انقلاب تصمیم‌سازی با دوقلو‌های دیجیتال

به گزارش می‌متالز، فناوری دوقلو‌های دیجیتال (Digital Twins) به عنوان یکی از فناوری‌های اصلی انقلاب صنعتی چهارم ظهور کرده است و نماینده یک سیستم شبیه‌سازی است که بر اساس اندازه‌گیری‌های بلادرنگ کار می‌کند و به عنوان ابزاری برای بهینه‌سازی توسعه و تولید منابع مورد استفاده قرار می‌گیرد. دوقلو‌های دیجیتال مدل‌های مجازی هستند که برای آینه‌سازی دقیق اشیا فیزیکی طراحی شده‌اند، و با استفاده از داده‌های بلادرنگ به‌روز می‌شوند. این سیستم‌ها با به کارگیری شبیه‌سازی، یادگیری ماشین و استنتاج، به فرآیند تصمیم‌گیری کمک می‌کنند. این فناوری پتانسیل زیادی برای پیاده‌سازی سیستم‌های تولید سایبرفیزیکی در عصر صنعت ۴.۰ را نشان داده است و توسط شرکت‌های صنعتی بزرگی همچون ایرباس، جنرال الکتریک، زیمنس و بوئینگ پذیرفته شده است، در حالی که شرکت‌های فناوری اطلاعاتی، چون SAP، IBM و اوراکل راه‌حل‌های مبتنی بر آن را عرضه می‌کنند.

در زمینه معدن‌کاری، دوقلو‌های دیجیتال یک ماکت از معدن فیزیکی را در یک محیط مجازی ارائه می‌دهند تا برنامه‌ها را شبیه‌سازی و اجرا کنند و در نهایت به تصمیم‌گیری‌های ارزش‌محور کمک کنند. این سیستم‌ها مدل‌های فیزیکی و دیجیتال را به طور همزمان به هم پیوند می‌دهند و امکان نظارت بلادرنگ، تحلیل، پیش‌بینی، بهینه‌سازی و اتوماسیون مدل‌های فیزیکی را با استفاده از هوش مصنوعی، اینترنت اشیا، کلان داده و فناوری موبایل فراهم می‌سازند. یکی از قابلیت‌های مهم این فناوری، انجام تحلیل‌های «چه می‌شود اگر» (what if) برای آزمایش روش‌های مختلف فرآیندی همچون انفجار، خردایش و انتقال است تا نتایج بهتری حاصل شود، و همچنین بینش‌هایی را برای پیش‌بینی و جلوگیری از شکست دارایی‌ها در سایت‌های معدنی فراهم می‌کند.

دوقلو‌های دیجیتال در عملیات معدن فلزی، مدل‌های دقیق نگهداری تجهیزات متحرک را به تحلیل‌های گسترده‌تر سودآوری متصل می‌کنند. این سیستم‌ها با استفاده از شبیه‌سازی رویداد گسسته و دینامیک سیستم، محیط‌های معدنی را با وفاداری بالا بازتولید می‌کنند. همچنین، برای گنجاندن عدم قطعیت زمین‌شناسی، از رویکرد‌های شبیه‌سازی مونت کارلو بهره می‌برند، که امکان ارزیابی تأثیر تغییرات طبیعی در ذخایر سنگ معدن بر دینامیک سیستم معدن‌کاری را فراهم می‌سازد. با شبیه‌سازی دوره‌های عملیاتی طولانی، می‌توان گلوگاه‌ها را شناسایی و استراتژی‌های کاهش ریسک همچون انباشت مواد یا ترکیب سنگ معدن را اجرا کرد. شرکت‌هایی همچون ریو تینتو (Rio Tinto) برنامه‌های جامع "معدن آینده" را با استفاده از دوقلو‌های دیجیتال پیاده‌سازی کرده‌اند تا سیستم‌های کاری را کنترل کنند، کارایی و ایمنی را افزایش دهند و کارکنان را بر روی مدل‌های سه‌بعدی آموزش دهند.

دوقلو‌های دیجیتال کاربرد‌های قابل توجهی در فرآوری متالورژی پیدا کرده‌اند و به مدیریت فرآیند‌های پیچیده ترمودینامیکی، شیمیایی و هیدرودینامیکی که مشخصه عملیات تولید فلز هستند، می‌پردازند. در سیستم‌های تولید فسفر، پیاده‌سازی دوقلو‌های دیجیتال از الگوریتم‌های شبکه عصبی عمیق همراه با توضیحات ریاضی فرآیند‌های ترموفیزیکی استفاده می‌کند تا نسخه‌های دیجیتال با دقت بالا ایجاد شود. این امر امکان تعیین اقدامات کنترلی و بهینه‌سازی مصرف انرژی و منابع را فراهم می‌آورد.

