Eksperymenty wirtualne oraz cyfrowe bliźniaki dla nowoczesnej metrologii przemysłowej

W dobie cyfryzacji i automatyzacji przemysłu nieuniknione są dynamiczne zmiany zachodzące w metrologii, która zaczyna być wspierana przez technologie symulacyjne.

W dobie cyfryzacji i automatyzacji przemysłu metrologia ‒ nauka o pomiarach ‒ przechodzi dynamiczne zmiany. Tradycyjne metody pomiarowe są coraz częściej wspierane przez technologie symulacyjne, takie jak eksperymenty wirtualne (VE, ang. virtual experiments) oraz cyfrowe bliźniaki (DT, ang. digital twins) [1, 2].

Eksperymenty wirtualne to symulacje komputerowe, które odwzorowują rzeczywiste procesy pomiarowe. Ich zaletą jest możliwość testowania różnych scenariuszy pomiarowych bez konieczności przeprowadzania kosztownych i czasochłonnych badań na rzeczywistych obiektach [3].

Z kolei cyfrowe bliźniaki to bardziej zaawansowane modele, które nie tylko odwzorowują fizyczne systemy, ale również są z nimi dynamicznie połączone (najczęściej pomiędzy modelem bliźniaka cyfrowego a rzeczywistym urządzeniem następuje połączenie dwustronne, czyli zmiany występujące w urządzeniu znajdują na bieżąco swoje odzwierciedlenie w bliźniaku cyfrowym oraz wszelkie zmiany wprowadzane w modelu bliźniaka są w fizyczny lub matematyczny sposób realizowane na urządzeniu). Oznacza to, iż dane pomiarowe z rzeczywistego obiektu są stale przekazywane do jego cyfrowego odpowiednika, umożliwiając bieżącą analizę, prognozowanie, a także optymalizację działania systemu. Co ważne, cyfrowe bliźniaki umożliwiają symulację warunków, które w rzeczywistym środowisku byłyby trudne do odwzorowania, np. wpływ ekstremalnych temperatur, wilgotności czy drgań na urządzenia pomiarowe. Pozwalają także na wczesne wykrywanie anomalii, minimalizując ryzyko błędów w pomiarach [4].

Zastosowanie w metrologii

Nowoczesne technologie symulacyjne znajdują zastosowanie w różnych obszarach metrologii. Na podstawie analizy literatury dotychczasowe przykłady ich zastosowania dotyczą obszarów takich jak:

• współrzędnościowa technika pomiarowa umożliwiająca precyzyjne pomiary geometryczne części maszyn, urządzeń, pojazdów,
• interferometria fal pochylonych (TWI) stosowana do pomiaru parametrów powierzchni stosowanych w optyce,
• pomiary przepływu, które są niezbędne w inżynierii procesowej, jak również w przemysłowych systemach kontroli,
• nanoindentacja w zadaniach związanych z analizą adekwatności mechanicznych materiałów w skali nano,
• pomiary zrobotyzowane zapewniające precyzyjne pomiary kształtu i pozycji w przestrzeni,
• pomiary elektryczne realizowane w branży energetycznej i telekomunikacyjnej.

Cyfrowe bliźniaki umożliwiają również modelowanie złożonych procesów towarzyszących produkcji, takich jak kontrola jakości w wytwarzaniu przyrostowym (druk 3D) czy optymalizacja procesów obróbki mechanicznej.

Wśród podstawowych korzyści zastosowania eksperymentów wirtualnych i cyfrowych bliźniaków w metrologii należy wymienić: obniżenie kosztów produkcji poprzez ograniczenie liczby rzeczywistych testów, skrócenie czasu wprowadzania nowych produktów na rynek, zwiększenie dokładności pomiarów i ich powtarzalności, lepszą optymalizację procesów produkcyjnych, co przekłada się na mniejsze zużycie energii i materiałów, wpisuje się więc w idee zrównoważonego rozwoju oraz zielonego ładu. Dodatkowo modele symulacyjne dzięki możliwości testowania nowych rozwiązań technologicznych bez ryzyka popełnienia kosztownych błędów przyczyniają się do wzrostu innowacyjności. Kolejną korzyścią płynącą z ich zastosowania w obszarze metrologii jest zwiększenie elastyczności systemów pomiarowych dzięki możliwości szybkiego dostosowania parametrów symulacyjnych do zmieniających się warunków [5].

Wyzwania związane z wirtualnymi eksperymentami oraz bliźniakami cyfrowymi

Aby eksperymenty wirtualne i modele bliźniaków cyfrowych można było stosować na szeroką skalę, konieczne jest zapewnienie ich zgodności z przyjętymi procedurami oraz normami metrologicznymi. Kluczowymi wyzwaniami w tym zakresie są:

1. ocena niepewności pomiarowej – konieczne jest opracowanie metod oceny niepewności pomiarów realizowanych z zastosowaniem modeli symulacyjnych zgodnych z przewodnikiem wyrażania niepewności pomiaru [6],
2. walidacja modeli – wymaga porównania wyników symulacji z rzeczywistymi pomiarami, a także potwierdzenia możliwości zastosowania modeli bliźniaków cyfrowych oraz wirtualnych eksperymentów w konkretnych zastosowaniach,
3. integracja dynamicznych wpływów – identyfikacja oraz opracowanie modeli oddziaływania na wartości wielkości wyjściowych możliwych czynników (np. dryftu termicznego czy wibracji), które mogą wpływać na wyniki pomiarów,
4. zgodność z normami ISO – najważniejsze jest opracowanie jednolitych zasad, zebranych w postaci wytycznych i norm międzynarodowych, w zakresie opracowywania, wdrażania, a także oceny funkcjonowania bliźniaków cyfrowych, co zapewni ich szerokie zastosowanie w przemyśle.

