همزاد دیجیتال مدلی دیجیتال از یک دارایی یا فرایند است که با استفاده از داده‌های دنیای واقعی حاصل از حسگرها یا شبکه متصلِ تجهیزات، خلق می‌شود.

به‌طور ویژه، همزاد دیجیتال محصول داده‌های حاصل از حسگرها و تجهیزات معدنی است که می‌تواند به درک، پیش‌بینی و بهینه‌سازی ساختارهای معدن و عملکرد تمام سیستم‌ها، فرایندها و تجهیزات آن کمک کند.

همزادهای دیجیتال را می‌توان برای یک فرایند خاص یا یک سیستم یکپارچه طراحی کرد. این مدل مجازی، اطلاعات را از سیستم‌هایی مانند سیستم مدیریت ناوگان، سیستم حفاری، سیستم کنترل و فرآوری سنگ معدن، جمع‌آوری می‌کند و با تجمیع، دسته‌بندی و پردازش آن‌ها، عملیاتی چون شبیه‌سازی، پیش‌بینی و تصمیم‌گیری را ممکن می‌سازد.

مدل حاصل، در زمان واقعی به‌روز می‌شود و به موتور تجسم مجازی ارسال می‌گردد؛ این موتور تجسم مجازی درواقع شماتیک فیزیک معدن و فرایندهای در جریان آن است. در مراحل بعد، همزاد دیجیتال سناریوهای عملیاتی را شبیه‌سازی می‌کند و درک بهتری از نتایج ممکن ارائه می‌دهد.

در ادامه به جزئیات فنی و دقیق‌تری از همزاد دیجیتال و فرایند پیاده‌سازی آن می‌پردازیم. سپس، مزایای استفاده از این تکنولوژی را در معادن بررسی می‌کنیم و درنهایت مثال‌هایی از کاربرد آن توسط شرکت‌های معدنی بزرگ را ارائه می‌دهیم.

همزاد دیجیتال چیست؟

همزاد دیجیتال مفهومی است که در یک دهه اخیر بر سر زبان‌ها افتاده است. در سال ۲۰۱۸ مجله‌های علمی Deloitte و Gardner همزاد دیجیتال را برترین مفهوم در حوزه فناوری معرفی کردند. بر طبق مطالعه‌ای که توسط مجله علمی Deloitte انجام‌شده است، تا سال ۲۰۲۳، ارزش بازار همزادهای دیجیتال به ۱۶ میلیارد دلار می‌رسد. همزاد دیجیتال یک نمایش مجازی و پویا، یا مدلی از یک شیء، ماشین یا تمام یک فرایند تولید است. این مدل شامل اجزای فیزیکی، نمایش مجازی آن‌ها و قابلیت‌های اتصالی است که امکان انتقال داده‌ها بین عناصر و فرایندهای فیزیکی و مجازی را ممکن می‌کنند.

شیء موردمطالعه، به‌عنوان‌مثال یک پنل خورشیدی، با حسگرهای مختلف، مرتبط با مناطق حیاتی عملکرد پنل، مجهز شده است. این حسگرها داده‌های متناظر با جنبه‌های مختلف عملکرد پنل خورشیدی، مانند انرژی ذخیره‌شده یا دمای محیطی، را تولید می‌کنند. سپس، این داده‌ها به یک سیستم پردازش منتقل می‌شوند و بر روی نسخه دیجیتال اعمال می‌گردند.

با توجه به عملکرد تعاملی و پویای آن، یک همزاد دیجیتال فراتر از یک طرح ساده دیجیتالی عمل می‌کند و شامل تمام عناصر و پویایی موجود در ساختارها و فرایندهای جسم فیزیکی است. چنین مدلی به انسان این توانایی را می‌دهد که وضعیت شیء یا فرایند اجرایی را در شرایط مختلف بسنجد و حالت‌های ممکن بعدی را پیش‌بینی کند. کلیدی‌ترین عنصر در عملکرد همزاد دیجیتال، استفاده آنی از داده‌های تولیدشده در مدل واقعی و پردازش لحظه‌ای آن‌ها است.

تفاوت همزاد دیجیتال با شبیه‌سازی

باوجوداینکه شبیه‌سازی و همزاد دیجیتال هر دو از مدل‌های دیجیتال برای تکرار فرایندهای مختلف استفاده می‌کنند، همزاد دیجیتال درواقع یک محیط مجازی است و غنای بسیار بیشتری، هم ازنظر جزئیات هم ازنظر عملکرد، نسبت به شبیه‌سازی دارد. درواقع تفاوت در مقیاس است، شبیه‌سازی معمولاً به یک فرایند خاص می‌پردازد، اما همزاد دیجیتال خود بستری برای اعمال شبیه‌سازی‌های متعدد و مطالعه چندین فرایند و تصمیم‌گیری درباره آینده آن‌ها است.

