Sức mạnh của công nghệ bản sao số trong ngành kỹ thuật

"Bản sao ảo" của mọi vật thể như ôtô, nhà máy, mạng lưới giao thông giúp giới kỹ sư tiết kiệm thời gian, chi phí và giảm rủi ro so với thử nghiệm trực tiếp.

Theo Interesting Engineering , công nghệ bản sao số có thể kiểm tra động cơ phản lực hoạt động ra sao dưới nhiệt độ cực hạn, phát hiện khi máy móc trong nhà máy sắp hỏng, hoặc xem xét một tòa nhà phản ứng thế nào với thời tiết thay đổi mà không cần thử nghiệm trực tiếp.

Bản sao kỹ thuật số là bản sao ảo chi tiết của vật thể, hệ thống hoặc quy trình trong thế giới thực từ ôtô, nhà máy, mạng lưới giao thông trong thành phố đến trái tim con người. Phiên bản hiện đại thậm chí có thể tương tác hai chiều, không chỉ phản ánh hệ thống thật mà có thể tác động đến nó. Bằng cách kết hợp dữ liệu thời gian thực với mô hình toán học tiên tiến, công nghệ này có thể mô phỏng hiệu suất, thử nghiệm thiết kế, khám phá kịch bản "nếu như" và điều khiển vật thể, giúp người dùng đưa ra quyết định thông minh và tự động hóa phản hồi.

Theo Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ (NSF), quá trình xây dựng bản sao số bắt đầu từ việc dựng lại vật thể ngoài đời bằng cách sử dụng phần mềm thiết kế hỗ trợ bằng máy tính, thông số kỹ thuật, quét 3D và dữ liệu mô tả hình dáng cũng như cách hoạt động. Sau đó, mô hình ảo kết nối với vật thật ngoài đời thông qua cảm biến và hệ thống dữ liệu, giúp thu thập đủ loại thông tin như nhiệt độ, áp suất, độ rung, tốc độ, vị trí hay mức tiêu thụ điện.

Dữ liệu được truyền tới bản sao số qua Internet và xử lý bằng hệ thống máy tính, cho phép mô hình ảo thể hiện trạng thái hoạt động thực tế của thiết bị theo thời gian thực. Sau khi đồng bộ hóa, bản sao số áp dụng công thức vật lý, mô phỏng và thuật toán học máy để phân tích dữ liệu nhận được. Từ đó, kỹ sư dễ dàng theo dõi hiệu suất, phát hiện sự cố và chạy thử kịch bản giả lập để biết thiết bị thực tế phản ứng thế nào trong những điều kiện vận hành đa dạng.

Ví dụ, bản sao kỹ thuật số của máy bơm công nghiệp sẽ kiểm tra dữ liệu về độ rung và nhiệt độ để phát hiện sớm sự cố máy móc đang hình thành. Nhờ đó, nhà vận hành có thể chạy mô phỏng máy bơm trong nhiều điều kiện hoạt động khác nhau để dự đoán phản ứng của thiết bị và lên lịch bảo trì khi cần. Trong một số trường hợp, quy trình có thể diễn ra theo chiều ngược lại, tức bản sao số tự đưa gợi ý để điều chỉnh trực tiếp thông số trên thiết bị.

Bản sao số cơ sở lắp ráp tên lửa của NASA ở New Orleans. Ảnh: Đại học Louisiana

Khác biệt giữa bản sao số và mô phỏng

Dù bản sao số phụ thuộc nhiều vào mô phỏng, hai công nghệ này không thay thế nhau. Mô phỏng dùng mô hình máy tính để dự đoán cách một vật thể hoặc quy trình hoạt động trong điều kiện xác định trước. Nó giúp kỹ sư kiểm tra thiết kế hay kịch bản vận hành, nhưng không nhất thiết phải nhận thông tin từ vật thể.

Còn bản sao số luôn duy trì kết nối với vật thể thông qua dữ liệu vận hành. Nhờ vậy, nó có thể cập nhật liên tục những thay đổi của hệ thống theo thời gian và đưa ra dự báo chính xác hơn dựa trên thông tin hiệu suất thực tế. Ngược lại, mô hình 3D tĩnh chủ yếu thể hiện hình dáng hoặc cấu trúc hình học của vật thể. Dù chứa thông tin kỹ thuật chi tiết, nó không phải là bản sao số nếu thiếu kết nối dữ liệu vận hành và khả năng phân tích.

Trong sản xuất, các nhà máy có thể tạo ra bản sao số của từng loại máy móc, dây chuyền lắp ráp hoặc toàn bộ cơ sở để theo dõi tình trạng thiết bị, xác định điểm nghẽn và tối ưu hóa lịch trình làm việc. Đối với ngành hàng không vũ trụ, bản sao số giúp kỹ sư giám sát động cơ máy bay và nhiều hệ thống phức tạp khác trong suốt vòng đời hoạt động.

Với cơ sở hạ tầng năng lượng, bản sao số của turbine gió có thể kết hợp dữ liệu vận hành với mô hình kỹ thuật nhằm đánh giá hiệu suất trong điều kiện gió khác nhau và nhu cầu bảo trì. Các tòa nhà cũng có thể được mô hình hóa để kiểm soát mức tiêu thụ năng lượng, tình trạng kết cấu và hiệu quả hoạt động.

Công nghệ bản sao số cũng có tiềm năng cải thiện đời sống hàng ngày và hệ thống đô thị. Các nhà nghiên cứu được (NSF) hỗ trợ đang phát triển "bản sao số lai" kết hợp mô phỏng giao thông với quan sát thời gian thực để tối ưu hóa lưu lượng xe cộ và điều phối đèn tín hiệu trên nhiều giao lộ nhằm giảm ùn tắc. Một số dự án khác khám phá cách áp dụng bản sao số để chuẩn bị ứng phó thảm họa như cháy rừng hoặc mô phỏng sự kiện động đất và sóng thần để dự đoán tác động đến cộng đồng.

Trong y học, chương trình Digital Twins as Catalyzers of Biomedical Technological Innovation của NSF hợp tác với Viện Y tế Quốc gia và Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ, dẫn đến sự phát triển của Diffeomorphic Mapping Operator Learning (DIMON), khung trí tuệ nhân tạo giải nhanh các phương trình toán học phức tạp vốn là nền tảng để vận hành mô hình bản sao số. Khi thử nghiệm trên hơn 1.000 mô hình tim số chi tiết, DIMON dự đoán chính xác cách tín hiệu điện di chuyển qua tim. Nhờ đó, nhà nghiên cứu có thể phân tích chứng loạn nhịp tim, phát hiện sớm bệnh nhân có nguy cơ cao và đưa ra phương án điều trị phù hợp.

Dù có tiềm năng lớn, bản sao số không phải luôn dự báo đúng. Độ hữu dụng của nó phụ thuộc vào chất lượng dữ liệu đầu vào, sự chuẩn xác của mô hình và khả năng phản ánh điều kiện thực tế. Để phát triển và duy trì hệ thống, doanh nghiệp phải đầu tư nhiều vào cảm biến, máy tính, phần mềm và thuê chuyên gia giỏi. Ngoài ra, quá trình kết nối nhiều hệ thống với nhau dễ gặp lỗi không khớp dữ liệu và nguy cơ bảo mật. Bản sao số cần liên tục cập nhật theo thực tế. Nếu dữ liệu bị cũ hoặc không bắt kịp thay đổi ngoài đời thực, dự báo của nó sẽ trở nên kém tin cậy.