Digital Twin có thể giải quyết thách thức về tích hợp liền mạch giữa IoT và phân tích dữ liệu thông qua việc tạo ra một cặp song sinh vật lý và ảo được kết nối (Digital Twin). Môi trường Digital Twin cho phép phân tích nhanh chóng và đưa ra các quyết định theo thời gian thực thông qua các phân tích chính xác. Bên cạnh đó Digital Twins hỗ trợ quá trình chuyển đổi số thông qua phương pháp nhân rộng, mô phỏng các mô hình quản trị, kinh doanh mới và hệ thống hỗ trợ quyết định. Tổ chức tư vấn CNTT Gartner đã liệt kê công nghệ Digital Twins là một trong mười xu hướng công nghệ chiến lược hàng đầu và dự đoán rằng công nghệ song sinh kỹ thuật số sẽ phục vụ hàng tỷ người vào những năm tiếp theo.

Bài viết này thông qua thu thập, tổng hợp các tài liệu có liên quan cung cấp góc nhìn sơ bộ ứng dụng Digital Twin trong một số lĩnh vực như chăm sóc sức khỏe, sản xuất hay đô thị thông minh.

1. Digital Twin là gì?

Khái niệm Digital Twin ban đầu được giới thiệu vào năm 2003 bởi học giả Michael Grieves và lần đầu tiên năm 2012 được Cơ quan Quản lý Hàng không Vũ trụ Quốc gia (NASA) phát hành thông qua một bài báo với tựa đề “Mô hình đôi kỹ thuật số cho các phương tiện không quân của NASA và Hoa Kỳ trong tương lai”. Trong đó bước đầu đã xác định những tiêu chí quan trọng của Digital Twin: “là một mô phỏng tích hợp đa vật lý, đa tỷ lệ, xác suất của một phương tiện hoặc hệ thống được chế tạo thông qua sử dụng các mô hình vật lý tốt nhất hiện có, cập nhật cảm biến, lịch sử đội bay..., để phản ánh tuổi thọ của chiếc máy bay song sinh tương ứng của nó”.

Trải qua quá trình nghiên cứu và phát triển, cho đến nay tùy theo từng lĩnh vực ứng dụng, sản xuất hay kinh doanh, Digital Twins được coi là một tổ hợp các giải pháp công nghệ, là chiếc cầu nối giữa thế giới thực và không gian số. Nó được thiết kế để mô hình hóa các sản phẩm hoặc quy trình tương tác phức tạp theo nhiều cách trong môi trường rất khó dự đoán kết quả trong toàn bộ vòng đời sản phẩm Các thiết bị vật lý được trang bị một hệ thống cảm biến để theo dõi các thông số hoạt động, tình trạng vận hành, vị trí, và các yếu tố quan trọng khác. Các cảm biến này được kết nối với nền tảng đám mây, nơi các dữ liệu sẽ được thu thập, lưu trữ, xử lý, và phân tích. Dữ liệu vận hành khi được phân tích với các điều kiện ngữ cảnh giả định khác nhau sẽ mô phỏng ra các kết quả khác nhau. Các khám phá quan trọng trong môi trường ảo hóa này sẽ giúp quá trình triển khai ở thực tế diễn ra nhanh hơn và giảm thiểu rủi ro có thể xảy ra.

2. Một số ứng dụng của Digital Twins

a. Ứng dụng trong sản xuất, chế tạo

Hình 1. Tính tương tác giữa thế giới vật lý và kỹ thuật số

Hình ảnh trên là ví dụ của song sinh kỹ thuật số với một đại diện ảo, chính xác của một sản phẩm hoặc quy trình vật lý sao chép chính xác hệ thống trong thế giới thực và hành vi của nó. cho một mô hình của một quy trình sản xuất trong thế giới vật lý và người bạn song hành của nó trong thế giới kỹ thuật số. Các yếu tố cấu thành bao gồm các thành phần cơ bản như sau:

• Cảm biến: Cung cấp dữ liệu trong suốt quá trình sản xuất, cho phép Digital Twins thu thập dữ liệu hoạt động và môi trường liên quan đến quá trình hoạt động vật lý trong thế giới thực.

• Dữ liệu: Dữ liệu vận hành và môi trường trong thế giới thực từ các cảm biến được tổng hợp và kết hợp với dữ liệu từ doanh nghiệp như: hóa đơn nguyên vật liệu (BOM) hay thông số kỹ thuật thiết kế.... Dữ liệu cũng có thể chứa các mục khác như bản vẽ kỹ thuật, kết nối với nguồn cấp dữ liệu bên ngoài và nhật ký khiếu nại của khách hàng.

• Tích hợp: Dữ liệu từ cảm biến tích hợp với các dữ liệu liên quan thông qua công nghệ tích hợp.

• Analytics: Các kỹ thuật phân tích được sử dụng thông qua các mô hình có sẵn và các thuật toán mô phỏng để phân tích dữ liệu và các quy trình trực quan hóa được sử dụng bởi Digital Twins để tạo ra thông tin chi tiết.

• Song sinh số: Khu vực “Kỹ thuật số” của hình 1 chính là song sinh số - một ứng dụng kết hợp các thành phần ở trên thành một mô hình kỹ thuật số gần thời gian thực của thế giới vật lý. Mục tiêu của một cặp song sinh số chính là xác định những sai lệch, lỗi từ các điều kiện tối ưu theo các chiều khác nhau để cải tiến, thay đổi hay xây dựng các mô hình hoạt đông tối ưu để tiết kiệm chi phí, cải thiện chất lượng sản phẩm hoặc đạt được hiệu quả cao hơn so với mục tiêu ban đầu.

• Bộ truyền động: Nếu một hành động được đảm bảo trong thế giới thực, Digital Twins sẽ tạo ra cơ chế truy nhập thông qua các thiết bị bộ truyền động chịu sự can thiệp của con người để kích hoạt quá trình hoạt động vật lý.

Cặp song sinh số đóng vai trò như một bản sao ảo của những gì đang thực sự xảy ra trong nhà máy với thời gian gần thực. Hàng nghìn cảm biến được lắp đặt trong suốt quá trình vận hành, sản xuất vật lý, thu thập dữ liệu bao gồm các đặc điểm hành vi, tình trạng và hoạt động của từng thiết bị cũng như toàn bộ dây chuyền (độ dày, chất lượng màu sắc, độ cứng, mô-men xoắn, tốc độ,..) đến các điều kiện môi trường bên trong nhà máy.

Những dữ liệu này liên tục được thu thập, truyền tới và tổng hợp bởi ứng dụng Digital Twins. Thông qua liên tục phân tích, đánh giá các luồng dữ liệu này, Digital Twins có thể phát hiện ra các xu hướng không thể chấp nhận được về hiệu suất thực tế của quá trình sản xuất ở một khía cạnh cụ thể khi so sánh với phạm vi hiệu suất lý tưởng có thể chấp nhận được. Chính điều này có thể kích hoạt công tác đánh giá, kiểm tra và có những kế hoạch thay đổi tiềm năng đối với một số khía cạnh của quá trình sản xuất trong thế giới vật chất.

Một ví dụ điển hình ứng dụng của Digital Twins trong ngành công nghiệp ô tô điện của Tesla. Với sự sẵn có của “cặp song sinh số” của động cơ hoặc bộ phận khác trên ô tô để thu thập, mô phỏng và phân tích dữ liệu quá trình hoạt động. Công nghệ AI thực hiện phân tích dữ liệu trên dữ liệu trực tiếp của chiếc xe để dự đoán hiệu suất hiện tại và tương lai của các bộ phận cũng như đưa ra các khuyến cáo cải thiện độ quy trình vận hành hay sản xuất cho tương lai.

Tuy nhiên, ở phạm vi của quá trình hoạt động vật lý lớn hơn, thì mô hình Digital Twins của nó sẽ phức tạp hơn rất nhiều so với một mô hình hoặc khuôn khổ đơn lẻ.

Ứng dụng trong chuyển đổi số đô thị- Đô thị thông minh

Công nghệ IoT được coi là nhân tố chính trong quá trình chuyển đổi số hướng tới đô thị thông minh của các đô thị đã kích hoạt tiềm năng của Digital Twins. Dữ liệu các dịch vụ và cơ sở hạ tầng trong đô thị được thu thập thông qua các cảm biến và được giám sát bằng các thiết bị IoT đã tạo ra các loại hình quản trị, kiểm soát đô thị trong tương lai. Nó có thể được sử dụng để giúp lập kế hoạch và phát triển các đô thị thông minh hiện tại cũng như trợ giúp cho sự phát triển đang diễn ra của các đô thị thông minh khác. Dữ liệu này cung cấp một cái nhìn sâu sắc về hoạt động, hiệu quả của các tiện ích đang được phân phối và sử dụng. Xu hướng chuyển đổi số trong đô thị là tiềm năng cho sử dụng công nghệ Digital Twin. cho phép Digital Twins học hỏi từ môi trường vật lý thông qua phân tích những thay đổi của dữ liệu được thu thập.

Hiện nay, các dự án ở thành phố Rotterdam, Singapore và Rio de Janeiro. Các hệ thống thông tin có khả năng cung cấp truy cập thông tin theo thời gian thực như: lưu lượng giao thông trên mạng lưới đường bộ, nhiệt độ địa phương và thông tin chất lượng không khí, sử dụng phương tiện giao thông công cộng. Những thông tin này được phân tích để xây dựng trên không gian số các mô hình quy hoạch, quản trị … cũng như kế hoạch phát triển đô thị về mặt vật lý trong thời gian tiếp theo.

Ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe

Lĩnh vực chăm sóc sức khỏe là một lĩnh vực ứng dụng sâu rộng và hiệu quả công nghệ Digital Twin. Sự tăng trưởng và phát triển vượt bậc của công nghệ đã biến điều bất khả thi ngày càng trở nên khả thi. Thiết bị IoT ngày càng rẻ hơn và dễ triển khai hơn tạo điều kiện cho sự gia tăng về kết nối thúc đẩy phát triển ứng dụng tiềm năng Digital Twin. Ứng dụng trong tương lai là Digital Twin của con người, phân tích dữ liệu cơ thể theo thời gian thực hay Digital Twin được sử dụng để mô phỏng tác dụng của một số loại thuốc nhất định. Một ứng dụng khác sử dụng Digital Twin để lập kế hoạch và thực hiện các thủ tục phẫu thuật.

Tương tự như vậy với các ứng dụng khác trong thiết lập chăm sóc sức khỏe, việc sử dụng Digital Twin mang lại cho các nhà nghiên cứu, bác sĩ, bệnh viện và nhà cung cấp dịch vụ chăm sóc sức khỏe khả năng mô phỏng môi trường cụ thể cho nhu cầu của họ cho dù đó là thời gian thực hay hướng tới phát triển các nghiên cứu và sử dụng trong tương lai. Ngoài ra, Digital Twin có thể được sử dụng đồng thời với các thuật toán AI để đưa ra các dự đoán và quyết định thông minh hơn. Nhiều ứng dụng trong chăm sóc sức khỏe từ xa cho phép bác sỹ không cần tiếp xúc trực tiếp với bệnh nhân đã tạo ra thuận lợi cho việc chăm sóc và điều trị liên tục. Có thể nói Digital Twin trong lĩnh vực này đang ở giai đoạn sơ khai, nhưng tiềm năng rất lớn để quản lý giường bệnh cho đến quản lý hệ thống bệnh viện qui mô lớn.

Lời kết

Trong thời đại Công nghiệp 4.0, khi một số ngành đang trải qua quá trình chuyển đổi số mạnh mẽ và sâu rộng, Digital Twin được coi là một phần quan trọng giúp các tổ chức đạt được lợi thế cạnh tranh nhất định. Xuất phát từ nguồn gốc ngành hàng không vũ trụ, Digital Twin được kỳ vọng trở thành một công cụ chủ chốt chuyển đổi số cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Với các ứng dụng chính là thiết kế / lập kế hoạch, tối ưu hóa, bảo trì, an toàn, ra quyết định hay truy cập từ xa... Với khả năng liên kết thế giới thực và ảo trong thời gian thực, Digital Twin cung cấp một phép đo tổng thể và thực tế hơn đối với các tình huống khó lường trước và không thể đoán được. Nó được kỳ vọng là một công cụ tuyệt vời để các tổ chức, doanh nghiệp có thể lường trước được những rủi ro, tìm kiếm những thuận lợi trước khi đưa các nguồn lực để triển khai trong thế giới thực, từ đó giúp các tổ chức, doanh nghiệp nâng cao khả năng, tăng năng suất và hoạt động hiệu quả hơn.

Theo dữ liệu công bố của tổ chức ABI Research vào ngày 29/12/2021 cho thấy chi tiêu toàn cầu cho công nghệ Digital Twin công nghiệp sẽ đạt 4,6 tỷ USD vào năm tới và dự kiến sẽ tăng lên 33,9 tỷ USD vào năm 2030 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 28%.

Tuy nhiên, Digital Twin vẫn đang là một công nghệ ở giai đoạn sơ khai và đang tồn tại rất nhiều thách thức liên quan như: Thiếu nhất quán về định nghĩa và giá trị của nó; thiếu tiêu chuẩn và quy định; những vấn đề về bảo mật và quyền sở hữu dữ liệu liên quan; thiếu phần mềm hỗ trợ…    

                                                                              Lê Việt Hưng

Tài liệu tham khảo

https://www2.deloitte.com/content/dam/insights/us/articles/3833_Industry4-0_digital-twin-technology/DUP_Industry-4.0_digital-twin-technology.pdf

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1911/1911.01276.pdf

https://azure.microsoft.com/en-us/services/digital-twins/#features

https://www.researchgate.net/publication/338853051_Digital_Twins?enrichId=rgreq-157bb694f13b435122fc7bf0ebe06de6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMzODg1MzA1MTtBUzo5NjY0NzYyNjU3MDk1NzBAMTYwNzQzNzMwNjI5Mw%3D%3D&el=1_x_2&_esc=publicationCoverPdf

https://www.gartner.com/en/newsroom/press-releases/2019-02-20-gartner-survey-reveals-digital-twins-are-entering-mai