Дигиталните близнаци. Новата „суперсила“ на производителите на автомобили

Експертите твърдят, че цифровите близнаци, които обединяват виртуалния и физическия свят, могат да намалят разходите, да съкратят времето за пускане на пазара и да осигурят безопасна работна среда.

През декември 2021 г. странно същество започва да обикаля из заводите на Audi, като им помага да се подготвят за бъдещето.

Спот, роботизирано куче, разработено от Audi и NavVis, германски стартъп, носи 3D лазерен скенер, който записва изображения на всеки инструмент и квадратен метър. Изображенията ще бъдат слети, за да се създаде цифров близнак на фабриката, който може да се използва за планиране на производството, смяна на инструменталната екипировка и реализиране на множество други подобрения на ефективността и намаляване на разходите.

Тъй като Спот може да работи през уикендите без да се оплаква и не се нуждае от обедни почивки, той може да сканира цялата фабрика за 48 часа – задача, която би отнела на екип от хора три седмици. 

„Обединяването на всички данни за планиране в нашия дигитален близнак ни даде цялостен поглед върху бъдещите ни производствени планове за години напред“, казва Андрес Колер, ръководител на екипа за виртуално планиране на сглобяването в Audi.

Спот, тестови проект, може да е изпреварил времето си с няколко години – повечето автомобилни производители разчитат на други методи за сканиране, за да дигитализират заводите си – но дигиталните близнаци се очертават като ключ към бързото, безопасно и ефективно производство, особено когато автомобилните производители се надпреварват да бъдат в крак с тенденции като електрификацията и софтуерно дефинирания автомобил.

КАКВО Е ДИГИТАЛЕН БЛИЗНАК?

Международната организация по стандартизация (ISO) определя дигиталния близнак за целите на индустриализацията като „цифрово представяне на наблюдаем производствен елемент със синхронизация между елемента и неговото цифрово представяне“. 

Използвайки близнаци, производителите на автомобили могат да проиграят преустройството на завод с двигатели с вътрешно горене за производство на електрически автомобили. Те могат да изпробват нова част от инструменталната екипировка, да обучат работниците на нови процеси и да променят тези процеси в движение, за да подобрят коефициента на производителност и дори качеството на автомобилите.

„Когато имате дигитален близнак, можете да правите неща във виртуалния свят, преди да поемете скъпоструващия риск да ги направите във физическия свят“, казва пред Automotive News Europe Ричард Керис, вицепрезидент по разработването на платформата Omniverse в Nvidia. Според него един цифров близнак, който отговаря на реалността до последната гайка, болт, процес и работник в производствената мрежа, може да даде на автомобилния производител „суперсили“.

Nvidia работи с BMW, General Motors, Mercedes-Benz и други по своята платформа Omniverse, която Керис описва като операционна система на индустриална метавселена. Той бързо добави, че „метавселена“ в индустриален контекст „не е всеки, който се движи наоколо като аватар“, а по-скоро мрежа, която позволява безпроблемна връзка между 3D виртуални светове.  

„Ключовото нещо за дигиталния близнак е, че той не спира, когато сте го направили“, каза Керис. „С течение на времето можете да изучавате и да научавате неща – може би има начини да обучавате роботите да се движат по-ефективно или по-безопасни начини за придвижване на оборудването.“

Дигиталните близнаци и по-широката концепция за индустриална метавселена се основават на принципите на т.нар. индустрия 4.0, която има за цел да изгради по-добри процеси чрез събиране („Интернет на нещата“) и обработка на данни.

Пробив през силозите

„Първата вълна на Индустрия 4.0 донесе прозрачност и известна предсказуемост, но не съчетаваше реални данни и възможност за симулация“, казва Пиер Баньон, вицепрезидент, глобален ръководител на акселератора за интелигентна индустрия в Capgemini, пред Automotive News Europe. „Все още има много силози.“

В автомобилната индустрия дигиталните близнаци могат да разрушат стените между разработването на продукти – сфера на дизайнерите и инженерите – и процесния инженеринг, където автомобилите преминават от прототип към производство, каза Баньон, който е работил в Robert Bosch повече от 15 години.

„Това, за което мечтаехме, беше идеално пригоден за производство продуктов дизайн“, каза колегата на Багнон Матиас Айзеншмид, вицепрезидент, ръководител на отдела за автомобилно производство и управление на веригата за доставки в Capgemini Invent Германия и ветеран от планирането на производството в Mercedes-Benz. Цифровите близнаци са „промяна на играта“ за този случай на употреба, каза той, като позволяват продуктът и процесът да се развиват по синхронизиран, паралелен начин.

„Получавате производствена линия, която е зряла от самото начало“, каза Айзеншмид. „В миналото трябваше да похарчите много време и пари във физическото производство, за да развиете и оптимизирате процесите. Използвайки индустриален цифров близнак, можете да идентифицирате и решите повечето от проблемите си предварително във виртуалната фаза.“

Дигиталните близнаци могат да съкратят времето за пускане на пазара с 20 до 30 %, да подобрят качеството с 20 % и ефективността на ресурсите с до 40 %, казват Баньон и Айзеншмид. „Това е мащабът на амбициите, които нашите клиенти влагат, за да оправдаят инвестициите“, каза Багнън.

