Применение цифровых двойников в интернете вещей (IoT)

Совокупность взаимодействия вычислительных устройств, процессоров, датчиков и микрочипов, различных механизмов и автоматических объектов, а также людей или животных, каждому из которых в такого рода системе присвоен свой уникальный идентификационный код или номер принято сейчас именовать интернетом вещей (IoT). Ещё одним необходимым фактором в этой метавселенной является возможность взаимодействия путём обмена данными по сети, даже без вмешательства человека. Чтобы было понятнее – то системы «умного дома», в которых может быть запрограммировано, например, поддержание заданной температуры в помещении или включение приборов в определённое время, как раз относятся к интернету вещей.
Интернет вещей добавляет в систему массу информации и дополнительных данных, которые могут быть использованы в производстве, здравоохранении, автомобилестроении, городском управлении и других отраслях промышленности. В списке ниже классифицированы лишь некоторые области применения цифровых двойников интернета вещей в различных отраслях промышленности.

Умный город:

• Моделирование;
• Визуализация виртуальной реальности;
• Семантические сети управления данными;
• Научные разработки по организации трафика транспортных систем;
• Высокопроизводительные вычисления;
• Расширенная численная оптимизация;
• Дополненная, виртуальная и смешанная (гибридная) реальность;
• 5G и тактильный интернет;
• Облачные вычисления;

Здравоохранение:

• Портативные и носимые диагностические устройства;
• Управление здоровьем;
• Доступ к общим ресурсам здравоохранения;
• Объединение и обмен информацией в здравоохранении;
• Управление услугами;
• Управление моделями протоколов лечения;
• Сохранение безопасности медицинских данных;
• Управление данными пациентов и их анализ;

Производство:

• Обмен данными;
• Робототехника;
• Облачные вычисления;
• Имитационное и 3D моделирование продукта;
• Моделирование и верификация производственных процессов;
• Анализ качества продукции;
• Оптимизация и прогнозирование энергопотребления в цехах;
• Крекинг и нормирование материалов;
• Совместный анализ производственного процесса датчиками на конвейере или роботизированной линии;
• Кластеризация, синхронизация и сегментация данных;
• Алгоритмы локализации аномалий в производственном процессе.

Цифровой двойник - это возможность получить виртуальное представление об элементах и динамике того, как любое устройство Интернета вещей работает на протяжении всего своего жизненного цикла. Внедряя эту технологию, можно решить и визуализировать бесшовную интеграцию между IoT и аналитикой больших данных. Виртуальная среда создаётся для того, чтобы разработчик мог отслеживать состояние устройств или тестировать новые решения без создания реальной физической среды.

Различные датчики расположены в каждом уголке даже небольшого города, а уж о мегаполисах нечего и говорить. Например, мобильные телефоны предоставляют информацию о местоположении людей, а камеры наблюдения загружают информацию об изображениях уличных условий. У инфраструктурных служб, обеспечивающих горожан коммунальными услугами, тоже есть немало датчиков за мониторингом работы оборудования. Данные передаются на платформу Интернета вещей для выполнения различных услуг в рамках «умного города», а затем передаются в виртуальную модель города, чтобы ситуация моделировалась в виртуальной модели, в соответствии с изменяющейся обстановкой реального города. На основе такого цифрового двойника можно отрабатывать взаимодействия всех служб и инфраструктуры при возникновении различных нештатных ситуаций или даже серьёзных угроз.

Что касается применения цифровых двойников в здравоохранении, то существует уже множество платформ или моделей, ориентированных как на общую врачебную практику, так ориентированных и в соответствии со специализацией. Ещё в 2018 году один шведский разработчик сравнил саму структуру цифровых двойников с человеческим организмом и предположил, что её можно применять для прогнозирования заболеваний, улучшения самочувствия и принятия решений об образе жизни. После чего было предложено создать облачную систему здравоохранения на основе консолидации множества цифровых двойников (CloudDTH) для наблюдения в режиме реального времени и точного оповещения о чрезвычайных ситуациях для пожилых людей в медицинских учреждениях.

В настоящее время большинство исследований в области цифрового дуплицирования и Интернета вещей сосредоточено на обрабатывающей промышленности. С развитием технологии сбора и обработки больших массивов данных (БигДата), облачных вычислений, машинного обучения и технологий искусственного интеллекта можно обрабатывать огромное количество разнообразной информации, генерируемой в процессе производства, а промышленный интернет вещей (IIoT) изначально был создан и развивался специально для промышленной сферы.

Интернет вещей предоставил различные датчики для производственного оборудования, такого, например, как различные станки с ЧПУ. Кроме того, используются и побочные каналы (такие как акустическая эмиссия и магнитные колебания) для устаревших производственных систем без встроенных датчиков, чтобы выявить киберфизическую взаимосвязь системы. Благодаря внедрению технологии 5G произошло улучшение мобильной широкополосной связи (eMBB), массовой межмашинной связи (mMTC) и сверхнадежной передачи данных с малой задержкой сигнала (URLLC). Все эти инновационные технологии, внедрённые в роботизированные комплексы могут обеспечить высокую степень дуплексного взаимодействия между реальным физическим оборудованием и цифровым двойником. В качестве формата обмена данными для разного типа оборудования разработан универсальный протокол «AutomationML». А для обеспечения масштабируемости возможностей хранения, вычислений и междоменной связи в применении услуг IoT существуют системы облачных вычислений и совместного доступа.