علاوه‌براین، در شبیه‌سازی عمل به‌روز شدن داده‌ها بلادرنگ نیست. در همزاد دیجیتال ارتباطی دوسویه بین همزادهای فیزیکی و دیجیتال وجود دارد و ردوبدل شدن اطلاعات به‌صورت آنی، پس از انجام فرایندها و استدلال‌ها در رویکردها و وضعیت‌های فیزیکی و مجازی، است.

انواع همزادهای دیجیتال

نسبت به نوع فعالیت، شیوه انتقال و پردازش داده‌ها و مقیاس استفاده، انواع مختلفی از همزادهای دیجیتال وجود دارند. اما تفاوت اصلی در کاربردی است که همزاد دیجیتال برای آن طراحی می‌شود.

همزادهای مؤلفه‌ای یا  بخشی

اگر فرایند دنیای واقعی، یا محیط فیزیکی، را به بخش‌های مختلفی تقسیم کنیم و اعمال تولید، انتقال و پردازش داده‌ها را در بخش‌های مختلف تقسیم کنیم، آنگاه هر بخش یک همزاد دیجیتال کوچک است که درنهایت به یک همزاد دیجیتال مادر متصل می‌شود. به‌عنوان‌مثال، در استخراج معدن یک همزاد دیجیتال ممکن است تنها به ماشین‌های حفاری بپردازد، همزاد دیگری به وضعیت جغرافیایی محیط و …، و درنهایت همه آن‌ها یک همزاد دیجیتال کلی را تغذیه کنند که وظیفه مدل‌سازی کلی و کمک به تصمیم‌گیری‌های کلان را به عهده دارد.

همزاد دارایی

وقتی چندین مؤلفه با یکدیگر همکاری کنند، یک دارایی شکل می‌گیرد. همزاد دارایی نحوه تعامل این مؤلفه‌ها باهم و نتیجه حاصل از این زیرمجموعه‌ها را پردازش می‌کند.

همزاد سیستمی

در مقیاس بعدی، همزادهای سیستمی قرار دارند که مجموعه‌ای از چند همزاد دارایی را شامل می‌شوند که یک سیستم فیزیکی یا عملکردی را تشکیل می‌دهند. به‌عنوان مثال، فرآوری سنگ معدن را در نظر بگیرید که بخش‌ها و ماشین‌آلات مختلف، هدف جداسازی باطله‌ها از سنگ معدن را تحقق می‌بخشند.

همزادهای فرایند

در آخرین سطح، همزادهای فرایندی قرار دارند که به چگونگی عملکرد سیستم‌ها می‌پردازند. در همزاد فرایند، عملکرد سیستم‌ها به‌صورت تک‌به‌تک و نحوه اتصال آن‌ها به هم، تعریف بزرگ‌ترین فرایند موجود است. همزادهای فرایند وظیفه زمان‌بندی سیستم‌های مختلف برای ارتقاء کارایی کامل‌ترین فرایند فیزیکی را به عهده‌دارند.

دلایل اصلی رشد استفاده از همزادهای دیجیتال

تقریباً در تمام صنایع از انواع مختلف همزادهای دیجیتال استفاده می‌شود. دلایل زیادی وجود دارند که این رشد همه‌جانبه تکنولوژی همزادهای دیجیتال را توجیه می‌کنند، در ادامه اصلی‌ترینِ این دلایل را عنوان می‌کنیم.

۱.     امکان تحقیق و توسعه عمیق‌تر و دقیق‌تر

با استفاده‌ از حجم فوق‌العاده زیادی از کلان‌داده‌های دریافتی از حسگرها و اطلاعات تاریخی فرایندها، همزاد دیجیتال این امکان را فراهم می‌کند تا پیش‌بینی و امکان‌سنجی وضعیت‌های آینده بهتر انجام شود. این مدل‌های پویا، بهترین تقریب‌ها از واقعیت پیش‌رو را فراهم می‌کنند و از هدر رفت هزینه و توان عملیاتی شرکت‌ها جلوگیری می‌کنند.

۲.     ارتقاء سطح بهره‌وری

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های همزاد دیجیتال، امکان رصد لحظه‌ای فرایندها و تجهیزات است. از این طریق، وضعیت تجهیزات و سطح‌ کارایی آن‌ها به‌صورت لحظه‌ای سنجیده می‌شود و نیاز به مداخله و تعمیر پیش‌بینی می‌گردد. علاوه‌براین، همزاد دیجیتال با تعریف سناریوهای مختلف و انجام مجازی آن‌ها، بهترین سناریو را برای آینده یک فعالیت پیشنهاد می‌دهد و از این طریق، به ارتقاء بهره‌وری در عملکرد کمک می‌کند.

