۹. دوقلوی دیجیتال و نقش آن در همگرایی IT/OT
۹.۱. تعریف و مفهوم دوقلوی دیجیتال
دوقلوی دیجیتال، یک نمایش مجازی از یک سامانه‌ی فیزیکی است که می‌تواند از داده‌های OT و IT تغذیه شود و امکان شبیه‌سازی، تحلیل و بهینه‌سازی سامانه‌ی فیزیکی را در محیط دیجیتال فراهم کند.
دوقلوی دیجیتال، یک نمایش مجازی از یک سامانه‌ی فیزیکی است که می‌تواند از داده‌های OT و IT تغذیه شود و امکان شبیه‌سازی، تحلیل و بهینه‌سازی سامانه‌ی فیزیکی را در محیط دیجیتال فراهم کند.
یکی از نخستین صورت‌بندی‌های شناخته‌شده‌ی مفهوم دوقلوی دیجیتال توسط دکتر مایکل گریوز[i] ارایه شد و اکنون به یکی از ارکان اصلی انقلاب صنعتی چهارم تبدیل شده است.
۹.۲. سطوح دوقلوی دیجیتال در اتوماسیون صنعتی
دوقلوهای دیجیتال صنعتی را می‌توان در سه سطح اصلی طبقه‌بندی کرد:
- سطح ۱، دوقلوی دیجیتال اطلاعاتی[ii]: این سطح شامل مدل‌های ساده‌شده از سامانه‌های فیزیکی است که عمدتاً از داده‌های IT، مانند داده‌برگ‌ها[iii]، نقشه‌های مهندسی، مشخصات فنی[iv] و داده‌های ERP، تغذیه می‌شوند. این سطح برای طراحی، برنامه‌ریزی تولید و نگهداری/ تعمیرات واحد کاربرد دارد.
- سطح ۲، دوقلوی دیجیتال یکپارچه[v]: این سطح داده‌های OT (مانند داده‌های حسگرها، وضعیت تجهیزات، متغیرهای فرآیند) و داده‌های IT را ترکیب می‌کند. این سطح امکان پایش بی‌درنگ و تشخیص ناهنجاری را فراهم می‌کند.
- سطح ۳، دوقلوی دیجیتال کاملاً همگرا[vi]: این سطح کامل‌ترین نوع دوقلوی دیجیتال است که تمامی جنبه‌های فیزیکی و عملیاتی را به‌صورت بی‌درنگ منعکس می‌کند. این سطح از الگوریتم‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین برای پیش‌بینی رفتار سامانه، بهینه‌سازی فرآیندها و شبیه‌سازی سناریوهای مختلف استفاده می‌کند.
۹.۳. کاربردهای دوقلوی دیجیتال در همگرایی IT/OT
- شبیه‌سازی قبل از اجرا[vii]: قبل از اعمال تغییرات در خط تولید، تأثیر آن‌ها در محیط مجازی بررسی می‌شود؛
- تعمیر و نگهداری پیش‌بینانه: ترکیب داده‌های OT با مدل‌های پیش‌بینانه‌ی IT برای تخمین عمر تجهیزات؛
- بهینه‌سازی فرآیند: تنظیم پارامترهای فرآیند برای رسیدن به بهترین عملکرد؛
- آموزش بهره‌بردار: شبیه‌سازی شرایط بحرانی برای آموزش ایمن؛
- راه‌اندازی از راه دور[viii]: پشتیبانی از راه‌اندازی و پیکربندی از راه دور، در صورت فراهم بودن زیرساخت و الزامات ایمنی و امنیتی.
۹.۴. چالش‌های پیاده‌سازی دوقلوی دیجیتال
پیاده‌سازی دوقلوی دیجیتال با چالش‌هایی مواجه است که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- حجم بالای داده: ایجاد و نگهداری دوقلوی دیجیتال نیازمند جمع‌آوری و پردازش حجم عظیمی از داده‌های OT است؛
- یکپارچگی مدل‌ها: ترکیب مدل‌های طراحی به کمک رایانه (CAD)[ix]، مدل‌های فیزیکی فرآیند، و داده‌های عملیاتی در یک پلتفرم واحد دشوار است؛
- دقت مدل: اطمینان از اینکه مدل مجازی به‌اندازه کافی دقیق است و واقعیت فیزیکی را به‌درستی منعکس می‌کند؛
- هزینه: هزینه‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری ایجاد و نگهداری دوقلوی دیجیتال قابل‌توجه است.
