Cuộc cách mạnh công nghiệp 4.0 đã có nhiều sản phẩm công nghệ có thể ứng dụng trong quản lý, quy hoạch và thiết kế thông minh. Bản sao song sinh kỹ thuật số (digital twin) là công nghệ mang tính đột phá đã ứng dụng trong các quy trình sản xuất công nghiệp và nay từng bước ứng dụng vào quy hoạch, thiết kế và phát triển các đô thị, các khu công nghiệp, các cụm công nghiệp theo xu hướng thông minh. Công nghệ bản sao số có thể sử dụng đồng bộ công nghệ thực tại ảo (VR), đồ họa 3D và mô hình dữ liệu đầu vào (AI, ML, IOT) để xây dựng phiên bản số theo cách mô phỏng, dự đoán kịch bản, xu hướng phát triển hoàn chỉnh cũng như kiểm soát hiệu quả và thông minh cả 1 đô thị, 1 khu công nghiệp hay 1 cụm công nghiệp.
2. Khái quát về bản sao song sinh kỹ thuật số (Digital Twin)
Bản sao song sinh kỹ thuật số là thành tựu mới mẻ của cuộc cách mạng công nghệ 4.0 đã ứng dụng thành công trong khoa học sản xuất như lập kế hoạch và kiểm soát sản xuất, bảo trì và vòng đời sản phẩm. Công nghệ này được cho là đầu tiên xuất hiện năm 1991 với việc xuất bản Mirror Worlds của David Gelernter. Năm 2010, John Vickers của NASA chính thức đưa ra thuật ngữ mới: “Bản sao song sinh kỹ thuật số” và sau đó đã được các công ty công nghệ hàng đầu nghiên cứu để triển khai, áp dụng cho các quy trình sản xuất.
Theo định nghĩa của Deloitte University Press thì “Bản sao song sinh kỹ thuật số có thể được định nghĩa là một hồ sơ kỹ thuật số đang phát triển về hành vi lịch sử và hiện tại của một đối tượng hoặc quy trình vật lý giúp tối ưu hóa hiệu quả kinh doanh. Sinh đôi kỹ thuật số dựa trên các phép đo dữ liệu lớn, tích lũy, thời gian thực, trong thế giới thực trên một loạt các kích thước.” [1]
Theo định nghĩa của Amazon, Bản sao song sinh kỹ thuật số là mô hình ảo, của một đối tượng vật lý, trải khắp vòng đời của đối tượng và sử dụng dữ liệu theo thời gian thực từ các cảm biến trên đối tượng để mô phỏng hành vi và giám sát hoạt động. Việc sử dụng công nghệ Bản sao song sinh kỹ thuật số giúp sao chép nhiều hạng mục ngoài đời thực, từ các thiết bị đơn lẻ trong một nhà máy cho đến phiên bản lắp ráp hoàn chỉnh, chẳng hạn như tua-bin gió và thậm chí toàn bộ các TP. “Công nghệ Bản sao song sinh kỹ thuật số cho phép bạn giám sát hiệu suất của tài sản, xác định các lỗi tiềm ẩn và đưa ra quyết định sáng suốt hơn về công việc bảo trì và vòng đời.” [2]
2. Bản sao song sinh kỹ thuật số hoạt động như thế nào?
Bản sao song sinh kỹ thuật số (digital twin) có thể hiểu là một mô hình ảo sử dụng chương trình máy tính lấy dữ liệu trong thế giới thực về một đối tượng hoặc hệ thống vật lý làm đầu vào và sau đó tạo ra các mô phỏng đầu ra với các dụ đoán sự ảnh hưởng của đối tượng hoặc hệ thống vật lý bởi những dữ liệu đầu vào trước đó.
Theo IBM, “Bản sao song sinh kỹ thuật số là một mô hình ảo được thiết kế để phản ánh chính xác một đối tượng vật lý”. Các đối tượng vật lý được nghiên cứu được trang bị nhiều cảm biến khác nhau liên quan đến các lĩnh vực chức năng quan trọng, tạo ra dữ liệu về các khía cạnh khác nhau trong hoạt động của các đối tượng vật lý đó, sau đó thông qua một hệ thống xử lý dữ liệu và áp dụng tạo nên Bản sao song sinh kỹ thuật số. Điều thú vị ở chỗ: Mô hình ảo sau khi được cung cấp dữ liệu như vậy được sử dụng để chạy mô phỏng, nghiên cứu các vấn đề về hiệu suất và tạo ra các cải tiến khả thi. Sau quá trình mô phỏng, các kết quả của mô hình ảo tạo ra thông tin chi tiết có giá trị có thể áp dụng lại cho đối tượng vật lý ban đầu. [3] (Hình 1).