„Това е инвестиция за много милиони долари, но по-важният въпрос е какво ще се случи, ако не го направите?“ Ейзеншмид каза: „Ако не направим това, което трябва да се направи, ще се наложи да направим това. „Има нови конкуренти, които вече се възползват в значителна степен от тези нови технологии като общи инструменти.“

Renault Group създава своя собствена индустриална метавселена, включваща дигитални близнаци – процес, който се състои от четири стъпки и продължава години. „Искаме да разполагаме с напълно приложима вселена с пълно копие на това, което се случва в реалния свят“, заяви пред Automotive News Europe Ерик Марчиол, директор „Цифрова трансформация“ в Renault Group.

„Научихме, че масовото използване на данни е най-добрият начин за постигане на нашите цели“, каза Марчиол.

Renault има амбициозни цели: До 2025 г. тя очаква да постигне общи икономии в размер на 320 млн. евро, икономии на инвентар в размер на 260 млн. евро, 60-процентно съкращаване на времето за доставка на автомобилите и 50-процентно намаляване на производствените емисии на CO2. По отношение на качеството ще има основен принос за 60-процентно намаляване на гаранционните разходи.

Но пътят на Renault към пълна индустриална метавселена показва обхвата на такъв проект.

Първата стъпка, събирането и стандартизирането на данни, започна през 2016 г., когато Renault създаде свои собствени приложения, за да може да визуализира съществуващите данни в производствения цех на таблети, което доведе до някои „бързи победи“, каза Марчиол. След това е създаден вътрешен екип, който да „разгадае какво има вътре“ в програмируемите логически контролери, роботите и „черните кутии“ в другото оборудване. 

При наличието на 10 000 робота в групата от различни доставчици като Comau или Kuka, както и на машини отпреди десетилетия, „имахме огромно разнообразие от данни“, каза Марчиол.

Сега, каза той, Renault може да събира данни от оборудването си по стандартизиран начин – и получава по един милиард набора от данни на ден. „Но не е достатъчно, ако се събират данни само от оборудването, защото все още имаме много ръчни операции“, добави Марчиол. За да събира тези данни, Renault е изградило цифрови работни станции, които проследяват човешките движения.

БЛИЗНАК ЗА ВСИЧКО

Извън производствения процес дигиталните близнаци играят важна роля в разработването на продукти.

Дизайн: Екстериорните и интериорните дизайнери започват процеса с виртуални модели, като се стигне до напасване и завършване и интериорни материали.

Инженеринг: Въз основа на дизайнерските чертежи инженерите създават цифров модел на физическия автомобил, включително всички компоненти, платформа и каросерия.

Валидиране и тестване: Тестовете за сблъсък, симулациите на шофиране и тестовете в аеродинамичен тунел са само някои от приложенията на цифровия двойник.

Следпродажбено обслужване, свързаност и актуализации: Цифровите близнаци също дават възможност за актуализации по въздуха.

Производство: Според експертите в близко бъдеще продуктът и производството ще се разработват съвместно с помощта на цифрови близнаци.

На втория етап Renault създава цифрови близнаци на своите заводи, използвайки технологии на Siemens и Dassault, за да симулира ново оборудване, и сканира съществуващите си заводи до последния милиметър. След това Renault разполага с аватар, който може да използва за обучение за настройка на оборудването или ергономичност.

След това Renault проследява всички изходящи и входящи дейности от доставчиците, „така че да знаем точно къде се намира всеки камион“, казва Марчиол. Това разширява екосистемата от данни на Renault извън собствения й индустриален отпечатък. 

В четвъртата стъпка. Renault ще използва мощта на своята индустриална метавселена в цялата група чрез базирани в облака, лесни за използване аналитични инструменти. „Демократизираме използването на инструменти за големи данни вътре във всички наши операции“, каза той.

Дигиталните близнаци и други части на метавселената са от решаващо значение за преминаването на Renault към електрически автомобили и задвижващи системи, които ще се произвеждат в рамките на отделената компания Ampere в група заводи в Северна Франция, наречена ElectriCity.

„Когато стартираме нови процеси за електрически двигател или батерия, не можем да отнемем шест месеца, за да достигнем пълен капацитет или оптимизация на процеса“, казва Марчиол.

Той очаква Renault да разполага с напълно функционална метавселена до две години, като последната стъпка ще бъде затварянето на автоматичен цикъл за обратна връзка, който да позволи параметрите на оборудване като роботи или преси да бъдат променяни с помощта на цифрови близнаци.

Такива близнаци вече се използват за моделиране на нови производствени линии, включително програмиране на роботи и извършване на проверки за безопасност във виртуална реалност, „преди да се похарчи дори 1 евро“, каза Марчиол.  