۱۰. رایانش لبه، مه و ابر در همگرایی IT/OT
۱۰.۱. رایانش لبه[x]
رایانش لبه یکی از مهم‌ترین فناوری‌های تکمیلی همگرایی IT/OT است. در این مدل، پردازش داده‌ها در نزدیکی منبع تولید داده (یعنی در لایه‌های پایین OT) انجام می‌شود، نه در یک مرکز داده‌ی مرکزی یا ابر.
رایانش لبه یکی از مهم‌ترین فناوری‌های تکمیلی همگرایی IT/OT است. در این مدل، پردازش داده‌ها در نزدیکی منبع تولید داده (یعنی در لایه‌های پایین OT) انجام می‌شود، نه در یک مرکز داده‌ی مرکزی یا ابر.
این رویکرد چندین مزیت کلیدی دارد:
- کاهش تأخیر: پردازش محلی می‌تواند با حذف رفت و برگشت داده به مراکز داده دوردست، تأخیر ارتباطی و پردازشی را کاهش دهد؛
- کاهش پهنای باند: فقط داده‌های پردازش‌شده و خلاصه‌شده به ابر ارسال می‌شوند؛
- افزایش قابلیت اطمینان: سامانه حتی در صورت قطع اتصال به ابر به کار خود ادامه می‌دهد؛
- امنیت بهتر: داده‌های خام OT در شبکه‌ی عمومی منتقل نمی‌شوند؛
کاربردهای رایانش لبه در OT:
- کنترل حلقه بسته[xi] با تأخیر بسیار کم؛
- پیش‌پردازش داده‌های حسگر؛
- اجرای مدل‌های هوش مصنوعی سبک‌وزن؛
- نظارت و تشخیص ناهنجاری بی‌درنگ.
۱۰.۲. رایانش مه[xii]
رایانش مه لایه‌ای بین لبه[xiii] و ابر[xiv] است که پردازش را در سطح شبکه (و نه فقط در دستگاه نهایی یا مرکز داده) انجام می‌دهد.
رایانش مه لایه‌ای بین لبه[xiii] و ابر[xiv] است که پردازش را در سطح شبکه (و نه فقط در دستگاه نهایی یا مرکز داده) انجام می‌دهد.
این رویکرد برای کاربردهایی مناسب است که نیاز به پردازش محلی دارند ولی منابع یک دستگاه خاص کافی نیست.
۱۰.۳. رایانش ابری
رایانش ابری در لایه‌ی بالای معماری IT/OT قرار می‌گیرد و برای پردازش‌های سنگین، تحلیل‌های بلندمدت، و ذخیره‌سازی داده‌های تاریخی استفاده می‌شود. پلتفرم‌های ابری[xv] خدمات تخصصی برای مدیریت دستگاه‌های IoT/OT ارایه می‌دهند.
۱۰.۴. معماری ترکیبی[xvi]
در عمل، اکثر پیاده‌سازی‌های همگرایی IT/OT طبق جدول 3، از یک معماری ترکیبی استفاده می‌کنند.
