وقد برز التوأم الرقمي بوصفه أحد أكثر التكنولوجيات تحولا في الهندسة الحديثة، مما يوفر جسرا بين العوالم المادية والرقمية، ومن خلال إنشاء نسخة افتراضية من الأصول المادية أو العملية أو النظام، يمكن للمهندسين أن يحفزوا عمليات العالم الحقيقي ويحللونها ويحققوا فيها الدقة غير المسبوقة، وقد تجاوزت هذه التكنولوجيا المناقشات المفاهيمية إلى الانتشار العملي عبر قطاعات الفضاء الجوي والصناعة التحويلية والطاقة والتنبؤ المستمر.

ما هي التوائم الرقمية؟

التواؤم الرقمي هو تمثيل رقمي دينامي للجسم المادي أو النظام أو العملية التي يجري تحديثها باستمرار مع بيانات من نظيرها في العالم الحقيقي، خلافا لنموذج ثلاثي الأبعاد ثابت أو محاكاة، يتطور توأم رقمي بمرور الوقت، ويعكس تغيرات في حالة الأصول المادية، والبيئة، والأداء، وقد أدخل هذا المفهوم رسميا الدكتور مايكل غريفز في جامعة ميتشيغان في عام 2002، ولكنه لم يحصل على اعتماد واسع النطاق إلا بعد التقدم في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات.

في جوهره، يتألف التوأم الرقمي من ثلاثة مكونات: الأصول المادية، والنموذج الافتراضي، ووصلات البيانات التي تربطها، والحساسات التي تجسدت في بيانات جرد الأصول المادية، عن البارامترات مثل درجة الحرارة، والهزاء، والضغط، واستهلاك الطاقة، وهذه البيانات تُنقل إلى النموذج الافتراضي الذي يستخدم المحاكاة القائمة على الفيزياء، وأجهزة التكليل الآلي، والبيانات التاريخية التي يمكن أن تعكس أنماط الصيانة الحالية

ويمكن تصنيف التوأم الرقمي إلى عدة أنواع على أساس نطاق ومستوى التكامل، ويركز التوأم على جزء واحد من العناصر، مثل نصل توربيني أو علامة، ويمثل توأم المنتج منتجا كاملا، مثل محرك الطائرات أو توربين الرياح، ويستخدم نموذجان لعملية مزدوجة سلسلة من العمليات، مثل خط تجميع التصنيع، وأكثرها طموحا، هو توأم نظامي من نوع واحد يدمج الأصول والعمليات المتعددة.

How Digital Twins Drive Process Optimization

وتتجه العملية الهندسية إلى تحقيق الاستخدام الأمثل لنظم أسرع وأرخص وأكثر موثوقية وأكثر أمنا، فالتوائم الرقمية تمكن من ذلك بتوفير نموذج حي يمكن للمهندسين أن يستجوبوا بطرق يتعذر معها الحصول على نماذج مادية أو محاكاة تقليدية، وتفصل الأقسام الفرعية التالية الآليات الرئيسية التي يحقق التوأم الرقمي من خلالها قيمة الاستخدام الأمثل.

الصيانة الافتراضية

وبدلا من الاعتماد على فترات الصيانة المقررة أو الإصلاحات التفاعلية بعد الفشل، يمكن للمهندسين استخدام توأم رقمي لرصد صحة الأصول باستمرار، وبتحليل مجاري البيانات المستشعرة ومقارنة هذه العوامل بالسلوك المتوقع للنموذج، يمكن للتوائم أن يكشفوا علامات الإنذار المبكر بالتدهور - أنماط اليقظة غير العادية، أو نماذج التكهن الحرارية، أو التغيرات المثلى في المقاومة.

