Termin "cyfrowy bliźniak" (ang. digital twin) już teraz jest modnym tematem w branży wodociągowej. Nie istnieje jednak globalnie przyjęta definicja tego, czym dokładnie jest cyfrowy bliźniak dla systemu dystrybucji wody. Ten wpis na blogu to kolejny, pięciocentymetrowy wkład w kontekst tej idei.

Bliźniak cyfrowy to zwirtualizowana reprezentacja zachowania systemu lub procesu fizycznego w środowisku cyfrowym. Odtwarza on zachowanie systemu lub procesu w różnych warunkach pracy i na różnych poziomach abstrakcji. Gdy system fizyczny przekazuje bliźniakowi cyfrowemu informacje o swoich warunkach pracy za pomocą pomiarów czujników, oczekuje się, że bliźniak cyfrowy odtworzy dokładnie takie samo zachowanie rzeczywistego systemu na pewnym poziomie abstrakcji.

Symulacje systemu dystrybucji wody są wykonywane już od dawna. Podobało mi się post napisany przez Keshvinder Singh gdzie bardzo dobrze wyjaśnia zastosowanie modeli sieci wodociągowej w czasie rzeczywistym i ich połączenie z danymi. Czy jednak za cyfrowego bliźniaka możemy uznać model, który przeprowadza symulacje w systemie EPANET lub innym istniejącym symulatorze? Czy połączenie symulacji z danymi z czujników jest tym, co czyni go cyfrowym bliźniakiem? Czy nie udało nam się stworzyć modeli i teraz udajemy, że chcemy rozwiązać problem, tworząc cyfrowego bliźniaka? Czy cyfrowy bliźniak jest ulepszeniem modelu, który mieliśmy? Co dokładnie sprawia, że cyfrowy bliźniak jest cyfrowym bliźniakiem?

Moim zdaniem cyfrowy bliźniak opuszcza granicę symulatorów i wkracza w obszar tego, co w innych branżach określa się mianem emulatorów [symulator naśladuje podstawowe zachowanie systemu; emulator powiela rzecz "dokładnie" taką, jaka istnieje w rzeczywistości]. Tę ideę należy szczególnie uwzględnić w przypadku systemów dystrybucji wody. Modele symulacyjne zawsze wykorzystywały uproszczoną wersję rzeczywistej sieci [kilka żądań klientów skoncentrowanych w pojedynczych węzłach, zgrubne oszacowanie żądań i wzorców zużycia, nieuwzględnienie elastyczności w plackach i ściśliwości wody itp. Emulacja systemu dystrybucji wody oznaczałaby emulację różnorodności wszystkich komponentów biorących w nim udział [pompy, silniki, zawory, rury itp.], a także otwierałaby pytanie o uwzględnienie stochastycznych komponentów zużycia wody jako części systemu lub jako warunku pracy. Nawet gdyby było to technicznie możliwe, byłoby to ekonomicznie niewykonalne dla dzisiejszych przedsiębiorstw wodociągowych. Bronimy idei ciągłego doskonalenia modeli sieci połączonych z danymi, aby stopniowo zbliżać je do rzeczywistości. Zarówno przedsiębiorstwa, jak i naukowcy powinni być świadomi istniejącej granicy ekonomicznej, która będzie zależała od warunków panujących w zakładzie i ceny wody. W pewnym momencie w przypadku pojedynczej sieci wodociągowej tworzenie cyfrowego bliźniaka kosztem wyższym niż korzyści, jakie można dzięki temu uzyskać, nie ma sensu z technicznego punktu widzenia. Oto powody, dla których Wolę rozumieć bliźniaki cyfrowe dla systemów dystrybucji wody jako stopniowe ulepszanie modeli sieci połączonych z danymi dotyczącymi stanu przedsiębiorstw i cen wody. To jest podróż, a nie przeznaczenie.

Po spotkaniu z Agnethe Peterson na sesji poświęconej bliźniakom cyfrowym, zorganizowanej przez Forum SWAN, przysłała mi ona swój artykuł "Living and Prototyping Digital Twins for Urban Water Systems: W kierunku wielofunkcyjnego tworzenia wartości przy użyciu modeli i czujników".. Referat był fantastyczny i bardzo ambitny. Autorzy dzielili bliźniaki cyfrowe dla WDS na dwa rodzaje: żywe i prototypowe. Wersja żywa odnosiła się do DT sprzężonego z obserwacjami terenowymi, a wersja prototypowa do scenariusza systemu bez bezpośredniego sprzężenia z obserwacjami w czasie rzeczywistym. W opracowywanym przez nas podejściu nie wprowadzamy żadnych rozróżnień między cyfrowymi bliźniakami. Po uruchomieniu cyfrowego bliźniaka sprzężenie go z danymi rzeczywistymi jest bardziej związane z aplikacją niż z samym bliźniakiem cyfrowym. Jednak praca nad cyfrowym bliźniakiem dla systemu dystrybucji wody będzie w pewnym momencie wymagała sprzężenia z danymi rzeczywistymi w celu kalibracji modelu, bez względu na to, czy na poziomie aplikacji będzie on później używany w połączeniu z danymi rzeczywistymi, czy też do analizy odłączonych scenariuszy typu "co-jeśli" na potrzeby planowania lub projektowania. Na poziomie aplikacji bronimy idei uruchomienia czegoś podobnego do koncepcji wirtualizacji, gdzie zwirtualizowane instancje cyfrowego bliźniaka mogą przyjmować różne specyficzne aplikacje odnoszące się do jednego systemu fizycznego. Zastosowania mogą iść nie tylko w kierunku reprezentacji w czasie rzeczywistym lub prototypowania, ale także w kierunku scenariuszy przyszłościowych i scenariuszy typu "co-jeśli" połączonych z danymi online w celu oceny konsekwencji alternatywnych działań w czasie rzeczywistym.

Branża przeżywa obecnie wielki okres cyfryzacji i ulepszania sposobu, w jaki systemy dystrybucji wody są obecnie obsługiwane i zarządzane. Jestem otwarty na współpracę i dyskusje z innymi specjalistami i przedsiębiorstwami użyteczności publicznej na temat pomysłów i rozwoju projektów. Jako firma dostarczamy system WATERing jako rozwiązanie do analizy sieci wodociągowej, które można połączyć z danymi online i rozbudować za pomocą wtyczek, aby spełnić wszelkie specyficzne wymagania przedsiębiorstwa. Oferujemy usługi programistyczne, doradztwo projektowe i subskrypcje kursów online. Jeśli jesteś zainteresowany tymi dziedzinami, po prostu skontaktuj się z nami.