Sanal Kopyamız: Dijital İkizler
Sanal Kopyamız: Dijital İkizler
Dijital ikiz; fiziksel nesnelerin, sistemlerin ya da süreçlerin canlı ve akıllı dijital bir temsilidir. Canlıdır, çünkü gerçek zamanlı çalışır, akıllıdır çünkü temsil ettiği fiziksel varlık adına karar alabilir ve aldığı kararları otomatik olarak uygulayabilir.
Dijital ikiz teknolojisinin detaylarına girmeden önce biraz geçmişe gidelim.
“Houston, we’ve had a problem”
.png)
Dijital ikiz kavramına temel oluşturan akis sistem fikrinin ilk basit uygulaması pek de yabancı olmadığımız bir olayda kullanılan çözüm yöntemi olarak kabul edilmektedir. Tarih 11 Nisan 1970. NASA; 7. insanlı uzay görevi ve 3. insanlı Ay yolculuğu görevi Apollo-13 kapsamında 3 astronotun yer aldığı uzay aracını fırlatır, başlangıçta her şey yolunda gibidir. Fakat fırlatmadan 2 gün sonra, Dünya’dan yaklaşık 320.000 km uzakta Apollo-13 uzay aracında gerçekleşen bir patlama sonucu oksijen tüpleri ciddi hasar alır ve oksijen kaynaklarının büyük kısmı uzaya sızar. Astronotlar yaşanan bu kritik sorunu meşhur “Houston, we’ve had a problem.” (Houston, bir sorunumuz var.) cümlesiyle başlayan bir diyalog ile Houston’daki görev merkezine bildirir.
Bu bildirimin ardından Houston’da Apollo 13 astronotlarını sağ salim evlerine döndürebilmek adına hareketli saatler başlar. Normal şartlarda astronotların eğitim süreçlerinde kullandıkları gelişmiş simülasyon ortamlarını kullanma fikri, çözümün başlangıcı olur. Apollo 13 astronotlarından alınan o anki durum bilgisi ile mevcut durum simüle edilir. Simülasyon sonuçları üzerinden inovatif çözümler üretilir ve çözümün uygulanması için gerekli komutlar astronotlara bildirilir. Günün sonunda görev merkezi ve astronotların iş birliği ile astronotlar gezegenimize tekrar ayak basabilmiştir.
Tarihte “Başarılı başarısızlık” olarak geçen bu olay; fiziksel bir sistemin (uzay aracı), sanal bir replikası (simülatör) ve ikisi arasında manuel de olsa bir bilgi akışı olması dolayısıyla dijital ikizin henüz adı konmamış ilk uygulaması olarak kabul edilebilir.
Öte yandan dijital ikiz, kavram olarak ilk defa 2002 yılında, Michigan Üniversitesi’nden Michael Grieves ve NASA’dan John Vickers tarafından ortaya atılmıştır. Burada bahsi geçen dijital ikiz endüstride Ürün Ömrü Yönetimi kapsamında her ürünün sanal bir temsilinin olması ve fiziksel ürün ile sanal ürün arasında çift yönlü bir bağlantı kurulması fikrini temel almaktadır.
Günümüzde Dijital İkiz
Nesnelerin interneti, siber fiziksel sistemler, makine öğrenmesi, büyük veri, uç bilişim, gibi anahtar teknolojilerin gelişimi ile birlikte dijital ikiz kavramının kapsamı ve kullanım alanı genişleyerek günümüzde uygulanan önemli teknolojilerden biri haline gelmiştir.
Sistemlerdeki artan karmaşıklık ve buna bağlı olarak azalan ön görülebilirlik seviyesiyle birlikte sistemlerin küresel olarak izlenme ve anlık duruma göre gerçek zamanlı aksiyon alabilme ihtiyaçları dijital ikizlerin gelişmesinde itici güç oluşturmuştur.