ويقلل هذا النهج من وقت التعطل غير المخطط، ويمتد فترة عمر المعدات، ويخفض تكاليف الصيانة، ففي صناعة الطيران مثلا، تتيح التوأم الرقمي لمحركات الطائرات الخطوط الجوية تخطيط إصلاح المحركات على أساس الاستخدام الفعلي، ويرتدون ساعات طيران تعسفية، ووفقا لتقرير ](FLT:0]McKinsey([()، يمكن أن تقل تكاليف الصيانة المتوقعة بنسبة 10 في المائة عن تكاليف التوائم الرقمية(20).

محاكاة التصميم والطباعة الافتراضية

وكثيرا ما ينطوي التصميم الهندسي التقليدي على بناء نماذج أولية مادية للاختبار، وعملية مكلفة ومستهلكة للوقت، ويتيح التوأم الرقمي للمهندسين محاكاة التغيرات في التصميم تقريبا، وتقييم المفاضلات بين الوزن والقوة والتكاليف والأداء قبل فترة طويلة من وجود نموذج أولي ما، وهذه القدرة تعجل دورة التكرار وتسمح للمهندسين باستكشاف حيز أكبر بكثير من التصميم.

فعلى سبيل المثال، يستخدم مهندسو السيارات التوأم الرقمي لتحفيز اختبارات التحطم، والهيرودينامي، والإدارة الحرارية في بيئة افتراضية، وكل محاكاة تستكمل التوأم، وتحتوي على نتائج من عمليات سابقة لصقل النموذج، ويصبح التوأم الرقمي بمرور الوقت مستودعا غنيا للمعرفة التصميمية، كما يدعم التصميم الجيني، حيث تقترح الخوارزميات توائما مبتكرا أكثر استنادا إلى القيود المفروضة على التصميم الاتحادي.

التعديلات التشغيلية في الوقت الحقيقي

فعندما يبدأ تشغيل الأصول أو العملية، يوفر التوأم الرقمي لوحة قياسية للأداء في الوقت الحقيقي، ويمكن للمهندسين رصد مؤشرات الأداء الرئيسية مثل الإنتاج، واستهلاك الطاقة، وحصيلة الجودة، وعندما تحدث حالات الانحراف - مثلا، تباطؤ حزام النقل أو مفاعل كيميائي ينحرف عن درجة الحرارة المثلى - يمكن للتوائم أن يوصي بتعديلات فورية في التنفيذ المتقدم، بل يمكن أن يؤدي إلى إحداث تغييرات آلية.

وهذه التغذية المرتدة من الغلق تتيح تحقيق الاستخدام الأمثل الدينامي، ففي مصنع تصنيع، يمكن أن يوازن التوأم الرقمي لخط الإنتاج بين عبء العمل عبر الآلات لتجنب الاختناقات، أو تعديل البيئات استنادا إلى أولويات النظام الجديد، أو إعادة تشكيل خط تغيير المنتج الجديد، ونتيجة لذلك، زيادة فعالية المعدات عموما، وزيادة المرونة للاستجابة لطلبات السوق.

إدارة المخاطر وتحليل الإخفاق

فالتوأمة الرقمية تسمح للمهندسين بتحفيز أساليب الفشل وعواقبها في بيئة آمنة وافتراضية، ومن خلال اختبار الإجهاد للنموذج في ظروف متطرفة - مثل انقطاع الكهرباء أو العيوب المادية أو التسلل عبر الإنترنت - يمكن للمهندسين أن يحددوا أوجه الضعف وأن يضعوا استراتيجيات للتخفيف من حدة الكوارث، وهذا أمر له قيمة خاصة في صناعات السلامة الحرجة مثل الطاقة النووية، حيث تكون التجارب غير عملية أو خطرة.

وبالإضافة إلى السلامة، يدعم التوأم الرقمي أيضا تقييم المخاطر التشغيلية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يُمثل التوأم الرقمي لمصنع كيميائي انتشار التسرب، وفعالية نظم الإغلاق في حالات الطوارئ، وتأثير ذلك على المناطق المحيطة، ويمكن للمهندسين أن يُفضيوا إلى اتخاذ إجراءات أمنية ووضع معدات للتقليل إلى أدنى حد من المخاطر، ووفقا لمبادرة التوائم الرقمية NASA، التي أدت إلى تحسين مفهوم سلامة المركبات الفضائية.

سلسلة الإمدادات وعملية تدفق الإمدادات إلى الأسواق على الوجه الأمثل

فالتوأم الرقمي لا يقتصر على الأصول أو العمليات الفردية - بل يمكن أن يُمثلوا سلاسل الإمداد بأكملها، إذ إن دمج البيانات من الموردين، واللوجستيات، والمخزون، والإنتاج، يمكن أن يؤدي توأم رقمي في سلسلة الإمداد إلى تحفيز حالات التعطل (مثل إغلاق الموانئ أو نقص المواد الخام) والتوصية باستراتيجيات بديلة للاستعانة بمصادر خارجية أو تحديد مسارها، وقد أصبحت هذه القدرة قيمة خاصة خلال وباء COVID-19، عندما تحولت الشركات إلى توأم رقمي لبناء القدرة على التكيف في شبكاتها.

ويستخدم المهندسون هذين التوأمين لتحقيق الحد الأمثل من مستويات المخزون، وتخفيض فترات الفرز، وتحسين موثوقية التسليم، فعلى سبيل المثال، قد يستخدم مصنّع شبه موصلة توأم رقمي لتحفيز كيف يؤثر تغيير الطلب على نوع رقاقة واحدة على تخصيص قدرة نسيج الوفرة عبر حافظة منتجاته بأكملها، ويمكن عندئذ دفع الخطة المثلى إلى نظام التنفيذ الصناعي.

الفوائد الرئيسية عبر القطاعات الهندسية

ويحقق التوأم الرقمي فوائد قابلة للقياس تختلف باختلاف الصناعة، ولكن تظهر عدة مواضيع مشتركة: سرعة التوقيت إلى السوق، وانخفاض التكاليف، وتحسين الجودة، وتعزيز السلامة، وتبرز الفروع التالية كيفية تأثير مختلف التخصصات الهندسية على التوأم الرقمي من أجل تحقيق الاستخدام الأمثل للعمليات.

الفضاء الجوي والدفاع

وكان قطاع صناعة الفضاء الجوي معتمدا مبكرا للتواؤم الرقمي، مدفوعا بارتفاع تكلفة الاختبار المادي والحاجة إلى الموثوقية القصوى، فعلى سبيل المثال، يستخدم التوائم الرقمية من أصل 787 دراملين لرصد الصحة الهيكلية عبر الأسطول، كما أن كل طائرة ترسل بيانات الاستشعار إلى توأم مركزي، مما يستكمل نموذج كل إطار جوي، وأجنحة، ومحرك.

إن استكشاف الفضاء يقدم مثالاً مقنعاً آخر، فالتوأم الرقمي لمحطة أوريون الفضائية - وهو مشروع كان يتصوره أصلاً جون فيكرز - يتيح للمهندسين محاكاة سيناريوهات البعثات، وتحديث برامجيات الاختبار، والتنبؤ بضغط المكوّن دون المخاطرة بالسيارة الفعلية، مما يقلل من الحاجة إلى اختبارات أرضية باهظة الثمن ويحسن احتمالات نجاح البعثة.

التصنيع

وفي مجال الصناعة التحويلية والتصنيع المختلف، فإن التوأم الرقمي هو محوري في مبادرات الصناعة 4.0، ويمكن أن يُعدّ التوأم الرقمي من أرضية المصنع كل آلي ومتنقل وناقل ومشغل، ويستخدمه المهندسون من أجل تحسين التصميم، وتحفيز الجداول الزمنية للإنتاج، وتدريب المشغلين في بيئة افتراضية، وقد نشرت الكهرباء العامة توأم رقمي لمصانع تصنيع توربين الغازات، مما يحقق زيادة بنسبة 10 في المائة في الإنتاج، وخفضاً في الطاقة بنسبة 15 في المائة.