نوردکاری (Rolling mills) یکی دیگر از زمینه‌های کاربردی مهم برای دوقلو‌های دیجیتال در فرآوری متالورژی است، به طوری که این سیستم‌ها پیش‌نیاز‌هایی برای اجرای توسعه ابعاد دیجیتال در عملیات تصفیه فلز مبتنی بر فشار محسوب می‌شوند. دوقلو‌های دیجیتال برای نوردکاری به بهینه‌سازی خطوط تکنولوژیکی و مسائل مهندسی صنعتی می‌پردازند. پیاده‌سازی این سیستم‌ها به حداقل رساندن هزینه‌های توسعه سیستم‌های محرک الکتریکی خودکار و سیستم‌های کنترل فرآیند، کاهش زمان راه‌اندازی خطوط تکنولوژیکی و کاهش احتمال وقوع موارد اضطراری در هنگام راه‌اندازی کمک می‌کند. علاوه بر این، عملیات کوره‌های بلند (Blast furnace) از طریق ادغام داده‌های حسگر در مورد دما، مصرف انرژی و فشار با مدل‌های مجازی از فناوری دوقلو‌های دیجیتال بهره می‌برند. این پیاده‌سازی‌ها مدل‌های مبتنی بر داده را با اصول اولیه ترکیب می‌کنند تا کنترل صاف و کارایی تولید بالا حاصل شود.

فناوری دوقلو‌های دیجیتال مزایای کاربردی متنوعی را در صنایع معدن‌کاری و متالورژی از طریق بهینه‌سازی فرآیند و مدیریت مؤثر جریان اطلاعات ارائه می‌دهد. افزایش بهره‌وری تولید از طریق کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش بهره‌وری، در زمره مزایای اصلی دیجیتالی شدن صنعتی قرار دارد. منافع اقتصادی مستقیم برای دارایی‌های شرکت‌های معدنی شامل بهبود کارایی عملیاتی از طریق کاهش هزینه‌های معدن‌کاری، زمان‌بندی کار، و تأثیر عوامل انسانی است.

استفاده از دوقلو‌های دیجیتال با نظارت بر عملکرد، شبیه‌سازی نتایج و پیش‌بینی خطا‌ها و بازده، کارایی، بهره‌وری و پایداری را بهبود می‌بخشد. مهندسان با استفاده از این سیستم‌ها می‌توانند طرح‌های معدن را تحلیل و بهینه‌سازی کنند و عملکرد معدن را در زمان واقعی نظارت کنند. دوقلو‌های دیجیتال همچنین از طریق در نظر گرفتن فوری عوامل خطر در هنگام مدل‌سازی حوادث منفی ممکن در زمان واقعی، ایمنی تولید را بهبود می‌بخشند و از وقوع خسارت جلوگیری می‌کنند. استراتژی‌های نگهداری پیش‌بینانه (Predictive maintenance) که از طریق دوقلو‌های دیجیتال پیاده‌سازی می‌شوند، با به حداقل رساندن خرابی‌های غیرمنتظره تجهیزات، به افزایش کارایی کمک می‌کنند. این سیستم‌ها در چارچوب معدن‌کاری ۴.۰، سیستم‌های سایبرفیزیکی پیچیده‌ای هستند که با ترکیب "بهترین مهارت‌های" انسان و ماشین، بهره‌وری را به صورت بنیادین افزایش می‌دهند.

تمرکز‌های توسعه و چالش‌های پیاده‌سازی

توسعه کنونی دوقلو‌های دیجیتال در معدن‌کاری بر چند حوزه کلیدی متمرکز است: از بین بردن سیلو‌های داده‌ای با گنجاندن داده‌های بلادرنگ از سیستم‌های مختلف از جمله تجهیزات متحرک و سیستم‌های تهویه و الکتریکی؛ یکپارچه‌سازی داده‌های چند منبعی از نظرسنجی‌های زمین‌شناسی، داده‌های حفاری و تله‌متری تجهیزات؛ و بهینه‌سازی رویه‌های خاص همچون سیاست‌های نگهداری مبتنی بر زمان. فناوری همچنین امکان تست مجازی راه‌حل‌های طراحی و ارزیابی شرایط غیرعادی را برای ارزیابی ایمنی سازمانی در فاز مدل‌سازی فراهم می‌کند.

پیاده‌سازی‌های فعلی دوقلو‌های دیجیتال با چالش‌های قابل توجهی رو‌به‌رو هستند. مهم‌ترین این چالش‌ها شامل فقدان قابلیت همکاری (interoperability) با نرم‌افزار‌های معدن‌کاری موجود و عدم موفقیت در یکپارچه‌سازی مؤثر جریان‌های داده چند منبعی است. بسیاری از راه‌حل‌ها همچنین فاقد همگام‌سازی داده‌های بلادرنگ هستند و در مواجهه با مقیاس‌پذیری در عملیات‌های بزرگ معدن‌کاری دچار مشکل می‌شوند. با وجود این چالش‌ها، ادغام شبکه‌های عصبی، همچون الگوریتم‌های CNN-LSTM، برای پیش‌بینی عیب تجهیزات، دقت بالایی (۹۵.۳۵%) را در چارچوب دوقلو‌های دیجیتال نشان می‌دهد.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین