В последние несколько лет в контексте Интернета вещей (IoT) можно все чаще можно встретить термины Digital Twins (Цифровые двойники) и Device Twins (Двойники устройств), которые описывают создание виртуальных моделей физических объектов или процессов, но они имеют различные сферы применения. В силу их внешней схожести часто происходит путаница. Давайте попробуем разобраться, чем являются эти понятия в индустрии IoT.

Digital Twins

Цифровой двойник представляет собой комплексную виртуальную модель физического объекта, процесса, системы или услуги. Это может включать в себя здания, машины, производственные линии, логистические системы и др.

Цель состоит в симуляции и анализе поведения объекта в виртуальной среде, что позволяет оптимизировать производственные процессы, предсказывать неисправности, улучшать продукты и услуги и многое другое.

Цифровые двойники часто используются в промышленности, автомобильном производстве, строительстве, здравоохранении и других отраслях.

Примеры

Промышленное производство: в производственных цехах цифровые двойники могут использоваться для моделирования и оптимизации всего производственного процесса. Они собирают данные от различных машин и оборудования на производственной линии, позволяя определять узкие места, прогнозировать неисправности и оптимизировать эффективность.

Умные города: цифровые двойники могут быть использованы для моделирования инфраструктуры города, включая дорожные сети, системы водоснабжения, и электроснабжения. Это помогает городским планировщикам принимать более обоснованные решения и оптимизировать городские услуги.

Здравоохранение: в медицине, цифровые двойники пациентов могут быть созданы с использованием их медицинских данных, что позволяет врачам лучше понимать их состояние здоровья, моделировать воздействие лекарств и разрабатывать персонализированные планы лечения.

Device Twins

Device Twins, чаще всего, являются специализированным подмножеством концепции Digital Twins, которое ориентировано на IoT устройства.

Этот термин обычно относится к виртуальной модели конкретного IoT устройства, которая синхронизируется с реальным устройством. Это позволяет отслеживать текущее состояние устройства, его конфигурации и другую метаинформацию.

Device Twins используются для управления, мониторинга и диагностики IoT устройств на расстоянии. Применение Device Twins с устройствами LPWAN (Low Power Wide Area Network) представляет особую ценность. LPWAN технологии, такие как LoRaWAN или NB-IoT, позволяют устройствам работать на больших расстояниях с очень низким энергопотреблением. Использование Device Twins в связке с LPWAN устройствами позволяет оптимизировать передачу данных, таким образом экономя радиоспектр и продлевая срок службы батарей устройств.

Device Twins хранят текущее состояние устройства и могут синхронизировать изменения только тогда, когда это необходимо, вместо постоянной передачи данных. Это означает, что LPWAN устройства могут передавать данные менее часто, что снижает их энергопотребление и загрузку на радиочастотах, не теряя при этом в качестве получаемых данных. Такой подход увеличивает эффективность использования сетевых ресурсов и может быть критически важным для сценариев сельского хозяйства, где устройства могут быть разбросаны на большой территории и иметь ограниченные возможности по питанию.

Примеры

Умный дом: в системах умного дома, каждое устройство, такое как термостат, освещение, или датчик безопасности, может иметь свой собственный Device Twin. Это позволяет пользователям управлять и мониторить состояние устройств дистанционно через мобильное приложение.

Сельское хозяйство: в современном сельском хозяйстве, IoT устройства, такие как датчики влажности и системы автоматического полива, могут иметь Device Twins. Это позволяет фермерам мониторить и оптимизировать условия роста растений, управляя устройствами на поле дистанционно.

Промышленные роботы: роботы, используемые на производственных линиях, могут иметь свои Device Twins, что позволяет операторам мониторить состояние и производительность роботов, а также обновлять их конфигурацию удаленно.

В чем отличия

Digital Twins шире по сфере применения и может включать в себя моделирование целых систем или процессов, в то время как Device Twins более специфичен и фокусируется на отдельных IoT устройствах.

Device Twins чаще всего используется для управления и мониторинга устройств, тогда как Digital Twins часто применяется для оптимизации и анализа производственных процессов и систем.

Что общего

Обе концепции включают в себя создание виртуальных моделей физических объектов.

Они используются для симуляции, мониторинга, анализа и управления реальными объектами или процессами.

И Digital Twins, и Device Twins обычно используют данные с IoT устройств.

Стандарты

Стандартизация важна для совместимости технологий, возможности перенести объекты из одной среды в другую, повторно их использовать и пр.

В Digital Twins самая массовая организация — Digital Twin Consortium. Она развивает и продвигает идеи Digital Twins, и объединяет усилия других организаций, вовлеченных в эту сферу: oneM2M, ETSI, 3GPP и пр. Более полно о стандартах Digital Twins — в этой книге.

С Device Twins на сегодняшний день ситуация иная: их используют крупнейшие провайдеры IoT — AWS и MS Azure, но в проприетарном, хотя и очень похожем виде.

Примеры совместного использования

Современный дата-центр

Дата‑центр — наиболее понятный объект для людей из сферы ИТ. Он цифровизирован и автоматизирован, давайте на его примере рассмотрим совместную работу Digital Twins и Device Twins. Для дата‑центра использование Digital Twins и Device Twins может быть особенно полезным для мониторинга, управления и оптимизации работы оборудования и инфраструктуры. Вот как это может работать на практике:

Шаг 1: Создание Device Twins

Для каждого физического устройства в дата‑центре, такого как серверы, хранилища, сетевые коммутаторы, и системы кондиционирования воздуха, создается Device Twin.

