Công nghệ bản sao số

TÌM HIỂU KHÁI NIỆM

Ngành công nghiệp sản xuất đã chuyển đổi nhanh chóng và các nhà sản xuất trên toàn thế giới phải đối mặt với thách thức cải thiện năng suất. Năm 2011, Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (Công nghiệp 4.0) đã được giới thiệu để cải thiện khả năng cạnh tranh trong công nghiệp, được hình thành dựa trên sự phân chia các giai đoạn phát triển công nghiệp. Công nghiệp 1.0 mở đầu kỷ nguyên của động cơ hơi nước; Công nghiệp 2.0 là cuộc cách mạng về điện; Công nghiệp 3.0 ra đời trong thời đại thông tin và Công nghiệp 4.0 là thời đại của trí thông minh sử dụng công nghệ thông tin để thúc đẩy nâng cấp công nghiệp. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 5 (Industry 5.0 hay 5IR) được Liên minh châu Âu (EU) đề xuất vào năm 2021 là kỷ nguyên của internet và trí tuệ nhân tạo (AI) trong thiết kế và sản xuất công nghiệp, xem con người là định hướng. Như vậy, Công nghiệp 4.0 được coi là định hướng công nghệ trong khi 5IR hướng tới giá trị con người.

Bản sao số (tiếng Anh: Digital twins) là bản sao kỹ thuật số ảo (thường là 3D) của một vật thể hay hệ thống thực tế. Giữa bản sao và vật thể thực tế có một luồng dữ liệu (dataflow) và thông qua các cảm biến trên hệ thống thực tế, bản sao được cập nhật để có thể theo dõi trạng thái của hệ thống theo thời gian thực. Quá trình này cho phép cập nhật trạng thái của hệ thống thực và có thể được lập trình để chạy các lệnh “nếu - thì”, xác định các tham số tối ưu để thực hiện các chức năng khác nhau. Một bản sao ảo có thể bao gồm các lớp khác nhau, với mỗi lớp ảo đại diện cho một lớp vật lý tương đương. Các lớp này có thể gồm tính chất vật lý, vật liệu, cấu trúc, điện tử, v.v. Ngay khi đo lường xong, hệ thống thực sẽ được mô hình hóa thành bản sao số; càng nhiều dữ liệu thu được từ hệ thống thực, bản sao kỹ thuật số càng cụ thể và chính xác hơn. Với khả năng xử lý và mô phỏng trong công nghệ dữ liệu lớn (big data) và điện toán đám mây, không điều gì là không thể làm được trong kỷ nguyên số và hiện nay bản sao số là một công nghệ có vai trò quan trọng trong thời đại cách mạng Công nghiệp 4.0 và hướng tới là Công nghiệp 5.0.

ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN

Hiện tại, các nghiên cứu về ứng dụng công nghệ bản sao số trong lĩnh vực công nghiệp chủ yếu được sử dụng để gỡ lỗi và thử nghiệm trong không gian ảo, áp dụng hiệu quả vận hành của máy móc và các nội dung liên quan khác phục vụ sản xuất - kinh doanh. Tuy nhiên, quá trình phát triển tổng thể và phân tích tóm tắt về ứng dụng của bản sao số trong sản xuất công nghiệp là tương đối hiếm. Để đạt được mục tiêu này, nhiều công trình đã được nghiên cứu toàn diện về bản sao số trong bối cảnh Công nghiệp 5.0.

Theo đó, việc nâng cấp thiết bị thông minh là điều kiện chính của công nghệ bản sao số. Đồng thời, công nghệ này có thể phân tích quy trình tự động theo thời gian thực giữa các hệ thống máy móc và nguồn dữ liệu được kết nối, tăng tốc độ phát hiện lỗi và sửa lỗi. Ngoài ra, công nghệ bản sao số mang lại những cải tiến rõ ràng về hiệu quả và giảm chi phí cho sản xuất công nghiệp; phản ánh giá trị ứng dụng tiềm năng thông qua triển vọng phát triển công nghệ mới và cải thiện hiệu quả toàn bộ quy trình kinh doanh trong các kỷ nguyên công nghiệp tiếp theo.

Bản sao số là bản sao kỹ thuật số ảo (thường là 3D) của một vật thể hay hệ thống thực tế. Giữa bản sao và vật thể thực tế có một luồng dữ liệu và thông qua các cảm biến trên hệ thống thực tế, bản sao được cập nhật để có thể theo dõi trạng thái của hệ thống theo thời gian thực.

Trong lĩnh vực sản xuất - kinh doanh, bản sao số cung cấp rất nhiều thông tin như chẩn đoán hoặc tiên lượng, có thể dùng để giảm thời gian chết (downtime) và tăng lợi tức đầu tư. Thậm chí, công nghệ này còn tái hiện vòng đời sản phẩm khép kín, đưa sản phẩm về giai đoạn thiết kế, phát triển để tối ưu hóa liên tục các sản phẩm mới trong tương lai. Hơn nữa, công nghệ này còn dùng để phát triển sản phẩm theo định hướng internet vạn vật (IoT). Trước đây, việc phát triển sản phẩm sẽ dừng lại ngay khi khách hàng nhận sản phẩm và rất khó khăn khi phải thiết kế, phát triển sản phẩm mới tương tự. Ngày nay, với những phản hồi về sản phẩm, quá trình bán hàng không chỉ dừng lại ở chuyển giao sản phẩm mà còn là dịch vụ hỗ trợ, phát triển sản phẩm sau đó. Khi một sản phẩm được phát triển hiệu quả thì bản sao số cũng vậy và ngược lại.

Bên cạnh đó, công nghệ bản sao số sử dụng đầy đủ dữ liệu như mô hình vật lý, cập nhật cảm biến và lịch sử hoạt động để tích hợp các quy trình mô phỏng đa ngành, đa vật lý, đa quy mô và đa xác suất. Do đó, bản sao số có thể thu thập thông tin của các mô hình vật lý khác nhau thông qua công nghệ mô phỏng và lập bản đồ song sinh ảo kỹ thuật số của các thực thể thực. Như vậy, công nghệ này có thể giám sát các thực thể kỹ thuật số và các chỉ số hoạt động trong thời gian thực và soi chiếu thế giới tự nhiên thông qua tích lũy dữ liệu và phản hồi kết quả cho thế giới thực. Thống kê cho thấy, 85% thiết bị gốc internet vạn vật (IoT) sử dụng bản sao số để bảo vệ an ninh thông tin. Do đó, việc xây dựng thành phố thông minh do bản sao số cung cấp trở thành điểm nóng trong các công trình nghiên cứu. Trong xây dựng đô thị, phân tích cơ sở hạ tầng là cốt lõi nên việc triển khai mô hình phân tích do bản sao số cung cấp có thể thúc đẩy cơ sở hạ tầng và có giá trị cao.

Trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển sản phẩm, bản sao số có thể mô hình hóa sản phẩm và được xác minh thông qua các thí nghiệm mô phỏng. Đối với sản xuất, bản sao số mô phỏng hoạt động của thiết bị và điều chỉnh thông số; cải thiện độ tin cậy của sản phẩm sẵn có và giảm rủi ro trong phát triển sản phẩm mới. Đặc biệt, bản sao số rất quan trọng trong giai đoạn bảo trì, việc liên tục thu thập và phân tích dữ liệu vận hành sẽ dự đoán thời điểm tốt nhất để bảo trì; đồng thời là tài liệu tham khảo cho các điểm lỗi và xác suất sai số trong quá trình sản xuất. Trên thực tế, bản sao số đã phát huy đáng kể lợi ích và giảm chi phí trong sản xuất công nghiệp.

TS. NGUYỄN HOÀNG HIỆP

Đại học Lincoln – Malaysia

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Brunheroto, P. H., Tomanek, D. P., & Deschamps, F. Implications of Industry 4.0 to companies’ performance: a comparison between Brazil and Germany. Brazilian Journal of Operations & Production Management, 2021.

2. Beier, G., Matthess, M., Guan, T., Grudzien, D. I. D. O. P., Xue, B., de Lima, E. P., & Chen, L. Impact of Industry 4.0 on corporate environmental sustainability: Comparing practitioners’ perceptions from China, Brazil and Germany. Sustainable production and consumption, 2022.

3. Xu, X., Lu, Y., Vogel-Heuser, B., & Wang, L. Industry 4.0 and Industry 5.0. Inception, conception and perception. Journal of Manufacturing Systems, 2021.