(Nguồn: Deloitte University Press, dupress.deloitte.com)
Bản sao song sinh kỹ thuật số có sự khác biệt với bản mô phỏng đơn thuần. Mặc dù đều sử dụng các mô hình kỹ thuật số để sao chép các quy trình khác nhau của hệ thống, nhưng song sinh kỹ thuật số thực sự là một môi trường ảo với sự phong phú hơn hẳn bản mô phỏng đơn thuần và rất đáng để nghiên cứu. Mô phỏng truyền thống được thực hiện hoàn toàn trong một môi trường mô phỏng bằng máy tính đã thành công vừa phải trong việc mô hình hóa các môi trường phức tạp. Bản sao kỹ thuật số có thể không chỉ đóng vai trò như một Internet vạn vật (IoT) hỗ trợ cảm biến khác mà nó có thể cung cấp mối liên kết toàn diện gần như trong thời gian thực giữa thế giới vật chất và kỹ thuật số, tương tác giữa các thành phần và toàn bộ quy trình vòng đời. Trong khi mô phỏng thường nghiên cứu một quy trình cụ thể thì bản thân Bản sao song sinh kỹ thuật số có thể tự chạy bất kỳ số lượng mô phỏng hữu ích nào để nghiên cứu nhiều quy trình. Do đó, sự khác biệt chủ yếu giữa Bản sao song sinh kỹ thuật số và mô phỏng là vấn đề quy mô. Mô phỏng được thực hiện 1 chiều theo dữ liệu đầu vào. Trong khi đó, bản sao song sinh kỹ thuật số được thiết kế theo luồng thông tin hai chiều với việc cung cấp dữ liệu cho bộ xử lý hệ thống sau đó khi có thông tin chi tiết lại quay lại chia sẻ dữ liệu với đối tượng vật lý ban đầu. Bản sao song sinh kỹ thuật số đã đem lại những mô hình chuẩn xác hơn so với mô phỏng tiêu chuẩn, giúp cải tiến sản phẩm và quy trình thật sự hiệu quả.[1] [3]
3. Các ứng dụng bản sao song sinh kỹ thuật số trong lĩnh vực công nghiệp
Hiện nay, Bản sao song sinh kỹ thuật số được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực với nhiều ngành công nghiệp khác nhau, vì các lợi ích mang lại có thể giúp các công ty giải quyết những thách thức phức tạp nhất của họ thông qua các mô hình ảo của sản phẩm hoặc tài sản thực. Nhiều công ty đã và đang sử dụng bản sao song sinh kỹ thuật số để xây dựng các đại diện ảo cho hệ thống ngoài đời thực của mình.
Ngành công nghiệp sản xuất máy bay và ô tô là một trong những ngành ứng dụng hiệu quả bản sao song sinh kỹ thuật số. Ngành công nghiệp ô tô sử dụng bản sao kỹ thuật số để tạo ra các mô hình kỹ thuật số của phương tiện. Theo hãng Siemien, việc phát triển ô tô mới chủ yếu diễn ra trong môi trường ảo sử dụng công nghệ bản sao song sinh kỹ thuật số nhằm tạo ra bộ đôi kỹ thuật số của sản phẩm. Hành vi thực tế của phương tiện cũng như các mô hình phần mềm, cơ học và điện có thể được bản sao song sinh kỹ thuật số cung cấp thông tin chuyên sâu giúp cảnh báo một trung tâm dịch vụ hoặc người dùng khi nó phát hiện một vấn đề với hiệu suất của thành phần. Thông qua công nghệ này, sản xuất ô tô cho phép mô phỏng các dữ liệu thực tế để tối ưu hóa thiết kế ô tô trước khi chế tạo (Hình 2) [4].
(Nguồn: https://ift.tt/qDtej8R)
Trong ngành quản trị chuỗi cung ứng, dựa vào Bản sao song sinh kỹ thuật số, các nhà sản xuất và các doanh nghiệp đạt được khả năng hiển thị sản phẩm trong thời điểm, thu thập thông tin tài sản lớn hơn và tạo điều kiện hợp tác. Hãng General Electric (GE) áp dụng công nghệ này để đưa ra để dự đoán trước các hư hỏng, sự cố, từ đó lên kế hoạch thay thế, sửa chữa kịp thời. Nhờ vào dữ liệu của bản sao song sinh kỹ thuật số của máy bay như vận tốc, sức gió, mức nhiên liệu, nhiệt độ, độ cao… đều được ghi lại theo thời gian thực, hãng GE biết trước khi nào phụ tùng máy bay bị hỏng và điều nhân viên đi thay để không làm ảnh hưởng tới lịch bay [5] [6].
Nghiên cứu và ứng dụng bản sao song sinh kỹ thuật số trong ngành công nghiệp năng lượng hiện tại thường tập trung ở quy mô nhỏ và trung bình với một đơn vị vận hành nhất định như lò nung hoặc nhà máy điện. Trong tương lai, công nghệ này cần được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi hơn ở các nguồn cung cấp năng lượng khác nhau với các nhu cầu khác nhau từ cả lĩnh vực công nghiệp và dân dụng như năng lượng mặt trời, thủy điện và năng lượng gió. [7].
Công ty TNHH Đầu tư Năng lượng Trung Quốc (Năng lượng Trung Quốc) đã sản xuất ra 760 tỷ kWh điện và khoảng 600 triệu tấn khí thải CO2 trong năm 2017 và là công ty năng lượng và điện lớn nhất Trung Quốc, với công suất phát điện lắp đặt 239-GWe bao gồm công suất 176-GWe từ 478 tổ máy phát điện đốt than. Việc tiêu thụ than và phát thải CO2 của nhà máy này là một vấn đề lớn, nên việc cải thiện dù chỉ 1% hiệu suất nhiệt trung bình sẽ giảm chi phí nhiên liệu hàng năm của nhà máy khoảng 1,4 tỷ nhân dân tệ và giảm 6 triệu tấn khí thải CO2. Viện Năng lượng Sạch và Carbon Thấp Quốc gia (NICE) của Năng lượng Trung Quốc đang phát triển nền tảng Quản lý Thông minh Nhà máy Điện (PPSM) với mục đích tối ưu hóa hoạt động của đội nhà máy điện chạy bằng than hiện có này. Cốt lõi của nền tảng PPSM là các mô hình song sinh kỹ thuật số tùy chỉnh của các tổ máy phát điện chạy bằng than hiện có. Bản sao được sử dụng để mô phỏng và phân tích hiệu suất hoạt động thực tế của mỗi đơn vị so với hiệu suất tối ưu của nó ở các điều kiện hoạt động khác nhau và điều tra nguyên nhân gốc rễ của sự sai lệch hiệu suất và đánh giá hiệu quả chi phí của các giải pháp tối ưu hóa (Hình 3). [8]
4. Ứng dụng bản sao song sinh kỹ thuật số trong quy hoạch, thiết kế, xây dựng và quản lý từ công trình công nghiệp đến đô thị thông minh
Bản sao song sinh kỹ thuật số gần đây đã được ứng dụng trong quy hoạch, thiết kế, xây dựng và quản lý đô thị thông minh, bao gồm nhóm công trình dân dụng và công trình công nghiệp như nhà máy tiến tới ứng dụng cho các khu công nghiệp, các cụm công nghiệp.