كما تفيد شركات السلع الاستهلاكية، فشركة " بروكتر غامبل " تستخدم التوأم الرقمي لتعظيم سلسلة الإمداد وعمليات التصنيع على الصعيد العالمي، وبتشجيع تقلبات الطلب وقدرات النبات، يمكن للشركة أن تخصص الإنتاج بكفاءة عبر شبكتها، مما يقلل من النقص والمخزون الزائد.

الطاقة والمرافق

ويؤدي التوأم الرقمي دورا حاسما في تحقيق الأداء الأمثل لأصول الطاقة مثل مزارع الرياح، والصفوف الشمسية، ونباتات الطاقة، ويمكن لتوائم التوربين الريحي أن يتوقّعوا التغيرات في الناتج استنادا إلى التنبؤات الجوية، وأن يضبطوا الملعب الصاروخي لتعظيم عمليات التقاط الطاقة مع التقليل إلى أدنى حد من الحمولات، وبالنسبة لمزارع الرياح البحرية، يساعد التوأم الرقمي في تحديد مواعيد الصيانة خلال النوافذ الجوية الصالحة، مما يقلل من التكاليف ويزيد من توافر الطاقة.

وتستخدم شركات تشغيل شبكات الكهرباء التوأم الرقمي للشبكة الكهربائية لتحفيز تدفقات الحمولة وتحديد نقاط الازدحام والتخطيط لإدماج مصادر الطاقة المتجددة، وبالمثل، فإن المرافق المائية تنشر توأم رقمي لشبكات التوزيع التابعة لها للتنبؤ بفشل الأنابيب، وتعظيم جداول الضخ، وتقليص فقدان المياه من التسربات، ووفقاً لما يلي: ]، يمكن أن تؤدي تكاليف الاستدامة إلى 10 في المائة.

السيارات

ويستخدم مهندسو السيارات التوأم الرقمي طوال دورة حياة المركبات - من التصميم والتجهيز إلى الصناعة التحويلية والخدمات اللاحقة للبيع، ويحتفظ تيسلا مثلا بتوائم رقمي لكل سيارة ينتجها، ويستكمل باستمرار ببيانات عن بعد، مما يتيح للشركة معالجة المسائل عن بعد، والضغط على تحديثات البرامجيات فوق الهواء، والتنبؤ بالفشل في العناصر قبل أن يخطر السائق بأعراضها.

خلال الإنتاج، يساعد التوأم الرقمي من خطوط التجميع المصنعين على تجنب الاختناقات وتقليل أوقات التغيير، ويحفز التوأم الرقمي في مصنع تيسلا تدفق المواد وحركة المركبات ذاتية التوجيه من أجل تحقيق أقصى قدر من الناتج، وفي عصر المركبات الكهربائية، يساعد التوأم الرقمي أيضا في تصميم البطاريات: يقوم المهندسون بتخيط الملامح الحرارية، ودورات الشحن، وآثار العصر على تحسين النطاقات ودورات الحيات.

الهياكل الأساسية المدنية والمدن الذكية

فالتوأم الرقمي للمباني والجسور وشبكات النقل تمكن المهندسين من رصد الصحة الهيكلية وتحقيق العمليات على الوجه الأمثل، فعلى سبيل المثال، قامت مدينة سنغافورة ببناء توأم رقمي من كامل مشهدها الحضري - المعروف باسم سنغافورة الافتراضية - يدمج البيانات المستمدة من أجهزة الاستشعار والطائرات بدون طيار وقواعد البيانات الحكومية، ويستخدمها المهندسون لتصويب أنماط المرور، والتخطيط للاستجابة لحالات الطوارئ، وتقييم أثر البناء الجديد على نوعية الهواء وعلى مستويات الضوضاء.

وتستفيد الجسور والأنفاق من التوأم الرقمي الذي يتتبع الإجهاد والتآكل والحركة، وعندما يتم اكتشاف الشذوذ، يمكن للمهندسين أن يرتبوا عمليات تفتيش محددة الهدف بدلا من إجراء دراسات استقصائية كاملة التكلفة، ويوسع هذا النهج القائم على أساس الظروف نطاق الحياة التي توفرها خدمات الهياكل الأساسية ويحسن السلامة العامة.

التحديات

وعلى الرغم من فوائدها الواضحة، فإن التوأم الرقمي يقدمان عدة عقبات في التنفيذ يجب أن تتغلب عليها المنظمات الهندسية، فهم هذه التحديات هو الخطوة الأولى نحو النجاح في نشرها.

أمن البيانات وخصوصيتها

ويتطلب التوأم الرقمي كميات كبيرة من البيانات الحساسة، بما في ذلك معلومات التصميم المأمون، والبارامترات التشغيلية، وأحيانا البيانات الشخصية (مثلا في المباني الذكية)، مما يخلق سطحا كبيرا للهجوم على التهديدات الإلكترونية، ويمكن استخدام توأم رقمي متضرر لخلق نقاط ضعف في الأصول المادية، بل حتى لإرسال أوامر خبيثة من خلال نظم المراقبة، ويجب على المنظمات أن تنفذ عمليات تشفير قوية، ومراقبة الدخول، وتقسيم الشبكات لحماية التوأم.

التكامل مع نظم الإرث

ويعمل العديد من المرافق الصناعية بنظم التحكم في التراث، والمجسات، وتاريخ البيانات التي لم تصمم للمنصات الرقمية الحديثة التوأم، ويتطلب إدماج هذه النظم مكيفات للعادة، ومتوسطة، وأحيانا تحديثات للمعدات، ويمكن أن تكون تكلفة وتعقيد إعادة التدوير مهمة، ولا سيما بالنسبة لمشاريع الحقول البنية، ويمكن أن يساعد النهج التدريجي - بدءاً بتجربة نموذجية بشأن أصل واحد ثم التوسع - على إدارة مخاطر الاندماج().

الطلبات الحاسوبية

فالتوأمتين الرقميتين ذواتا الصفة العالية، ولا سيما التوأمات التي تجري محاكاة للفيزياء في الوقت الحقيقي، تتطلبان قدرا كبيرا من القوة الحاسوبية، ويمكن للكلاود أن تعوض بعض هذا الطلب، ولكن القيود على الكفاءة والعرض قد تحد من استخدامه في التطبيقات الحساسة من حيث الوقت، كما أن الحوسبة - حيثما تحدث التجهيزات بالقرب من مصدر البيانات - آخذة في الظهور كحل، ولكنها تضيف تعقيدات إلى الهيكل.

ألعاب المهارات والتغيير التنظيمي

ويتطلب بناء وصيانة توأم رقمي فريقا متعدد التخصصات: مهندسو البيانات، وخبراء المنافذ، ومطورو البرمجيات، وعلماء البيانات، ويفتقر العديد من المنظمات إلى هذه المهارات المشتركة، ولا سيما في الشركات الهندسية التقليدية، وعلاوة على ذلك، فإن التحول من الهندسة المُحدِّدة إلى صنع القرارات القائمة على البيانات، يمكن أن يكون تحديا ثقافيا، وقد يكون المهندسون المعتادون على الاعتماد على نماذج أولية، مُعَلِّدين على برامج التبنِّيْجات التحفية.

وتتطور تكنولوجيا التوأم الرقمية بسرعة، مدفوعة بخطى التقدم في مجال الاستخبارات الاصطناعية، والحوسبة الحادة، والتوحيد، وستشكل الاتجاهات التالية الموجة التالية للتبني والقدرة.