Sistemlerin uzaktan ve gerçek zamanlı izlenmesinin yanı sıra kestirimci bakım faaliyetleri gerçekleştirilerek bakım için optimum zamanın tespitinde de dijital ikizlerden faydalanılmaktadır. Öte yandan, karmaşık ve yüksek maliyetli sistemlerde uç senaryoların test edilebilmesi zor, maliyetli ve hatta bazen imkansızdır. Dijital ikizler bu uç senaryoların gerçek veriler ile simüle edilebilmesini sağlayabilmektedir.
Dijital İkiz Yapısı
Dijital ikiz en temel olarak 3 bileşenden oluşur: fiziksel varlık, sanal varlık ve gerçek zamanlı çift taraflı bilgi akışı. Fiziksel yapıda toplanan veriler gerçek zamanlı olarak sanal varlığa aktarılır, sanal tarafta yapılan simülasyon, tahminleme, optimizasyon gibi işlemlerden elde edilen çözümler ve kontrol stratejileri fiziksel varlığa aktarılır ve gerçek dünyada gerekli aksiyonların alınması sağlanır.
Fiziksel varlığı temsil eden sanal varlık; 3 boyutlu model ya da matematiksel model gibi bir mekanizma modeli olabileceği gibi makine öğrenmesi ile geliştirilen bir öğrenme modeli ya da ikisinin birleşimi hibrit bir model de olabilir. Burada hedef, fiziksel varlığın birebir aynısını sunmaktan ziyade belirlenmiş gereksinimler dâhilinde belli bir yönünü (dinamik, yapısal vs.) temsil etmektir.
Fiziksel varlık ve sanal varlık arasındaki entegrasyon seviyeleri şu şekilde tanımlanmaktadır:
Dijital Model: Fiziksel varlığın dijital versiyonudur. Fiziksel nesne ile dijital nesne arasındaki bilgi akışı manuel sağlanmaktadır.
Dijital Gölge: Fiziksel varlıktan sanal varlığa otomatik veri akışı sağlanırken, sanal varlıktan fiziksel varlığa sağlanan bilgi akışı manuel ilerlemektedir.
Dijital İkiz Türleri
Temsil ettiği fiziksel varlığın özelliklerine bağlı olarak farklı türler içermektedir. Bir nesnenin temsiliyeti durumunda “Ürün Dijital İkiz” olarak adlandırılırken, etkileşim içerisindeki farklı nesnelerden oluşan bir sistemin temsili için “Sistem Dijital İkiz” kavramı kullanılmaktadır. Öte yandan süreçlerin de dijital ikizleri oluşturulabilmekte olup bu tür ikizlere de “Süreç Dijital İkiz” adı verilmektedir.
Diğer bir sınıflandırma da fiziksel varlığın mevcudiyet durumuna göre yapılmaktadır. Fiziksel bir ürün henüz üretilmeden önce dijital ikiz konseptinde 3 boyutlu model, malzeme ve hizmet listelerini içeren ikizler “Dijital İkiz Prototip”, üretilmiş bir fiziksel varlığın yaşam ömrü boyunca ona eşlik ederek doğrulanmasını sağlayan ikizler “Dijital İkiz Örnek” olarak tanımlanmıştır. Farklı dijital ikiz örneklerinin birleşmesinden oluşan daha kapsamlı ikizler ise “Dijital İkiz Toplam” olarak anılmaktadır.
Uygulama Alanları
Dijital ikiz uygulamaları imalat, lojistik, sağlık, havacılık, şehir, ulaşım, enerji gibi pek çok sektörde yer almaktadır. En çok öne çıktığı sektörler olarak imalat, enerji, sağlık, havacılık sektörlerinden bahsedilebilir.
İmalat endüstrisinde kullanılan CNC makinelerinden sensörlerle toplanan veriler ile geliştirilen canlı modeller ürün dijital ikizine güzel bir örnektir. Ayrıca üretilen ürünlerin de dijital ikizi oluşturulabilmektedir, örneğin TESLA ürettiği her bir araç için dijital ikiz oluşturmakta ve bu sayede sattığı araçların özellikle kestirimci bakımını müşterilerine servis olarak sunabilmektedir. Diğer yandan, üretim ve lojistik süreçlerinin gerçek zamanlı simülasyon ve optimizasyonu için süreç dijital ikizleri geliştirilebilmektedir.
