Sinh đôi số hóa --- Động lực then chốt chuyển đổi số thông minh trong ngành chế tạo

Song sinh số – Động lực then chốt chuyển đổi thông minh ngành chế tạo

Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin và tiến bộ kỹ thuật chế tạo, đời sống vật chất con người ngày càng phong phú, đồng thời nhu cầu sản phẩm thông minh, cá nhân hóa cũng gia tăng không ngừng. Làm sao nâng cao hiệu quả sản xuất, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường, áp dụng mô hình sản xuất linh hoạt, mềm dẻo hơn, nâng cao tỷ lệ sử dụng tài nguyên và năng lượng, đồng thời đáp ứng nhanh chóng nhu cầu thị trường đa dạng, cá nhân hóa, thông minh đang là vấn đề chính mà ngành công nghiệp toàn cầu đối mặt hiện nay. Để giải quyết các vấn đề này, các cường quốc công nghiệp hàng đầu thế giới lần lượt đưa ra kế hoạch chiến lược sản xuất thông minh riêng: Đức đề xuất “Công nghiệp 4.0”, Hoa Kỳ triển khai “Kế hoạch phục hồi ngành chế tạo”, nước ta xây dựng chiến lược “Chế tạo Trung Quốc 2025”. Là một trong những công nghệ cốt lõi xây dựng vũ trụ ảo, công nghệ song sinh số kết hợp cùng loạt công nghệ như Internet vạn vật công nghiệp, truyền thông 5G, dữ liệu lớn, điện toán đám mây, trí tuệ nhân tạo, trực quan hóa 3D… có thể tạo ra bản sao ảo của vật thể trong thế giới thực, mô phỏng, dự đoán, hỗ trợ ra quyết định về hình dạng hình học, mô hình vật lý, trạng thái hoạt động, từ đó giải quyết hiệu quả các vấn đề nêu trên và hiện thực tầm nhìn sản xuất thông minh.

1. Nguồn gốc của song sinh số

Khái niệm “song sinh” lần đầu xuất hiện trong “Chương trình Apollo” của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA). Thuật ngữ song sinh số (“Digital Twin”) được Tiến sĩ Michael Grieves người Hoa Kỳ đề xuất đầu tiên vào năm 2002 tại hội thảo chung của Đại học Michigan và NASA. Theo ông, khi độ phức tạp của hệ thống ngày càng tăng, hệ thống sản phẩm, hệ thống sản xuất, hệ thống doanh nghiệp hiện đại về bản chất đều thuộc loại hệ thống phức tạp. Để tối ưu và dự đoán hiệu năng hệ thống phức tạp, ta cần một mô hình số hóa có thể quan sát, một biểu diễn số tổng hợp đa trường vật lý của sản phẩm, nhằm bảo trì và tái sử dụng thông tin số trong quá trình thiết kế, chế tạo, vận hành suốt vòng đời sản phẩm. Bằng cách phân tích, khai thác dữ liệu trạng thái, dữ liệu cảm biến, dữ liệu lịch sử vận hành của sản phẩm hay thiết bị, ta có thể chẩn đoán trạng thái, dự đoán hành vi và điều phối thông minh. Bên cạnh đó, khi tích lũy bộ dữ liệu mẫu, nhà phân tích dữ liệu lớn công nghiệp có thể đánh giá dòng thiết bị và bộ phận tương ứng, sau đó phản hồi cho nhà thiết kế sản phẩm và nhà thiết kế quy trình để cải tiến liên tục sản phẩm và quy trình, cuối cùng hình thành vòng kín song sinh số. Đến năm 2010, thuật ngữ “Digital Twin” được chính thức đưa vào báo cáo kỹ thuật của NASA; năm 2012, NASA cùng Không quân Hoa Kỳ đồng phát hành bài báo về song sinh số, tập trung ứng dụng vào phát triển phi cơ trong tương lai. Giai đoạn 2015–2020 là thời kỳ nảy mầm ứng dụng song sinh số, các tập đoàn phần mềm công nghiệp lớn lần lượt đầu tư lĩnh vực này. Hai năm gần đây, song sinh số bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng, tích hợp với các công nghệ mới nổi như AI, AR/VR và được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề.

