6 minute read
Digitální dvojčata v logistice a dodavatelském řetězci
Použití digitálních dvojčat pomůže fi rmám hledat další úspory, optimalizovat a případně nacházet úzká místa ve výrobě. V posledních letech jsme zažili ostré tempo inovací, a právě digitální dvojčata jsou jedním z nástrojů, které pomáhají toto tempo udržet a uspět na konkurenčním trhu. Nad možnostmi se zamýšlí Radim Adam.
Advertisement
Co to je vlastně digitální dvojče? Digitální dvojče se jako pojem objevuje v poslední době ve spojení s mnoha dalšími populárními pojmy jako např. umělá inteligence, strojové učení, horizontální integrace, digitalizace, robotizace, internet věcí, big data, virtuální a rozšířená realita apod. Digitální dvojče je v pravém slova smyslu virtuální, fyzicky neexistující model, který může reprezentovat v podstatě jak produkt, tak proces jeho výroby, případně procesy související s komplexním procesem jeho dodávky uživateli, tedy od marketingu, přes smlouvu k plánu výroby, výrobě a dodávce zákazníkovi. Vše lze namodelovat. Pokud přijmeme názor, že výroba se svou vnitřní logistikou je součástí dodavatelského řetězce konkrétního produktu, můžeme zpracovat digitální dvojče celého procesu. Prazáklad digitálních dvojčat lze vysledovat k možnostem daných rozvojem CAD systémů (Computer Aided Design), k obrovskému rozvoji výpočetního výkonu, který umožňuje sběr rozsáhlých dat, jejich relativně rychlou analýzu a interpretaci, a také ke stále se zvyšujícím schopnostem umělé inteligence, především neuronovým sítím, které umožňují vyhledávání vnitřních struktur, souvislostí a zákonitostí. Předchozí metody modelování a simulace se často opíraly o modely na základě statistiky, diferenciálních rovnic, pravidlových modelů a řady dalších způsobů. Většina těchto metod se často ukrývá uvnitř algoritmů, které jsou ve viditelné podobě prezentovány pod souhrnným názvem digitální dvojče. Tím, jak CAD systémy umožňovaly nejen počítačový návrh strojních, elektrických a stavebních projektů, ale i jejich simulaci, bylo jen otázkou času, kdy umožní zabudovat do svých algoritmů i možnosti simulace dynamických vlastností, v prvé řadě řešení otázek spojených s nejrůznějšími časovými problémy. Proto k prvním simulacím patřilo modelování taktu výroby, vyhledávání úzkých míst a v mnoha případech zefektivňování logistického procesu.
Předrealizační fáze návrhu digitálního dvojčete Na začátku celého procesu by měla být myšlenka produktu nebo celé množiny produktů, které se vyrábějí určitým konkrétním výrobním procesem. S tímto procesem samozřejmě velmi úzce souvisí i technologický postup výroby a jeho variabilita včetně variabilních postupů alokace zdrojů a dalších logistických funkcí. Vytváření návrhu fyzického produktu je v technické praxi velmi zakořeněnou situací. Nelze si představit stavbu bez projektové dokumentace. Ovšem až digitalizace procesu návrhu konkrétního výrobku pomocí výpočetní techniky umožnila zahrnout do návrhu i vlastnosti jednotlivých materiálů, a tak řadu výrobků testovat již v digitální podobě a ušetřit vysoké náklady na výrobu fyzických modelů a prototypů, ověřování jejich vlastností zkouškami (i destrukčními) a především zkrátit dobu vývoje a nalezení optimálního technologického postupu výroby. Ideální pro využití vlastností digitálních dvojčat je situace výstavby nové haly s novou produkcí. Do digitálního dvojčete stavby lze velmi jednoduchým způsobem umístit digitální dvojčata výrobní linky, která se skládá z digitálních dvojčat jednotlivých strojů. A v tomto případě lze již modelovat všechny situace, které mohou nastat. Především takty jednotlivých strojů, linek, prostorové možnosti manipulace a dopravy materiálů a poloproduktů k a od linky, návaznosti jednotlivých operací v čase. K dalším výhodám patří modelování procesu i s ohledem na zaměstnance, ergonometrii a zajištění jejich bezpečnosti
vzhledem k pohybu např. robotů, manipulátorů nebo transportních zařízení. V této situaci jsou digitální dvojčata nezastupitelná především u prostorového řešení, které umožňuje plynulý tok výroby, dopravu ze skladů a na sklady, bezpečnost zaměstnanců, ladění procesů tak, aby nedocházelo k prostojům, zbytečným ztrátám lidské práce, energií, poruchám a haváriím. Vhodným řešením jsou digitální dvojčata technologií, umožňující popsat i dynamické chování jednotlivých objektů. Výše popsaný stav předpokládá, že máme k dispozici všechna digitální dvojčata jak prostoru, tak linek a strojů, ze kterých se skládají, tak fi nálních produktů. Protože nebývá vše ideální, v mnoha případech se musí nová výroba vtěsnat do stávajících prostor, které jsou k dispozici. I zde je možnost vytvoření třídimenzionálního modelu pomocí 3D skeneru. Mnohdy se totiž skutečnost velmi liší od historických plánů a projektů, které jsou k dispozici. Především se to týká vnitřních instalací provozních médií, v mnoha případech také změn