• Например, для сервера Device Twin может отслеживать текущую загрузку процессора, использование памяти, температуру, статус вентиляторов и другую информацию.

• Для системы кондиционирования воздуха, Device Twin может отслеживать температуру, влажность, и эффективность охлаждения.

Шаг 2: Агрегация данных с Device Twins

Данные собираются со всех Device Twins в дата‑центре и передаются в центральную систему управления.

Шаг 3: Создание Digital Twin дата-центра

С использованием данных от всех Device Twins, создается Digital Twin всего дата‑центра. Этот Digital Twin моделирует все аспекты работы дата‑центра, включая:

• Распределение ресурсов среди серверов.

• Оптимизацию энергопотребления.

• Моделирование воздушных потоков для оптимизации охлаждения.

• Прогнозирование потребности в обслуживании оборудования.

Шаг 4: Анализ и оптимизация

С использованием Digital Twin, операторы дата‑центра могут анализировать работу инфраструктуры в реальном времени и проводить симуляции для оптимизации производительности и эффективности.

Например, если Digital Twin показывает, что определенная зона дата‑центра перегревается, операторы могут решить перераспределить нагрузку или настроить системы охлаждения для этой зоны.

Шаг 5: Применение изменений

На основе анализа и оптимизации с использованием Digital Twin, реальное оборудование в дата‑центре может быть сконфигурировано или настроено соответствующим образом для улучшения производительности и эффективности.

В итоге, использование Device Twins и Digital Twin в совокупности позволяет не только мониторить состояние отдельных устройств в дата‑центре, но и анализировать и оптимизировать работу всего дата‑центра как единой системы.

Connected car

Каждое устройство внутри современного автомобиля (например, двигатель, трансмиссия, сенсоры, системы управления) может иметь свой собственный Device Twin, который отслеживает состояние и параметры этого конкретного устройства. Однако, когда мы соединяем все эти Device Twins вместе и моделируем, как они взаимодействуют друг с другом в рамках всего автомобиля, мы, по сути, создаем Digital Twin автомобиля.

В этом случае Digital Twin автомобиля может использоваться не только для мониторинга и управления состоянием отдельных компонентов, но и для симуляции и анализа поведения всего автомобиля в различных условиях. Это может быть полезно для оптимизации производительности, увеличения эффективности потребления топлива, предсказания необходимости обслуживания, и многого другого.

При этом все зависит от целей. Если необходим Digital Twin автомобиля для моделирования крэш‑тестов, то одних данных от Device Twins будет недостаточно — нужны физические свойства силового каркаса, стекол, подушек безопасности и пр.

Сельское хозяйство

В сельском хозяйстве технологии Device Twins и Digital Twin могут быть использованы в совокупности для оптимизации урожаев, управления ресурсами и повышения эффективности фермерских операций. Вот пример:

Представьте ферму, где используются различные IoT устройства, такие как датчики влажности, датчики температуры, системы автоматического полива, и дроны для мониторинга состояния полей.

Шаг 1: Создание Device Twins

Для каждого IoT устройства на ферме создается Device Twin. Например, датчик влажности имеет свой Device Twin, который отслеживает текущие показания влажности почвы. Система автоматического полива также имеет свой Device Twin, который позволяет управлять и отслеживать ее работу.

Шаг 2: Агрегация данных с Device Twins

Данные, собираемые с Device Twins, направляются в централизованную систему управления, где они могут быть анализированы и использованы для принятия решений.

Шаг 3: Создание Digital Twin фермы

С использованием данных от всех Device Twins создается Digital Twin всей фермы. Digital Twin представляет собой виртуальную модель фермы, которая включает в себя все поля, устройства, погодные условия, и другие факторы, которые могут влиять на урожай.

Шаг 4: Анализ и оптимизация

С использованием Digital Twin фермы, фермеры могут проводить симуляции и анализировать, как различные факторы, такие как погода, влажность почвы и уровень полива, влияют на урожай. Это позволяет оптимизировать использование ресурсов, предсказать потенциальные проблемы и принимать информированные решения.

Например, если Digital Twin показывает, что уровень влажности в определенном поле слишком низкий, фермер может использовать Device Twin системы полива, чтобы автоматически увеличить полив этой зоны.

Шаг 5: Применение изменений На основе анализа и оптимизации, проведенных с использованием Digital Twin, реальные устройства на ферме могут быть настроены или сконфигурированы соответствующим образом для улучшения урожая и эффективности использования ресурсов.

Совместное использование Device Twins и Digital Twin позволяет не только мониторить и управлять отдельными устройствами на ферме, но и анализировать и оптимизировать работу всей фермы как единой системы. Это может привести к снижению затрат, увеличению урожаев и повышению общей эффективности сельскохозяйственных операций.

Заключение

Device Twins и Digital Twins могут дополнять друг друга. Наличие Device Twins в системе существенно облегчает и поддерживает процесс создания Digital Twins, особенно в сложных системах, где множество устройств взаимодействуют между собой. Device Twins предоставляют детальную информацию о состоянии, конфигурации и поведении отдельных устройств. Эти данные могут быть интегрированы в Digital Twin для моделирования более крупных систем или процессов.

Таким образом, Device Twins служат важным строительным блоком для создания Digital Twins, предоставляя необходимые данные и взаимосвязи на уровне устройства, которые могут быть масштабированы до уровня системы или процесса.