Sağlık alanındaki dijital ikiz uygulamalarına örnek olarak, elektrokardiyografiler üzerinden çıkarılan özellikler kullanılarak geliştirilen ve çeşitli hastalıkların teşhisinde kullanılan öğrenme modellerinden bahsedebiliriz. Diğer yandan, havacılık sektöründe BOEING, GENERAL ELECTRIC, LUFTHANSA gibi pek çok firma; filo yönetiminde, mühendislik tasarım faaliyetlerinde ve kestirimci bakım çalışmalarında dijital ikiz teknolojisini kullanarak kendilerine ve müşterilerine katma değer sağlamaktadır.
Akıllı şehirler kapsamında, uydu ve dronelar aracılığıyla toplanan veriler ile 26 milyonluk Şanghay şehrinin yaşayan modeli geliştirilerek şehrin alt yapı yönetimine önemli katkılar sağlanmasının yanı sıra COVID-19 pandemisi için alınan aksiyonların planlanmasında ve şehirde oluşabilecek sel, deprem gibi doğal afetlerin simüle edilmesinde dijital ikiz teknolojisi kullanılmaktadır.
Enerji alanında dijital ikizler; endüstriyel süreçlerde enerji tüketiminin optimizasyonu, enerji kaynaklarının modellenmesi, enerji depolama sistemlerinin tasarlanması gibi pek çok amaç dâhilinde kendine yer bulmaktadır. Enerji verimliliğini ve enerjide sürdürülebilirliği arttırmaya, enerji tüketimi ve karbon ayak izini azaltmaya yönelik olarak akıllı enerji sistemlerinin tasarım, geliştirme ve iyileştirme süreçlerinde dijital ikiz teknolojilerinden faydalanılmaktadır.
Son Söz
Neredeyse her sektörde değer yaratabilme kabiliyetine sahip olan dijital ikiz teknolojisi günümüzde nesnelerin interneti, yapay zeka, simülasyon, optimizasyon, uç bilişim, bulut bilişim, büyük veri gibi anahtar teknolojilerin ortaklaşa kullanıldığı, disiplinler arası yetkinlik gerektiren, bir mühendislik alanıdır. Artırılmış gerçeklik, karma gerçeklik, blok zinciri, kuantum bilişim gibi teknolojilerin de bu ekosisteme dâhil olması ile birlikte dijital ikizler yakın gelecekte bugünümüzü anlamlandırma ve yarınımızı şekillendirme konusunda çok daha geniş ve etkin bir rol kazanacaktır.
Referanslar
Bilgili, D., Kecibas, G., Besirova, C., Chehrehzad, M. R., Burun, G., Pehlivan, T., Uresin, U., Emekli, E., & Lazoglu, I. (2022). Tool flank wear prediction using high-frequency machine data from industrial edge device. Procedia CIRP, 118, 483–488. https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.06.083
Cankal Altun, (2020). Akıllı Ev Cihazlarının Dijital İkizleri Üzerinden Sosyal Ve Bilişsel Beceriler Kazanarak Liberalleşmesi İçin Sis Bilişim Ve Dağıtık Hesap Defteri Teknolojisi Tabanlı Bir Mimari https://hdl.handle.net/20.500.11851/4074
Grieves, Michael. (2016). Origins of the Digital Twin Concept. 10.13140/RG.2.2.26367.61609.
Tao, F., Zhang, M., & Nee, A. Y. C. (2019). Background and Concept of Digital Twin. In Digital Twin Driven Smart Manufacturing (pp. 3–28).
Yu, W., Patros, P., Young, B., Klinac, E., & Walmsley, T. G. (2022). Energy digital twin technology for industrial energy management: Classification, challenges and future. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 161(January), 112407. https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112407
https://www.nasa.gov/feature/50-years-ago-houston-we-ve-had-a-problem
https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/apollo-13-the-first-digital-twin/
https://www.ge.com/research/offering/digital-twin-creation
https://www.shine.cn/news/metro/2203082846/
Yazan : Gizem Burun