AI and Machine Learning Integration

وفي حين أن التوأم الرقمي يستخدم بالفعل تحليلات بسيطة ومنطق قائم على القواعد، فإن المستقبل يكمن في التكامل العميق مع نماذج التعلم في مجال الآلات الآلات، سيكتشف تلقائيا أنماطا في بيانات الاستشعار التي يفتقدها البشر، ويتيح التنبؤات الأكثر دقة والتوصيات الوصفية، ويمكن للتعلم من أجل تعزيز القدرة أن يتيح عقد حلقات مراقبة ذات دوافع مزدوجة تؤدي إلى تحقيق أفضل العمليات في الوقت الحقيقي دون تدخل بشري، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي وجود توأم رقمي من المفاعل الكيميائي إلى التكيف مع الظروف المثلى

كما أن العارضات اللغوية الكبيرة يمكن استخدامها لتفسير نواتج التوأم، وتوليد تقارير تشخيصية عن طريق اللغة الطبيعية، أو حتى اقتراح تحسينات في التصميم باللغة الانكليزية السهلة، وتوافق التوأم الرقمي ووكالة الاستخبارات المركزية سيشكل عصرا جديدا من الهندسة المستقلة.

توحيد المعايير وإمكانية التشغيل المتبادل

وفي الوقت الراهن، كثيرا ما يكون التنفيذ الرقمي المزدوج مبنيا حسب الطلب، مما يجعل من الصعب تقاسم النماذج بين النظم أو البائعين، كما أن اتحادات الصناعة مثل كونسورتيوم التوابل الرقمية والمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس تعمل على معايير نماذج البيانات، والمبادرات التطبيقية، والسلاسل السيمانية، وسيساعد المعيار المقبل للمنظمة الدولية لتوحيد المقاييس رقم 23247 للتوائم الرقمي لنظم التصنيع على ضمان أن يتداخل التوائمان من مختلف الموردين.

حاسبة مطبوعة و 5 ح

ومن أجل الحد من الحماسة وتمكين التحكم في الوقت الحقيقي، فإن المعالجة الرقمية المزدوجة ستنتقل بشكل متزايد إلى الحافة، ويمكن أن توفر أجهزة الإدجية التي تعمل على نماذج توأم خفيفة الوزن ردود فعل شبه ثابتة على الآلات، بينما يمكن للتوائم القائمين على الغيوم أن يتعاملوا مع التحليلات الطويلة الأجل والارتقاء على نطاق الأسطول، كما أن بدء تشغيل شبكات من طراز 5G ذات سحابة منخفضة وثديية عالية سيزيد من دعم هذا الهيكل الموزع.

التوائم الرقمية للمنظمة

وفيما عدا الأصول الهندسية، بدأت المنظمات في بناء توأم رقمي من كامل أعمالها - بما في ذلك العمليات، والناس، والتدفقات المالية - وتدمج منظمة التجارة العالمية المعلومات المستمدة من نظام تخطيط موارد المؤسسة، وإدارة المخاطر المؤسسية، ونظم سلسلة الإمداد لتحفيز أثر القرارات الاستراتيجية، فعلى سبيل المثال، يمكن للمصنع الذي ينظر في بناء مصنع جديد أن يستخدم أداة تحويلية لتحفيز الآثار على القدرة الإنتاجية، ومستويات الجرد، والتدفق النقدي، وانبعاثات الكربون.

خاتمة

وقد أثبت التوأم الرقمي قيمته في العملية الهندسية على الوجه الأمثل من خلال التمكين من الصيانة التنبؤية، والاختبار الافتراضي، والتسويات في الوقت الحقيقي، والتخفيف من المخاطر في مجموعة واسعة من الصناعات، وقد نضجت التكنولوجيا من مفهوم النيتشاء إلى أداة رئيسية، مع استمرار حالات الأعمال التجارية في الفضاء الجوي، والصناعة التحويلية، والطاقة، والسيارات، والهياكل الأساسية، غير أن التنفيذ الناجح يتطلب اهتماماً دقيقاً لأمن البيانات، وتكامل النظم، والقدرة على حسابية، وتطوير المهارات.