2. Đặc điểm điển hình của song sinh số

Bản chất của song sinh số là mô hình hóa thông tin, mục tiêu là xây dựng mô hình số cho đối tượng thực trong thế giới thực tại không gian ảo số. Tuy nhiên, mô hình hóa thông tin của song sinh số không còn dựa trên định dạng truyền tải thông tin cơ sở truyền thống, mà là mô tả trừu tượng tổng thể về hình dạng bên ngoài, cơ chế bên trong và mối quan hệ vận hành của đối tượng thực. Độ khó và hiệu quả ứng dụng tăng theo cấp số nhân so với mô hình hóa truyền thống, thể hiện chủ yếu ở chỗ song sinh số có thể có nhiều dạng biến thể, tức xây dựng các mô hình số khác nhau theo mục đích và bối cảnh sử dụng.

(1) Tính tương tác hai chiều

Đối tượng vật lý và không gian số trong song sinh số có thể ánh xạ hai chiều, tương tác động và kết nối theo thời gian thực. Do đó, song sinh số có khả năng ánh xạ thực thể vật lý thông qua đa dạng mô hình số, hỗ trợ chuyển đổi, kết hợp và tạo ra sự tương đương về “biểu diễn” giữa các mô hình số khác nhau.

(2) Tính mở rộng

Công nghệ song sinh số có khả năng tích hợp, thêm mới và thay thế mô hình số, cho phép mở rộng nội dung mô hình đa thang đo, đa vật lý, đa cấp bậc.

(3) Tính thời gian thực

Công nghệ song sinh số đòi hỏi số hóa, tức quản lý dữ liệu theo định dạng máy tính nhận biết và xử lý để mô tả thực thể vật lý thay đổi theo trục thời gian. Đối tượng được mô tả bao gồm ngoại quan, trạng thái, thuộc tính, cơ chế bên trong, tạo ra bản đồ ảo số phản ánh trạng thái thời gian thực của thực thể vật lý.

(4) Tính chân thực cao

Tính chân thực của song sinh số thể hiện mức độ tương đồng giữa mô hình ảo số và thực thể vật lý. Yêu cầu mô hình ảo và thực thể không chỉ mô phỏng chính xác cấu trúc hình học, mà còn khớp về trạng thái, pha và thời gian. Đáng lưu ý là mức độ mô phỏng cùng một mô hình ảo số có thể khác nhau tùy bối cảnh ứng dụng song sinh số. Ví dụ, ở bối cảnh điều kiện vận hành, chỉ cần mô tả tính chất vật lý của mô hình ảo, không cần chi tiết cấu trúc hóa học.

(5) Tính vòng kín

Mô hình ảo số trong song sinh số dùng để mô hình trực quan và cơ chế bên trong của thực thể vật lý, từ đó giám sát, phân tích, suy luận dữ liệu trạng thái thực thể vật lý, tối ưu tham số quy trình và tham số vận hành, thực hiện chức năng ra quyết định – tức trang bị “bộ não” cho cả mô hình ảo và thực thể vật lý. Vì vậy, song sinh số có tính vòng kín.

3. Kiến trúc phân lớp của song sinh số

Kiến trúc công nghệ song sinh số chia thành bốn lớp: Lớp vật lý, Lớp dữ liệu, Lớp mô hình, Lớp chức năng.

Lớp vật lý

Là đối tượng vật lý trong thế giới thực mà hệ thống song sinh số mô tả, khắc họa. Đối tượng vật lý khác nhau tùy ứng dụng song sinh số: ví dụ song sinh số nhà máy thông minh mô tả nhà xưởng, dây chuyền sản xuất, vị trí làm việc cùng các yếu tố sản xuất người, máy, vật liệu, quy trình, môi trường trong nhà máy. Đối tượng vật lý được mô tả cũng khác nhau giữa các ngành nghề.

Lớp dữ liệu

Song sinh số vận hành dựa trên dữ liệu. Để tạo ánh xạ và tương tác thời gian thực giữa thực thể vật lý và bản sao ảo, cần trao đổi dữ liệu hai chiều. Lớp dữ liệu chính là cầu nối kết nối hai bên, chịu trách nhiệm thu thập, truyền tải và xử lý dữ liệu.

Lớp mô hình

Là cốt lõi của song sinh số, bao gồm mô hình hình học, mô hình quy tắc, mô hình cơ chế, mô hình thuật toán.

Mô hình hình học: Khắc họa hình dạng bên ngoài của thực thể vật lý.

