Jak sztuczna inteligencja zwiększa możliwości cyfrowych bliźniaków

-- wtorek, 21 grudzień 2021

Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT) i sztuczna inteligencja (AI), a także ich interfejsy: rozszerzona rzeczywistość i wirtualna rzeczywistość, mogą odegrać istotną rolę w tworzeniu i funkcjonowaniu cyfrowych bliźniaków. A te z kolei mogą ułatwić organizację szkoleń, zoptymalizować procesy produkcyjne i poprawić jakość produktów.

Dzięki swojej inteligencji człowiek od wieków tworzy i utrzymuje różnego typu zaawansowane systemy. Ta sama inteligencja doprowadziła do stworzenia cyfrowych bliźniaków, które dziś pomagają w obsłudze owych systemów, a także optymalizują procesy projektowania i produkcji. Mało tego, umożliwiła również wykreowanie sztucznej inteligencji (AI) oraz jej interfejsów: rozszerzonej rzeczywistości (AR) i wirtualnej rzeczywistości (VR), które jeszcze bardziej usprawniają zarządzanie złożonymi systemami z wykorzystaniem cyfrowych bliźniaków.

W praktyce cyfrowe bliźniaki łączą w sobie ludzką inteligencję i sztuczną inteligencję, tworząc na tej bazie coś nowego – użyteczną reprezentację skomplikowanych systemów. Ponieważ ich funkcjonowanie opiera się na uczeniu maszynowym (ML), modelowaniu predykcyjnym i sztucznej inteligencji, użytkownicy końcowi nie muszą już zajmować się tworzeniem algorytmów umożliwiających cyfrowym bliźniakom poprawną realizację ich zadań, a jednocześnie mogą w pełni korzystać z ich zalet, w tym możliwości rozszerzenia własnej wiedzy i zdolności. Cyfrowe bliźniaki – wyposażone w funkcje rozszerzonej rzeczywistości i wirtualnej rzeczywistości – tworzą bowiem podstawy do podejmowania inteligentnych decyzji i wykorzystywania ich w codziennych działaniach (rys. 1).

Jak stworzyć i „karmić” cyfrowego bliźniaka?

Do wykreowania i rozwijania cyfrowego bliźniaka można wykorzystać informacje na temat działania jego fizycznego odpowiednika, pozyskane z czujników, kamer i innych tego typu urządzeń. Owe cyfrowe strumienie danych nie są jednak jedynym źródłem „pokarmu” dla cyfrowego bliźniaka: równie ważną rolę odgrywają tu zagregowane dane historyczne, informacje z zewnątrz (np. dane pogodowe czy na temat cykli koniunkturalnych), a także rysunki CAD i inne dokumenty umożliwiające cyfrowemu bliźniakowi wykreowanie tak potrzebnego do jego funkcjonowania kontekstu. Następnie dane te są przetwarzane przez sztuczną inteligencję i inne modele analityczne i sprowadzane do formy ułatwiającej człowiekowi zrozumienie zasad funkcjonowania systemu.

To jednak nie wszystko: sztuczna inteligencja jest także w stanie w imieniu użytkownika dokonywać inteligentnych wyborów treści, co ma o tyle istotne znaczenie, że sposoby wprowadzania danych w nowoczesnych interfejsach znacznie różnią się od typowych metod bazujących na klawiaturze i myszy. Funkcja ta jednocześnie sprawia, że człowiek postrzega system jako inteligentną, rozbudowaną technologicznie rzeczywistość, ułatwiającą poznawanie i ocenę sytuacji (patrz: prawy górny róg na rys. 1).

Bazując na schemacie przedstawionym na rysunku 1, można generować cyfrowe bliźniaki, które w oparciu o sztuczną inteligencję oraz rozszerzoną lub wirtualną rzeczywistość są w stanie zapewnić przedsiębiorstwu konkretne korzyści operacyjne, usprawniając niemal każdy proces. Dobrym przykładem mogą być algorytmy uczenia maszynowego, umożliwiające określenie stanu silnika robota, a następnie jego wizualizację z wykorzystaniem rozszerzonej rzeczywistości. Podstawowa różnica między strumieniami danych a cyfrowym bliźniakiem polega tu na percepcji: podczas gdy strumienie danych pozwalają człowiekowi dojść do konkretnych wniosków, tj. kształtować własną percepcję, w przypadku cyfrowego bliźniaka to właśnie jego percepcja przez użytkownika odgrywa tu rolę nadrzędną. Dlatego to na niej, a konkretnie na interfejsach użytkownika skoncentrujemy się w pierwszej kolejności.