جدول 3. معماری ترکیبی رایانش لبه، مه و ابر
سطح | مکان | پردازش | تأخیر | کاربرد |
Edge | لایه‌ی فیلد (0 و 1) | بلادرنگ | کوچکتر از یک میلی ثانیه | کنترل، ایمنی |
Fog | لایه‌ی کنترل (لایه 2) | محلی و نزدیک واقع زمانی | 1-50 میلی ثانیه | پایش، تشخیص ناهنجاری |
Cloud | مرکز داده یا ابر | سنگین و برون‌خط[xvii] | کوچکتر از 100 میلی ثانیه | تحلیل، پیش بینی، گزارش گیری |
انقلاب صنعتی چهارم و نقش محوری همگرایی IT/OT
۱۱.۱. مفهوم انقلاب صنعتی چهارم
صنعت ۴.0 که با عناوین چهارمین انقلاب صنعتی، تولید هوشمند، یا کارخانه‌ی آینده نیز شناخته می‌شود مفهومی است که برای اولین بار در نمایشگاه هانوفر ۲۰۱۱ در آلمان مطرح شد. این مفهوم بر یکپارچه‌سازی دیجیتال فناوری‌های پیشرفته در فرآیندهای تولیدی تأکید دارد و یکی از تقسیم‌بندی‌های رایج، نُه فناوری/ ستون کلیدی را برای صنعت ۴.۰ مطرح می‌کند که همگی به‌نوعی به همگرایی IT/OT وابسته هستند:
- اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT): اتصال حسگرها و تجهیزات OT به شبکه؛
- رایانش ابری: ذخیره‌سازی و پردازش داده‌ها در لایه‌ی ابری؛
- رایانش لبه: پردازش محلی داده‌ها؛
- هوش مصنوعی و یادگیری ماشین: تحلیل هوشمند داده‌ها؛
- رباتیک پیشرفته و سایبرنتیک: سامانه‌های رباتیک متصل و هوشمند؛
- شبیه‌سازی و دوقلوی دیجیتال: مدل‌سازی مجازی سامانه‌ها؛
- سامانه‌های واقعیت افزوده (AR)[xviii]: پشتیبانی از عملیات و نگهداری؛
- چاپ سه‌بعدی[xix] (ساخت افزایشی): تولید قطعات پیچیده و سفارشی؛
- امنیت سایبری: حفاظت از سامانه‌های متصل؛
۱۱.۲. ارتباط مستقیم صنعت ۴.0 و همگرایی IT/OT
همگرایی IT/OT زیرساخت اساسی تحقق صنعت ۴.0 است. بدون این همگرایی، بسیاری از فناوری‌های صنعت ۴.0 عملاً غیرممکن یا بسیار محدود خواهند بود. بدون همگرایی IT/OT:
- سامانه‌های مبتنی بر AI نمی‌توانند به داده‌های تولیدی دسترسی پیدا کنند؛
- دوقلوهای دیجیتال نمی‌توانند به داده‌های بی‌درنگ حاصل از فرآیندهای عملیاتی دسترسی داشته و به‌روزرسانی شوند؛
- سامانه‌های واقعیت افزوده (AR) نمی‌توانند اطلاعات مورد نیاز بهره‌بردار را از سامانه‌های OT دریافت کنند؛
- MES و ERP قادر به دریافت داده‌های بی‌درنگ از خط تولید نخواهند بود.
نکته: در مقابل سامانه‌های واقعیت افزوده (AR)، می‌توان از واقعیت مجازی (VR)[xx] نام برد. اما نکته‌ی مهمی که وجود دارد این است که واقعیت افزوده با واقعیت مجازی در یک رده نیستند؛ در AR محیط «واقعی» حفظ می‌شود و اطلاعات دیجیتال بر روی آن افزوده می‌شود، در حالی که در VR کاربر اساساً وارد یک محیط «مجازی» می‌شود.
۱۱.۳. مفاهیم مرتبط با صنعت ۴.0 و IT/OT
- کارخانه‌ی هوشمند[xxi]: کارخانه‌ای که در آن تمامی تجهیزات، فرآیندها و سامانه‌ها از طریق شبکه‌های دیجیتال به‌هم متصل هستند و از طریق داده‌های بی‌درنگ مدیریت و بهینه‌سازی می‌شوند.
- تولید تطبیقی[xxii]: توانایی خط تولید برای تطبیق خودکار با تغییرات (در تقاضا، مواد اولیه، شرایط محیطی، شرایط فنی) بدون نیاز به توقف یا بازپیکربندی دستی، وجود دارد.
- ارزش‌آفرینی شبکه‌ای[xxiii]: ارزش‌آفرینی از طریق شبکه‌ای از شرکای متصل که اطلاعات، داده‌ها و منابع را به اشتراک می‌گذارند.
[i]. Michael Grieves
[ii]. Digital Twin Information
[iii]. Data Sheet
[iv]. Specification
[v]. Digital Twin Integrated
[vi]. Digital Twin Full Convergence
[vii]. What-If Analysis
[viii]. Remote Commissioning
[ix]. CAD: Computer-Aided Design
[x]. Edge Computing
[xi]. Closed-Loop Control
[xii]. Fog Computing
[xiii]. Edge
[xiv]. Cloud
[xv]. Such as: AWS IoT, Azure IoT Hub & Google Cloud IoT Core
[xvi]. Hybrid Architecture
[xvii]. Offline
[xviii]. AR: Augmented Reality
[xix]. Additive Manufacturing
[xx]. VR: Virtual Reality
[xxi]. Smart Factory
[xxii]. Adaptive Manufacturing
[xxiii]. Networked Value Creation