INFICON là nhà cung cấp các thiết bị cải tiến, công nghệ cảm biến giải pháp phần mềm Sản xuất thông minh/Công nghiệp 4.0 giúp nâng cao năng suất và chất lượng của các công cụ, quy trình và nhà máy cho rằng Factory Digital Twin là giải pháp toàn diện nhất và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng quản lý nhà máy. Công nghệ bản sao song sinh kỹ thuật số giúp thu thập tất cả các sự kiện hoạt động thời gian thực của nhà máy, tính toán hàng trăm nghìn hàng thời gian chu kỳ và dữ liệu để thúc đẩy và tạo cơ sở cho Nhà máy thông minh (Hình 4). [9]
(Nguồn: https://ift.tt/FsizLU4)
Siemens Electronics Works Amberg (EWA) là mô hình nhà máy điển hình về doanh nghiệp số áp dụng bản sao song sinh số trong hoạt động sản xuất với việc tự động hóa đến 75%. EWA phối hợp một cách tối ưu các giải pháp phần cứng và phần mềm, truyền thông công nghiệp, an ninh mạng và dịch vụ nhờ tích hợp ngang và dọc nhất quán, từ đầu đến cuối nên trình tự sản xuất là liền mạch. Có thể thấy, EWA sẽ tiếp tục dẫn đầu vai trò doanh nghiệp số của Siemens trong quá trình chuyển đổi kỹ thuật số trong tương lai (hình 4). Như vậy, đối với một nhà máy thông minh, Digital Twin sẽ giả lập đại diện cho tất cả yếu tố như phương pháp tạo ra sản phẩm, cách sử dụng và hoạt động của sản phẩm trong suốt vòng đời của nó. Kết quả của Digital Twin sẽ tác động trực tiếp tới thiết kế, sản xuất và vận hành sản phẩm. [4]
Trong lĩnh vực quy hoạch và quản lý TP, dự án Bản sao song sinh TP Dublin là một dự án nổi bật về ứng dụng công nghệ bản sao song sinh số. Dự án này là sáng kiến chung giữa TP Dublin, Bentley Systems và Microsoft, được khởi xướng vào tháng 2/2020 với mục tiêu cung cấp bối cảnh và hình ảnh trong thế giới thực để cho phép các kỹ sư, KTS, nhà xây dựng, nhà quy hoạch TP và người dân xác định, thiết kế và thực hiện các giải pháp đô thị trong nhiều năm tới, nhằm tạo ra một mô hình kỹ thuật số quy mô lớn của thủ đô và TP lớn nhất của Ireland. Đại dịch Covid đã tác động rất nhiều đến quyết định buộc các TP như Dublin phải đẩy nhanh tiến trình chuyển đổi số. Công dân TP có thể ngồi nhà tham gia một cách an toàn vào các dự án phát triển mới trong cộng đồng thông qua việc trực quan hóa sự tương tác và sự hỗ trợ của mô hình bản sao số. Với dự án Dublin này, bản sao song sinh kỹ thuật số quy mô TP cho thấy có thể tác động đến những thay đổi tương tự đối với không gian đô thị trong tương lai ở bất kỳ đâu trên thế giới [10]. (Hình 6). Bản sao song sinh kỹ thuật số cũng được Dublin sử dụng để giảm tiêu thụ điện năng và quản lý toàn bộ các TP thông minh hiệu quả hơn.
(Nguồn: https://ift.tt/Tle9XpU)
Một dự án khác là dự án Gothenburg tại Thụy Điển đã ứng dụng công nghệ bản sao song sinh kỹ thuật số trong việc phát triển đô thị. Gothenburg là TP lớn thứ hai của Thụy Điển có kế hoạch nhanh chóng mở rộng và dự kiến cung cấp chỗ ở cho 150.000 cư dân mới và 80.000 ngôi nhà và văn phòng mới vào năm 2035. Một mô hình 3D hoàn chỉnh của khu vực đô thị OpenCities® Planner đã được tạo bằng ContextCapture để sử dụng với mục tiêu trực quan hóa quy hoạch đô thị, đóng vai trò là nền tảng mô phỏng và đối thoại cho trực tuyến. Chương trình này truyền bá trực quan hóa dự án 3D cho cư dân Gothenburg, các bên liên quan của dự án và các nhà đầu tư tiềm năng. Việc sử dụng môi trường 3D đã thu hút người dân tham gia ngay từ giai đoạn lập kế hoạch phát triển TP vì thông tin liên lạc rõ ràng nên giúp tránh những hiểu lầm và khiếu kiện mang tính hình thức có thể làm chậm quá trình quy hoạch đô thị. Thật đáng ngạc nhiên, dự án Gothenburg ngay từ lần xuất bản lần đầu tiên đã tạo ra 10.000 lượt xem duy nhất trong 24 giờ đầu tiên và trở thành một nền tảng truyền thông rất thành công cho dự án phát triển TP. Cũng bởi lý do này, Gothenburg quyết định tiếp tục dự án với việc cung cấp mô hình dưới dạng dữ liệu mở để tiếp tục kích thích phát triển ứng dụng TP thông minh và dân chủ hóa dữ liệu của họ. [10]
(Nguồn: https://www.esri.com/)
5. Kết luận
Việc ứng dụng bản sao song sinh kỹ thuật số là vô hạn. Khởi đầu với việc ứng dụng trong lĩnh vực hoạt động sản xuất, mô hình bản sao song sinh kỹ thuật số đã đem lại nhiều lợi ích cho lĩnh vực này. Các doanh nghiệp sử dụng bản sao song sinh kỹ thuật số có thể đánh giá sản phẩm trước khi được đưa ra thị trường đồng thời tạo ra bản sao của quy trình sản xuất sản phẩm, cho phép người dùng kiểm tra mọi bước đi của quy trình và phát hiện ra các lỗi sai hoặc tình huống bất ngờ. Bản sao song sinh kỹ thuật số giúp doanh nghiệp tăng khả năng dự đoán thông qua việc phân tích dữ liệu dựa trên cảm biến IoT, nhờ đó chủ động hơn trong việc xác định rủi ro trong hệ thống, giúp tăng hiệu quả sản xuất và giảm chi phí bảo trì. Công nghệ này giúp doanh nghiệp tạo ra ứng dụng cho phép người dùng theo dõi, giám sát từ xa và truy cập chương trình truy cập tới hệ thống 24/7. Nhờ vậy các chuyên viên kỹ thuật có thể tập trung làm việc phối hợp với nhau cùng tùy chỉnh thiết kế hoặc sửa chữa.
