في ستينيات القرن العشرين، عندما تم تكرار كل مركبة فضاء مسافرة بالضبط في نسخة متصلة بالأرض تم استخدامها لأغراض الدراسة والمحاكاة من قِبل موظفي وكالة ناسا العاملين على متن السفن الفضائية.

يتيح استخدام التوأم الرقمي إجراء أبحاث وتصميمات للمنتجات أكثر فعالية، مع وفرة البيانات التي تم إنشاؤها حول نتائج الأداء المحتملة. يمكن أن تؤدي هذه المعلومات إلى معارف تساعد الشركات على إجراء التحسينات اللازمة على المنتجات قبل البدء في الإنتاج

حتى بعد دخول منتج جديد في مرحلة الإنتاج، يمكن أن يساعد التوأم الرقمي في مراقبة أنظمة الإنتاج، مع التركيز على تحقيق أعلى كفاءة والحفاظ عليها طوال عملية التصنيع بأكملها.

كما يمكن أن يساعد التوأم الرقمي الشركات المصنعة على تحديد ما يجب فعله بالمنتجات التي تصل إلى نهاية دورة حياة المنتج وتحتاج إلى معالجة نهائية، من خلال إعادة التدوير أو غيرها من الإجراءات. باستخدام التوأم الرقمي، يمكنهم تحديد مواد المنتجات التي يمكن حصادها.

على الرغم من أن التوأم الرقمي محظوظ لما يقدمه، إلا أن استخدامه غير مبرر لكل مصنع أو كل منتج تم إنشاؤه. ليس كل كائن معقدًا بما يكفي ليحتاج إلى التدفق المكثف والمنتظم لبيانات المستشعر التي يتطلبها التوأم الرقمي. كما أنه لا يستحق الأمر من وجهة نظر مالية استثمار موارد كبيرة في إنشاء توأم رقمي. (ضع في اعتبارك أن التوأم الرقمي هو نسخة طبق الأصل من كائن مادي، مما قد يجعل إنشاءه مكلفاً.)

بدلاً من ذلك، تحقق أنواع عديدة من المشاريع فائدة على وجه التحديد من استخدام النماذج الرقمية:

• مشاريع كبيرة من الناحية المادية: تلتزم المباني والجسور وغيرها من الهياكل المعقدة بقواعد هندسية صارمة. 
• مشاريع معقدة ميكانيكياً: التوربينات النفاثة والسيارات والطائرات. التوأم الرقمي يمكن أن يساعد على تحسين الكفاءة داخل الآلات المعقدة والمحركات العملاقة.
• معدات الطاقة: تشمل آليات توليد الطاقة ونقلها على حدٍ سواء.
• مشاريع التصنيع: يتفوق التوأم الرقمي في المساعدة على تبسيط كفاءة العمليات، كما هو الحال في البيئات الصناعية التي تعمل فيها أنظمة الآلات المشتركة.

لذلك، فإن الصناعات التي تحقق أكبر قدر من النجاح مع التوأم الرقمي هي تلك التي تشارك في منتجات أو مشاريع واسعة النطاق:

• الهندسة (الأنظمة)
• تصنيع السيارات
• إنتاج الطائرات
• تصميم عربات السكك الحديدية
• بناء المباني
• التصنيع
• مرافق خدمات الطاقة

يشير سوق التوأم الرقمي المتوسع بسرعة إلى أنه على الرغم من أن التوائم الرقمية قيد الاستخدام بالفعل في العديد من الصناعات، إلا أن الطلب على التوائم الرقمية سيستمر في التزايد لبعض الوقت. ومن المتوقع أن يصل حجم سوق التوأم الرقمي العالمي إلى 73.5 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2027.¹

يتيح استخدام التوأم الرقمي الشامل للمالكين والمشغلين تقليل فترة التعطل مع زيادة الإنتاج. اكتشف حل إدارة دورة حياة الخدمة الذي أنشأته IBM و Siemens.

تُستخدم التوائم الرقمية بالفعل على نطاق واسع في التطبيقات التالية:

تشهد نماذج التشغيل الحالية تغييرًا جوهريًا. يحدث إعادة ابتكار رقمية في الصناعات كثيفة الأصول التي تغير نماذج التشغيل بطريقة مزعجة، مما يتطلب رؤية مادية ورقمية متكاملة للأصول، والمعدات، والمرافق، والعمليات. التوأم الرقمي هو جزء حيوي من إعادة التنظيم هذه.

مستقبل التوائم الرقمية لا حدود له تقريبًا لأن كميات متزايدة من القوة المعرفية يتم تخصيصها باستمرار لاستخدام التوائم الرقمية. لذا، فإن التوائم الرقمية تتعلم باستمرار مهارات وقدرات جديدة، مما يعني أنها قادرة على الاستمرار في توليد الرؤى اللازمة لجعل المنتجات أفضل والعمليات أكثر كفاءة.

في هذه المقالة التي تتناول تحويل العمليات باستخدام التوأم الرقمي، تعرّف على كيفية تأثير التغيير على مجالك.