Неочаквани ползи

Renault установи, че събирането на данни може да доведе до неочаквани резултати.

„Започнахме с идеята, че можем да спестим много пари с прогнозна поддръжка, и го направихме, но това не е най-големият източник на приходи“, казва Марчиол. „Когато започнете да събирате данни от цялото си оборудване и развиете последователност в процеса, сте в състояние да видите слона в стаята, който не сте могли да видите преди.“ 

За Renault това включва проблеми с качеството в каросерийния цех, които могат да бъдат проследени до нивото на конкретна заварка, или забавяне на процеса от конкретен робот при конфигурация на автомобил, който може да се спуска по линията само веднъж на три часа. 

„Същите данни, които могат да се използват за прогнозна поддръжка, могат да се използват за качество или потребление на енергия“, казва Марчиол. „Всеки път, когато добавяме оборудване, не е необходимо да се питаме: „Трябва ли да събираме данни?“ Това е автоматична политика.“

Марчиол добави: „В момента, в който се извършва анализ на данните, е необходимо да се направи анализ на данните: „Отворихме кутията на метавселената, но трябва да я приложим навсякъде с повече функции.“

Други производители на автомобили разчитат на дигиталните близнаци за повишаване на ефективността, иновациите и намаляване на разходите. GM, в сътрудничество с General Electric, е разработил така нареченото тестово място за виртуална фабрика, за да моделира процесите за производство по поръчка; цифровите близнаци също така тестват интеграцията на физическите и информационните системи в завода.

Мерцедес, който Керис определи като един от „ключовите“ клиенти на Nvidia, ще работи с доставчика, за да изгради дигитален близнак на фабриката си в Ращат, Германия, където от 2024 г. ще се произвеждат изцяло електрически автомобили от клас „entry-luxury“ на предстоящата платформа MMA. С помощта на цифровия близнак Mercedes може да тества внедряването на платформата и нейните инструменти и процеси, без да прекъсва съществуващото производство. 

BMW, подобно на Mercedes, разчита на цифрови близнаци (и работи с Nvidia), тъй като подготвя фабричната си мрежа за производство на изцяло електрически – както и софтуерно дефинирани – автомобили. Моделът iFactory има за цел „да направи планирането и симулацията на всички процеси и цялата производствена система 100 % виртуални“, заяви автомобилният производител през юни миналата година.

„Производственото планиране може да интегрира виртуалния продукт във виртуалната фабрика на ранен етап“, заяви в съобщение Микеле Мелхиоре, ръководител на производствената система, цеха за инструменти за планиране и изграждането на заводи в BMW. „Това намалява усилията за планиране и капиталовите разходи и в същото време гарантира, че процесите са по-ефективни и по-стабилни по време на разгръщането на производството.“

Заводът на BMW в Регенсбург вече е изцяло цифрово картографиран, а неговият дигитален близнак се използва за планиране на бъдещите структури и конфигурации на завода. Сред другите заводи на BMW с дигитални близнаци са американският завод в Спартанбург, Южна Каролина, и заводът в Мюнхен. 

BMW заяви, че ще завърши дигиталното сканиране на всички свои заводи до „началото на 2023 г.“ в партньорство с NavVis, която освен в кучето робот Спот е специализирана в мобилни лазерни скенери, които операторите прикрепят към тялото си, докато се движат из производствените помещения.

„Насочваме се в посока на визуализация на фабриката в реално време“, казва Филип Куадстеге, старши мениджър на решения за цифрови фабрики в NavVis.

Скенерите на NavVis заснемат оборудването в цеха в точната му позиция, но също така и физическото пространство около инструментите до тавана. Това може да определи колко място остава за нови инструменти, което е от решаващо значение, ако производителите на автомобили искат да разширят производството. 

Новите инструменти са стандартно снабдени със собствено цифрово изображение, казват Куадстеге и други експерти, но по-старото оборудване трябва да се сканира парче по парче. 

„Повечето от данните, с които разполагат компаниите, са ужасно остарели“, каза той пред Automotive News Europe. „Много компании все още работят в 2D формат.“ Дори новите инструменти трябва да бъдат сканирани, след като бъдат поставени на място, каза той, тъй като планът на обекта може да се различава от действителната инсталация, което прави цифровия близнак неточен.

След като заводът бъде сканиран, NavVis създава цифров близнак с помощта на облачна технология. 

Куадстеге казва, че прозрачността – възможността всеки, където и да е в компанията, да вижда какво се случва в завод, който може да е на хиляди километри – е основният фактор за ползите от цифровите близнаци. 

„Има голям потенциал, ако се въведе прозрачност“, казва той. „Можете да намалите инвестициите, качеството на продуктите се повишава, повишава се ефективността при планирането.“ 

Тъй като заводите се конкурират помежду си за разпределение на превозни средства и инвестиции, подобна прозрачност може да се разглежда като заплаха, каза той. „Мениджърите на заводи се притесняват за своя завод в сравнение с другите“, каза той. „Но от друга страна, не можете да избегнете дигитализацията.“