Trong lĩnh vực quy hoạch, thiết kế và quản lý đô thị thông minh, tiềm năng sử dụng công nghệ này ứng dụng rộng rãi trong cả quy mô TP hay nhiều TP, công trình dân dụng hay công trình công nghiệp, nhóm nhà hay chỉ một ngôi nhà. Ở cấp quản lý và quy hoạch, các nhà lãnh đạo có thể sử dụng bản sao kỹ thuật số quy mô TP, khu công nghiệp hay cụm công nghiệp để lên kế hoạch và quy hoạch, thiết kế cho các dự án, sự kiện và hoạt động an toàn hơn và giãn cách xã hội, đánh giá tác động đối với khí hậu và tính bền vững. Công nghệ này giúp mô phỏng và dự đoán các vấn đề nhằm đưa ra các biện pháp phòng ngừa và phản ứng nhanh các tình huống khẩn cấp hay sự cố trên toàn TP, khu công nghiệp hoặc cụm công nghiệp. Bản sao song sinh kỹ thuật số có thể giúp các cấp quản lý đô thị trở nên tiết kiệm một cách hiệu quả hơn và từ đó tái đầu tư tiền tiết kiệm vào các dịch vụ nâng cao hoặc để thúc đẩy các mục tiêu phát triển bền vững.
THS. Nguyễn Thị Vân Hương
Bộ môn Kiến trúc Công nghệ – Khoa Kiến trúc và Quy hoạch – Trường ĐHXD Hà Nội
(Bài đăng trên Tạp chí Kiến trúc số 04-2023)
Tài liệu tham khảo
[1]. Aaron Parrott, Dr. Lane Warshaw. Industry 4.0 and the digital twin, Deloitte University Press;
[2]. https://ift.tt/KoRf3W7;
[3]. What is a digital twin?. https://ift.tt/m6MbC5o;
[4]. https://ift.tt/qDtej8R;
[5]. Digital twin. https://www.ge.com/;
[6]. Ứng dụng bản sao kỹ thuật số “Digital Twins” trong nền công nghiệp 4.0. https://ift.tt/lDmPO0r;
[7]. Wei Yu, Panos Patros, Brent Young, Elsa Klinac, Timothy Gordon Walmsley (2022). Energy digital twin technology for industrial energy management: Classification, challenges and future, Renewable and Sustainable Energy Reviews 161 (2022) 112407 ;
[8]. Bin Xu, June Wang, Xinping Wang, Zhihong Liang, Liming Cui, Xiao Liu and Anthony Y. Ku (2019), A case study of digital-twin-modelling analysis on power-plant-performance optimizations, Clean Energy, 2019, Vol. 3, No. 3, 227–234 ;
[9]. Factory digital twin. https://ift.tt/Butjd28;
[10]. https://ift.tt/CZwEDym
The post Bản sao song sinh kỹ thuật số (Digital Twin) – Từ quy trình sản xuất công nghiệp đến quy hoạch, xây dựng và quản lý đô thị thông minh appeared first on Tạp chí Kiến trúc - Hội Kiến trúc sư Việt Nam.
from Tạp chí Kiến trúc – Hội Kiến trúc sư Việt Nam https://ift.tt/g5NShs1
Blog phát triển bởi https://tuvankientrucnha.blogspot.com/
Tìm kiếm đơn vị chuyên xây dựng công trình nhà ở Hà Nội https://thoxay.vn//
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét