Ngày nay, Internet vạn vật (IoT) đã có bước phát triển mạnh mẽ nhờ sự kết hợp với các xu hướng công nghệ mới như nền tảng trí tuệ nhân tạo AI. Cùng với đó là chuyển đổi số diễn ra ở khắp mọi nơi, trong mọi ngành nghề của cuộc sống. Để đồng bộ việc tích hợp giữa IoT và dữ liệu, một xu hướng công nghệ mới đã ra đời gọi là Digital Twins. Đây là một trong những công nghệ của nền công nghiệp 4.0 đã được ứng dụng cho nhiều mô hình hiện nay.

1. Digital Twins là gì?

Digital Twins (Bản sao song sinh kỹ thuật số) là một bản sao kỹ thuật số của một thực thể hoặc hệ thống trong thế giới thực, hay nói cách khác là nó cung cấp một bản sao chính xác của thế giới vật lý cùng với cập nhật theo thời gian thực tương ứng. Về bản chất, một Digital twins là một chương trình máy tính sử dụng dữ liệu thế giới thực để tạo ra các mô phỏng dự đoán cách một sản phẩm hoặc quy trình sẽ hoạt động như thế nào. Các chương trình này có thể tích hợp internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI) và phân tích phần mềm để nâng cao kết quả đầu ra.

Từ nằm 2012, khái niệm này được giới thiệu và phát hành lần đầu tiên bởi NASA, với những tiêu chí đặt ra cho Digital Twins trên một hệ thống mô phỏng chiếc máy bay. Trong đó tiêu chí quan trọng là có thể mô phỏng tích hợp đa vật lí, 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.

Trong quá trình nghiên cứu và phát triển, Digital Twins cho thấy sự hiệu quả và thích hợp trong nhiều lĩnh vực ứng dụng; nó như là một chiếc cầu nối giữa thế giới thực và không gian số. Với sự phát triển của IoT, số lượng các thiết bị trong thực tế kết nối với Internet ngày càng nhiều; các nhà phát triển có thể xây dựng được gần như hoàn chỉnh một bản sao số hóa tái hiện lại được không gian, thời gian và vật chất trong cuộc sống; từ đó đưa ra các mô phỏng, dự đoán có tính chính xác cao hơn.

2. Thành phần chính của Digital Twins

Để xây dựng, tạo ra một đại diện ảo sinh đôi, chính xác của một sản phẩm, một hệ thống bao gồm cả các hành vi theo thời gian thực; các yếu tố mà một hệ Digital Twins phải có bao gồm:

Cảm biến: thu thập dữ liệu và cung cấp cho đại diện ảo trong suốt quá trình hoạt động vật lý trong thế giới thực.

Dữ liệu: dữ liệu từ các cảm biến, từ bản vẽ thiết kế, từ hiểu biết về hệ thống hay những thông tin từ môi trường giúp hệ thống ảo vận hành chuẩn xác như thật hơn.

Bộ truyền động: mỗi hành động trong thế giới thực đều phải được phản ánh chính xác đến bản sao song sinh của nó và ngược lại, để những tác động lên bản sao số có thể thay đổi được lên chính bản thể vật lý của nó, chúng ta cần xây dựng những bộ truyền động chịu sự can thiệp của con người.

3. Hoạt động của Digital Twins

Digital Twins có thể hiểu là một mô hình ảo sử dụng chương trình máy tính lấy dữ liệu trong thế giới thực về một đối tượng hoặc hệ thống vật lý làm đầu vào và sau đó tạo ra các mô phỏng đầu ra với các dụ đoán sự ảnh hưởng của đối tượng hoặc hệ thống vật lý bởi những dữ liệu đầu vào trước đó.

Các đối tượng vật lý được nghiên cứu được trang bị nhiều cảm biến khác nhau liên quan đến các lĩnh vực chức năng quan trọng, tạo ra dữ liệu về các khía cạnh khác nhau trong hoạt động của các đối tượng vật lý đó, sau đó thông qua một hệ thống xử lý dữ liệu và áp dụng tạo nên Bản sao song sinh kỹ thuật số. Mô hình ảo sau khi được cung cấp dữ liệu như vậy được sử dụng để chạy mô phỏng, nghiên cứu các vấn đề về hiệu suất và tạo ra các cải tiến khả thi. Sau quá trình mô phỏng, các kết quả của mô hình ảo tạo ra thông tin chi tiết có giá trị có thể áp dụng lại cho đối tượng vật lý ban đầu.

Hình 1. Mô hình bản sao song sinh kỹ thuật số quy trình sản xuất

Digital Twins có sự khác biệt với bản mô phỏng đơn thuần. Mặc dù đều sử dụng các mô hình kỹ thuật số để sao chép các quy trình khác nhau của hệ thống, nhưng song sinh kỹ thuật số thực sự là một môi trường ảo với sự phong phú hơn hẳn bản mô phỏng đơn thuần và rất đáng để nghiên cứu. Mô phỏng truyền thống được thực hiện hoàn toàn trong một môi trường mô phỏng bằng máy tính đã thành công vừa phải trong việc mô hình hóa các môi trường phức tạp. Bản sao kỹ thuật số có thể không chỉ đóng vai trò như một IoT hỗ trợ cảm biến khác mà nó có thể cung cấp mối liên kết toàn diện gần như trong thời gian thực giữa thế giới vật chất và kỹ thuật số, tương tác giữa các thành phần và toàn bộ quy trình vòng đời. Trong khi mô phỏng thường nghiên cứu một quy trình cụ thể thì bản thân Digital Twins có thể tự chạy bất kỳ số lượng mô phỏng hữu ích nào để nghiên cứu nhiều quy trình. Do đó, sự khác biệt chủ yếu giữa Bản sao song sinh kỹ thuật số và mô phỏng là vấn đề quy mô. Mô phỏng được thực hiện 1 chiều theo dữ liệu đầu vào. Trong khi đó, Bản sao song sinh kỹ thuật số được thiết kế theo luồng thông tin hai chiều với việc cung cấp dữ liệu cho bộ xử lý hệ thống sau đó khi có thông tin chi tiết lại quay lại chia sẻ dữ liệu với đối tượng vật lý ban đầu. Bản sao song sinh kỹ thuật số đã đem lại những mô hình chuẩn xác hơn so với mô phỏng tiêu chuẩn, giúp cải tiến sản phẩm và quy trình thật sự hiệu quả.

4. Ứng dụng của Digital Twins

            Dù vẫn trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển, Digital Twins cũng đã có những ứng dụng thực tế rõ rệt kết hợp với sự phát triển của AI, Machine Learning và IoT trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0:

            Trong sản xuất: Digital Twins khi áp dụng trong hoạt động sản xuất kinh doanh sẽ được trang bị các nhà máy ứng dụng công nghệ để mô phỏng quy trình sản xuất. Chúng giúp các nhà sản xuất giải quyết nhanh gọn tình huống bất ngờ và cải thiện chất lượng sản phẩm tốt hơn.

            Tăng trải nghiệm khách hàng với sản phẩm, dịch vụ: Digital Twins hỗ trợ khách hàng có những trải nghiệm phù hợp. Các bản sao kỹ thuật số mô phỏng cung cấp các dịch vụ trực tiếp cho khách hàng dựa trên sự cảm nhận của mỗi người dùng.

            Chăm sóc sức khỏe: Digital Twins sẽ tạo ra một bệnh viện ảo với mục đích tạo ra môi trường an toàn cho người dùng. Mặt khác, nó cũng có khả năng kiểm soát những thay đổi với hiệu suất của hệ thống, nâng cao chất lượng dịch vụ y tế cho bệnh nhân. Các bác sĩ thường dựa vào Digital Twins để mô phỏng dữ liệu của tim trước khi phẫu thuật trên bệnh nhân.

            Hỗ trợ dự án thành phố thông minh: Digital Twins và IoT phối hợp để tăng cường phát triển kinh tế, quản lý tài nguyên, nâng cao chất lượng cuộc sống và giảm tác động của môi trường sinh thái. Nó cũng có khả năng thu thập thông tin chi tiết từ các mạng cảm biến và hệ thống thông minh khác nhau. Nhờ đó mà việc hoạch định chính sách, quy hoạch thành phố hiệu quả hơn.

            Ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp: Các tổ chức công nghiệp có thể sử dụng Digital Twins để giám sát và điều khiển hệ thống sản xuất với kỹ thuật số hiện đại dễ dàng và nhanh chóng. Hơn nữa, nó còn giúp nắm bắt và dự đoán trước rủi ro có thể xảy ra như cấu hình, vị trí và mô hình tài chính.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Franz Barachini, Christian Stary (2022), From Digital Twins to Digital Selves and Beyond Engineering and Social Models for a Trans-humanist World, Springer Cham.

[2]. Aaron Parrott, Dr. Lane Warshaw, Industry 4.0 and the digital twins, Deloitte University Press.

[3]. Wei Yu, Panos Patros, Brent Young, Elsa Klinac, Timothy Gordon Walmsley (2022). Energy digital twin technology for industrial energy management: Classification, challenges and future, Renewable and Sustainable Energy Reviews 161 (2022)

[4]. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2023), IoT - Kiến trúc IoT, IoT công nghiệp và công nghiệp 4.0, IoT tổ ong, NXB Thông tin và Truyền thông, 2018.

[5]. Digital twin. https://www.ge.com/;

[6]. https://topdev.vn/