Szeroki wybór interfejsów

Ludzie od dawna próbują w różny sposób wizualizować dane. Jednym z pierwszych narzędzi do takiej wizualizacji były wykresy liniowe, słupkowe i kołowe, opracowane przez Williama Playfaira w pierwszej dekadzie XVIII w. Także dziś cyfrowe bliźniaki mogą prezentować dane w tego typu tradycyjnej formie. Co nie znaczy, że ich możliwości ograniczają się do umiejętności opanowanych przez człowieka ponad dwa wieki temu.

Dzięki wykorzystaniu technologii mobilnych, takich jak tablety, smartfony czy zestawy AR, można dziś nakładać cyfrowe bliźniaki i szerzej: cyfrową rzeczywistość, na warstwę fizyczną, integrując je w jeden spójny widok. I choć najbardziej oczywistym wyborem wydają się tu zestawy AR, nie jest to wybór jedyny: zalety cyfrowych bliźniaków można także w pełni wykorzystać, korzystając z bardziej tradycyjnych interfejsów przetwarzających modele 3D.

Stąd też pierwszym krokiem w tworzeniu inteligentnej rzeczywistości cyfrowego bliźniaka jest określenie wszystkich opcji wizualizacji w ramach dostępnych interfejsów użytkownika. Następnie należy zdefiniować metodę integracji funkcji raportowania, tak by w pełni wykorzystać możliwości sztucznej inteligencji i innych narzędzi analitycznych bez konieczności zakupu nowego sprzętu jak zestaw AR. Zestaw taki może oczywiście usprawnić przebieg operacji, ale jedynie wówczas, gdy wykonamy ostatni, trzeci krok, tj. tak zaprojektujemy aplikacje, w których jest wykorzystywany, aby zmaksymalizować ich użyteczność w czasie.

Najpierw aplikacja, potem technologia

W raporcie „Rozszerzona rzeczywistość i wirtualna rzeczywistość w praktyce”, opracowanym przez Cap Gemini Jan Pflueger, przedstawiciel Centrum Kompetencji AR/VR w Audi zachęca do tego, aby tworząc projekty z zakresu wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości, przyjąć postawę „najpierw biznes”. Co to oznacza? 

– Po pierwsze, skoncentruj się na twojej aplikacji, a nie technologii jako takiej. A gdy już ją poprawnie zidentyfikujesz, skup się na zarządzaniu danymi i informacjami, abyś mógł zasilić technologię odpowiednim zasobem informacji – wyjaśnia ekspert Audi.

Dopiero na tym etapie przychodzi czas na wybór metody wizualizacji danych. Do wyboru mamy pięć głównych technologii: konwencjonalny komputer, smartfon lub tablet, monokl AR, okulary AR (w tym gogle mieszanej rzeczywistości), a także system immersyjny VR (gogle VR). Każda grupa urządzeń oferuje inne funkcjonalności, co może wpływać na ich efektywność w różnych aplikacjach. Dotyczy to zwłaszcza zestawów AR: nie dość, że ich rozdzielczość, pole widzenia i moc obliczeniowa bardzo się różnią w zależności od produktu, to jeszcze różne są tu sposoby integracji baterii i procesora (bezpośrednio w zestawie lub w osobnym module z przewodem), co może istotnie wpływać na komfort i użyteczność danego rozwiązania. Jednym z typowych problemów w przypadku takich zestawów jest np. możliwość ich integracji z odzieżą roboczą, zwłaszcza tą stosowaną w cleanroomach i produkcji żywności.

Raportowanie w kontekście cyfrowego bliźniaka

Jeśli dysponujemy interaktywną aplikacją do analizy wizualnej, możemy tworzyć raporty inteligentnej rzeczywistości, uwzględniające zintegrowane modele 3D (rys. 2). Cyfrowy bliźniak stanowi w tym przypadku zindywidualizowaną wizualizację danego obiektu, która może wchodzić w interakcje z innymi elementami raportu, łącznie z możliwością prezentacji danych w formie tabeli lub wykresu.

Takie podejście do wizualizacji nie wymaga zastosowania dodatkowego oprzyrządowania: interfejs użytkownika jest dostępny na ekranie komputera i może być obsługiwany za pomocą zwykłej myszy i klawiatury. Sam użytkownik natomiast wymaga jedynie krótkiego przeszkolenia, aby mógł w pełni korzystać z zalet oferowanych przez cyfrowego bliźniaka.


Michael Thomas i Brad Klenz pełnią funkcje starszych architektów systemów, zaś Prairie Rose Goodwin jest starszą programistką w instytucie SAS, należącym do Konsorcjum Internetu Przemysłowego (IIC).