Mô hình quy tắc: Trừu tượng hóa hay mô tả logic nghiệp vụ của đối tượng vật lý, đảm bảo bản sao ảo có quy trình vận hành và logic nghiệp vụ giống thực thể.

Mô hình cơ chế: Mô tả trừu tượng cơ chế hoạt động hay quy luật vật lý của thiết bị. Dựa trên mô hình cơ chế rõ ràng, ta có thể dự đoán hành vi hay trạng thái đối tượng vật lý thông qua bản sao ảo để can thiệp kịp thời.

Mô hình thuật toán: Tìm ra kiến thức hay quy luật tiềm ẩn không thể xác định bằng công thức, định lý thông qua phân tích và khai thác khối dữ liệu lớn, làm cơ sở cho quản lý ra quyết định.

Lớp chức năng

Dựa trên lớp dữ liệu và lớp mô hình, song sinh số với nền tảng phần mềm có khả năng mô tả, chẩn đoán, dự đoán và ra quyết định cho đối tượng vật lý.

Lớp ứng dụng

Với sự hỗ trợ từ bốn lớp kiến trúc công nghệ trên, có thể phát triển ứng dụng song sinh số phục vụ nhiều ngành và bối cảnh khác nhau. Bối cảnh ứng dụng song sinh số rất đa dạng, có nhiều triển khai thực tế trong các lĩnh vực sản xuất thông minh, giao thông thông minh, thành phố thông minh, công trình thông minh, y tế thông minh…

4. Ứng dụng song sinh số trong ngành chế tạo

Ứng dụng song sinh số trong chế tạo chia thành ba loại chính: Song sinh số sản phẩm, Song sinh số sản xuất, Song sinh số thiết bị, kéo dài suốt chuỗi giá trị quản lý vòng đời sản phẩm (PLM).

(1) Song sinh số sản phẩm

Ở giai đoạn thiết kế sản phẩm, sử dụng song sinh số để xây dựng mô hình số 3D sản phẩm, ghi lại chính xác các tham số vật lý của sản phẩm và hiển thị dưới dạng trực quan. Thông qua mô phỏng, kiểm chứng hiệu năng và biểu hiện sản phẩm trong các môi trường bên ngoài khác nhau, xác định khả năng thích ứng sản phẩm ngay từ giai đoạn thiết kế. So với phương pháp chế tạo truyền thống phải sản xuất mẫu vật lý trước để kiểm tra khả năng thích ứng và hiệu năng, vòng đời sản phẩm được rút ngắn đáng kể, đồng thời chi phí kiểm chứng thiết kế giảm mạnh.

(2) Song sinh số sản xuất

Ở giai đoạn chế tạo sản phẩm, mục tiêu chính của song sinh số sản xuất là đảm bảo sản phẩm được sản xuất hiệu quả, chất lượng cao với chi phí thấp. Đối tượng thiết kế, mô phỏng, kiểm chứng chủ yếu là hệ thống sản xuất, bao gồm quy trình chế tạo, thiết bị chế tạo, nhà xưởng, hệ thống điều khiển quản lý… Nhờ song sinh số, rút ngắn thời gian đưa sản phẩm vào sản xuất, nâng cao chất lượng thiết kế, giảm chi phí sản xuất và tăng tốc giao hàng sản phẩm. Dây chuyền ảo xây dựng bằng công nghệ số hóa tích hợp chặt chẽ song sinh số sản phẩm cùng song sinh số thiết bị sản xuất, quy trình sản xuất khác, nâng cao hiệu quả phối hợp.

(3) Xác định quy trình công nghệ

Tổ chức và quản lý thông tin sản phẩm, thông tin quy trình công nghệ, thông tin dây chuyền nhà máy, thông tin nguồn lực chế tạo theo cấu trúc chuẩn, thực hiện quản lý chi tiết quy trình sản xuất, đồng thời cung cấp đầu vào chính xác cho việc lập kế hoạch sản xuất của hệ thống chế tạo.

(4) Chế tạo ảo

Dựa trên môi trường chế tạo ảo để kiểm chứng và đánh giá quy trình, phương pháp lắp ráp chế tạo. Kết hợp mô hình 3D sản phẩm và mô hình hiện trường nhà xưởng, có khả năng mô phỏng gia công số tại xưởng cơ khí, mô phỏng người-máy tại vị trí lắp ráp, mô phỏng robot… từ đó thực hiện đánh giá ảo trước khi triển khai thực tế.

(5) Chỉnh sửa dây chuyền sản xuất ảo

Dây chuyền tự động hóa mềm dẻo nhà máy số hóa có chu kỳ xây dựng dài, vốn đầu tư lớn, logic điều khiển tự động phức tạp và khối lượng công việc chỉnh sửa hiện trường cao. Thông qua mô phỏng, chỉnh sửa dây chuyền trong môi trường ảo trước khi thi công, kịp thời phát hiện vấn đề về quy hoạch dây chuyền, va chạm thiết bị, logic điều khiển PLC. Đồng thời đánh giá toàn diện tính khả thi của dây chuyền khi kết hợp nhiều yếu tố như thiết bị gia công tổng hợp, thiết bị logistics, dụng cụ thông minh, hệ thống điều khiển. Trong quá trình xây dựng dây chuyền thực tế, công nghệ chỉnh sửa dây chuyền ảo giúp phát hiện sớm lỗi thiết kế dây chuyền, giảm mạnh chi phí cải tạo.

(6) Mô phỏng quy trình sản xuất

Cung cấp chức năng màn hình lớn phẳng và thiết kế cấu hình, người vận hành có thể kéo thả thiết kế trên trình chỉnh màn hình lớn, liên kết trực tiếp dữ liệu thiết bị hay dữ liệu cơ sở dữ liệu với thành phần trên màn hình để hiển thị; cho phép xây dựng mô hình cấu hình khung cảnh công nghiệp trên trình duyệt web làm giao diện hiển thị.

(7) Giám sát và quản lý quy trình sản xuất

Thu thập dữ liệu vận hành thời gian thực của các thiết bị trên dây chuyền sản xuất, thực hiện giám sát trực quan toàn bộ quy trình sản xuất. Dựa trên kinh nghiệm hay máy học xây dựng chiến lược giám sát tham số thiết bị chính, chỉ tiêu kiểm tra, xử lý kịp thời các tình huống bất thường, duy trì quy trình sản xuất ổn định và liên tục tối ưu.

(8) Song sinh số thiết bị

Trong quy trình chế tạo, một số máy móc, thiết bị đóng vai trò then chốt, sự cố hay hư hỏng của chúng thường gây thiệt hại lớn cho dây chuyền sản xuất. Song sinh số thiết bị xây dựng mô hình song sinh của thiết bị, giám sát thông tin trạng thái vận hành thời gian thực. Kết hợp dữ liệu lịch sử vận hành, dữ liệu thời gian thực, dữ liệu thao tác cùng công nghệ phân tích, khai thác dữ liệu lớn, có thể tối ưu vận hành thiết bị, bảo trì dự đoán, giảm rủi ro ngừng sản xuất không định kỳ của thiết bị sản xuất chính và kéo dài tuổi thọ máy móc quan trọng.

(9) Tối ưu vận hành thiết bị

Thu thập dữ liệu vận hành thời gian thực của các thiết bị trên dây chuyền để giám sát trực quan toàn bộ quy trình sản xuất. Dựa trên kinh nghiệm hay máy học xây dựng quy tắc giám sát tham số thiết bị cốt lõi, chỉ tiêu kiểm tra, xử lý kịp thời sự cố bất thường, giữ quy trình sản xuất ổn định và tối ưu liên tục.

(10) Bảo trì dự đoán

Thu thập liên tục và phân tích thông minh dữ liệu vận hành thiết bị mở ra phương thức bảo trì hoàn toàn mới. Dựa trên kết quả phân tích, xác định thời điểm tốt nhất để bảo dưỡng máy móc và bộ phận nhà xưởng, phản ứng nhanh khi dữ liệu trạng thái thiết bị bất thường hay vượt ngưỡng cho phép, giảm thời gian gián đoạn sản xuất và nâng cao công suất dây chuyền.

(11) Tối ưu lặp lại thiết kế công nghệ và chế tạo

Dựa trên song sinh số thiết bị, giám sát dữ liệu trạng thái vận hành theo thời gian thực. Kết hợp dữ liệu này với phân tích dữ liệu và mô hình thuật toán, hiểu rõ hơn hiệu năng và chất lượng thực tế của thiết bị, cung cấp phản hồi thực tế cho việc thiết kế máy móc và chế tạo công nghệ, từ đó hình thành vòng lặp kín suốt vòng đời sản phẩm.