stavebních otvorů – oken, dveří, bran apod. Velmi účelné v takovém případě jsou modely skladů, logistických center, manipulačních a transportních prostředků. Simulace mohou velmi konkrétně odhalit úzká místa v provozu, nebezpečí kolizí jak u lidí, tak u např. dopravních robotů, vytváření zácpy v případě nestandardní situace, např. porucha manipulačního prostředku nebo havarijní situace vyžadující evakuaci osob. Tady se osvědčují kombinace modelů se systémy umělé inteligence, které dokážou předvídat takové situace, případně navrhovat pro danou situaci optimální řešení. Nezanedbatelná je i možnost využití teorie front při jejich modelování. Poměrně novou záležitostí je už v předrealizační fázi modelovat podmínky související s efektivitou celého procesu, jako jsou variabilní náklady na jednici výroby, kdy do kalkulace vstupují měnící se náklady na lidskou práci v rámci dne (příplatky a různé odměny), náklady na energii nebo např. náklady spojené s poruchami, prostoji a opravami. Ke zcela novým aktivitám se dají digitální dvojčata použít i při zaškolování operátorů a dalšího personálu v době, kdy se ještě nevyrábí, případně linka nebo stroj ještě není nainstalován. Simulátory zde jsou již velmi dlouho, většina z nás si umí představit letecký simulátor nebo zažila simulátor v autoškole. Ovšem digitální dvojče v kombinaci s virtuální nebo rozšířenou realitou představuje zcela jinou kvalitu. Operátoři a technici nejenže jsou schopni se seznámit a „osahat“ si novou technologii, mohou být také vyškoleni ve zvládání nestandardních situací, poruch a následným napravování škod. Určitě je vhodnější tyto aktivity provádět ve virtuálním prostředí než na velmi drahém zařízení.
Digitální dvojče a skutečný provoz Vytváření virtuálního modelu logistiky a výroby má smysl i v případě, že vše je již v plném nasazení. Skutečnost se velmi často liší od mnoha předpokladů. Nejčastější situací je to, že výsledky reálného procesu nekorespondují s výsledky z digitálního dvojčete. Někdy je třeba zpřesnit vlastní model, většinou se jedná o změny dynamických parametrů, především taktu linky nebo stroje. Ale velmi často je shledáno, že model je v pořádku a je třeba analyzovat příčiny, proč linka nedosahuje žádaných parametrů. Porovnáváním procesu krok za krokem se velmi často vysleduje, kde je prostor pro zlepšení, poučení personálu nebo změnu fyzického řešení. Nejednou lze takto odhalit předporuchovou situaci, případně kreativní aktivity zaměstnanců, které nemohly modely předpokládat. V případě poruchy dokážou digitální dvojčata v kombinaci s rozšířenou realitou a animací efektivně pomoci údržbě s vyhledáním a odstraněním problému, poradit, jak správně manipulovat s konkrétním strojním uzlem, případně vyhledat možné náhradní nebo provizorní řešení opravy. Velmi častým úkolem je vyhledání řešení při změně fyzického uspořádání výroby, skladů nebo dopravních cest. Často souvisí se změnou vyráběného produktu nebo celé rodiny produktů, nákupem nových strojů a linek případně k celkové změně koncepce využití daného prostoru. Tady digitální dvojčata dokážou nahradit dlouhé přemýšlení. Velmi často je potřeba vytvořit alespoň velmi jednoduchá dvojčata např. naskenováním stávajícího zařízení, včetně vymezení jeho krajních poloh, případně zjištění některých parametrů, jako je spotřeba energií při různých zatíženích, takt stroje nebo potřeba prostoru při jeho obsluze, případně opravách. Potom vytvoření nového půdorysu logistiky a výroby představuje již poměrně snadnou práci. K dalším úkolům, které se daří s pomocí digitálních dvojčat velmi úspěšně zvládat, je přechod z jednoho typu výroby na jiný na stávajících zařízeních. Zvláště u velmi drahých linek je čas potřebný na jejich přestavení velmi limitujícím a drahým faktorem. Časy na přestavbu, výměnu nástrojů ve strojích a robotech, seřízení jsou nesmírně nákladná záležitost. Proto simulace všech úkonů, případně nacvičení pomocí virtuální reality představuje obrovskou úsporu času i peněz.
Budoucnost? Digitální dvojčata nalezla své opodstatnění s rozvojem výpočetní techniky. Nejsou samospasitelná, ale v kombinaci se znalostmi jednotlivých procesů od návrhu produktu, přes jeho výrobu po jeho využití uživatelem můžeme provádět modelování a simulace. Dříve se používalo fyzické modelování, vytvářely se funkční modely v měřítku a v mnoha případech se prováděla simulace pomocí statistických a numerických metod. Digitální dvojčata dávají těmto technikám nový rozměr a samozřejmě nové možnostmi. Každý zde uvedený bod by mohl být námětem samostatného článku, nejlépe s uvedením mnoha příkladů. Určitě každý ve své praxi dříve nebo později narazí na problém, který je pomocí digitálních dvojčat řešen nebo může být řešen.
Z časového pohledu můžeme hovořit o dvou základních fázích použití digitálních dvojčat. Před vlastní fyzickou realizací a v průběhu již provozovaného řešení.