Projekt ViDiT „Trustworthy virtual experiments and digital twins” („Wiarygodne eksperymenty wirtualne i cyfrowe bliźniaki”)

Wykorzystanie wirtualnych eksperymentów i cyfrowych bliźniaków w zastosowaniach metrologicznych wymienionych na początku artykułu wymaga metod oceny niepewności, a także wiarygodnych procedur walidacji dla tych modeli, aby mogły one służyć np. jako substytuty rzeczywistych, certyfikowanych urządzeń pomiarowych. Głównym celem projektu ViDiT jest opracowanie takich metod i procedur oraz zapewnienie z ich zastosowaniem niezawodności i wiarygodność VE i DT w metrologii.

Projekt zrealizowano w ramach programu „Europejskie Partnerstwa na rzecz Metrologii”, organizowanego przez EURAMET Europejskie Stowarzyszenie Krajowych Instytutów Metrologicznych (z dofinansowaniem UE) przez konsorcjum składające się z Krajowych Instytutów Metrologicznych:

• Niemiec – Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) (Lider Konsorcjum),
• Francji – Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (LNE),
• Holandii – VSL B.V.,
• Finlandii – Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy (VTT),
• Turcji – Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu (TUBITAK),
• Polski (Główny Urząd Miar),
• wiodących w zakresie metrologii długości i kąta uniwersytetów europejskich jak: Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay (Francja), Politecnico di Torino (Włochy), Universita Degli Studi Di Padova (Włochy), Politechnika Krakowska, Universidad Poltécnica de Madrid (Hiszpania), Université Sorbonne Paris Nord (Francja),
• fundacji zajmujących się rozwojem nowoczesnych technologii wytwarzania i pomiarów: Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial (FFII) (Hiszpania), Ideko S.Coop (Hiszpania), Fundacion Tekniker (Hiszpania), Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) (Argentyna),
• przedsiębiorstw: Dutch United Instruments B.V. (Holandia), FLEXIM Flexible Industriemeßtechnik GmbH (Niemcy), GEOMNIA (Francja), KROHNE Messtechnik GmbH (Niemc), Mahr GmbH (Niemcy), SICK Engineering GmbH (Niemcy).

Aby ułatwić przyjęcie opracowanych metod przez inne Krajowe Instytuty Metrologiczne oraz interesariuszy przemysłowych, w ramach projektu zostaną napisane trzy przewodniki dobrych praktyk (GPG), a stosowalność metod zostanie zaprezentowana w 12 studiach przypadków obejmujących wspomniane wcześniej przemysłowe zastosowania metrologiczne. Członkowie konsorcjum z Polski, czyli Politechnika Krakowska oraz Główny Urząd Miar, są zaangażowani w część projektu dotyczącą zastosowania wirtualnych eksperymentów oraz modeli cyfrowych bliźniaków w metrologii współrzędnościowej.

Więcej informacji na temat projektu ViDiT, a także wyników uzyskanych w ramach tego projektu można znaleźć na stronie www.vidit.ptb.de.

Podsumowanie

Rozwój technologii cyfrowych w metrologii otwiera nowe możliwości dla przemysłu i nauki. Wdrażanie eksperymentów wirtualnych i cyfrowych bliźniaków pozwala nie tylko na podniesienie jakości pomiarów, ale również przyczynia się do realizacji strategii zrównoważonego rozwoju oraz cyfryzacji w ramach Przemysłu 4.0. Projekty takie jak ViDiT stanowią istotny krok w kierunku nowoczesnej, precyzyjnej i efektywnej metrologii przyszłości.

Dalsze badania i rozwój metod oceny niepewności pomiaru, a także walidacji cyfrowych bliźniaków pozwolą na jeszcze szersze wykorzystanie tych technologii w praktyce. Natomiast kooperacja podjęta między instytutami metrologicznymi, przemysłem i środowiskiem akademickim przyczyni się do zapewnienia skutecznego wdrożenia innowacyjnych rozwiązań w różnych sektorach gospodarki.

Podziękowania

Zaprezentowane badania sfinansowano w ramach programu Europejskie Partnerstwa na rzecz Metrologii, współfinansowanego ze środków programu ramowego Unii Europejskiej na rzecz badań i innowacji Horyzont Europa oraz przez Państwa Uczestniczące, projekt nr 22DIT01 ViDiT.

Piśmiennictwo

1. Jones D., Snider C., Nassehi A., Yon J., Hicks B.: Characterising the Digital Twin: A systematic literature review. „CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology”, 2020, 29, 36-52.
2. Wieczorowski M., Trojanowska J.: Towards Metrology 4.0 In Dimensional Measurements. „Journal of Machine Engineering”, 23, 1, 2023, 100-113.
3. Marschall M., Hughes F., Wübbeler G., Kok G., van Dijk M., Elster C.: Using a Multivariate Virtual Experiment for Uncertainty Evaluation with Unknown Variance. „Metrology”, 4, 2024, 534-546.
4. Hamrol A., Gawlik J., Sładek J.: Mechanical engineering in industry 4.0. „Management and Production Engineering Review”, 10 (3), 2019, 14-28.
5. Maculotti G., Marschall M., Kok G., Chekh B.A., van Dijk M., Flores J., Genta G., Puerto P., Galetto M., Schmelter S.A.: Shared Metrological Framework for Trustworthy Virtual Experiments and Digital Twins. „Metrology”, 4, 2024, 337-363.
6. JCGM 100:2008 Ewaluacja danych pomiarowych. Przewodnik wyrażania niepewności pomiaru ‒ wersja polska.