۳.     کمک به توسعه ‌پایدار و بازیافت

همزادهای دیجیتال به صنایع مختلف کمک می‌کنند تا درباره محصولاتی که به آخرین نقطه چرخه عمر خود رسیده‌اند، تصمیم‌گیری کنند. بازیافت یکی از مهم‌ترین فعالیت‌هایی است که در دنیای امروز، و با توجه به روند روبه کاهش منابع طبیعی، یک ضرورت در هر صنعتی است. همزادهای دیجیتال، با بررسیِ جزئیات محصولات تولیدی، امکان بازیافت و نوع مواد بازیافتی ممکن را ارزیابی می‌کنند.

همزادهای دیجیتال در معادن

با استفاده از تکنولوژی همزاد دیجیتال، معادن می‌توانند تا ۱۵ درصد به بهره‌وری خود بیفزایند. با بهینه‌سازی برنامه‌های عملیاتی معدن، همزادهای دیجیتال می‌توانند از حجم ناکارآمدی‌های برنامه‌های عملیاتی، نگهداری و محیط‌زیست در معادن بکاهند.

هنگام طراحی و اجرای هر پروژه معدنی جدید، باید ده‌ها سناریوی ممکن را در نظر گرفت. با محدودیت زمان و بودجه، مدیران نمی‌توانند به تمام سناریوها بپردازند و تصمیم‌ نهایی هیچ‌وقت بهینه‌ترین تصمیم نبوده است. همزادهای دیجیتالی مورداستفاده در معادن این امکان را فراهم می‌کنند که حداکثر سناریوهای استخراج با بالاترین دقت بررسی شوند و بهترین سناریو از بین آن‌ها انتخاب گردد.

بزرگ‌ترین شرکت‌های معدنی، با استفاده از همزادهای دیجیتال، درآمد سالانه خود را تا ۱۰ برابر افزایش داده‌اند. علاوه بر این، پیش‌بینی می‌شود که پیشرفت‌های تکنولوژی این امکان را فراهم ‌کند که تا سال ۲۰۳۰ این میزان بهره‌وری به ۲۰ برابر روش‌های سنتی برسد.

فواید استفاده از همزاد دیجیتال در معادن

با معرفی دستاوردهای انقلاب صنعتی ۴ در قالب اجزای دیجیتالی‌ چون اینترنت اشیاء، کلان‌داده‌ها و واقعیت‌های مجازی، شرکت‌های معدنی ابزار موردنیاز برای کاوشی امن‌تر، استخراجی بهینه‌تر، بازیافتی حداکثری و تعریف بهترین رویکردهای توسعه پایدار را در دست دارند. در قلب این استفاده همه‌جانبه از تکنولوژی روز، معادن در حال تحولی عظیم و دیجیتالی‌کردن فرایندها باقدرت حاصل از همزادهای دیجیتال هستند.

همزادهای دیجیتال قابلیت‌های زیادی در بخش معدن ایجاد کرده‌اند و فواید زیادی به زنجیره تأمین متناظر با آن افزوده‌اند. در ادامه برخی از این فواید و دسترسی‌ها را بررسی می‌کنیم.

اجتناب از تغییرات ضعیف در فرایند

در استخراج از معدن، تغییرات ضعیف در فرایندها می‌توانند تأثیرات فاجعه‌باری مثل کاهش شدید توان عملیاتی، افزایش زمان توقف عملیات زیرمجموعه‌ای و افزایش آسیب‌های جانی و مالی، بر کلیت معادن داشته باشند. همزاد دیجیتال این امکان را فراهم می‌کند که ابتکارات و نوآوری‌های مختلف و تغییرات متناظر، بدون هیچ خطری آزمایش شوند و تصمیم‌گیری نهایی به نتایج حاصل از این شبیه‌سازی‌ها موکول گردند. به‌عنوان مثال، شبیه‌سازی می‌تواند درباره فعالیت‌های زیر باشد:

1. تغییرات اساسی در فعالیت‌های معدنی مثل ساخت یک سیلو، انبار یا حتی تأسیسات معدنی جدید
2. اعمال تغییرات در برنامه‌های ورودی، روزهای بیماری ممکن، برنامه کاری یا برنامه‌های تعمیر و نگهداری
3. آزمون استرس: افزایش تقاضا، اعتصابات کارگری یا دوره‌های طولانی ازکارافتادگی

همزاد دیجیتال می‌تواند همه این تغییرات را شبیه‌سازی کند و نتایج را برای تصمیم‌گیری‌های آتی در دسترس مدیران قرار دهد.

ارائه یک نقشه راه بهتر

در طول فرایند طراحی نقشه راه زنجیره ارزش، فرایندهای ناکارآمد می‌توانند اثرات منفی‌ای را بر عملکرد کلی سیستم تحمیل کنند. همزاد دیجیتال می‌تواند عملکرد جزئی یا کلی سیستم را به‌صورت بصری شبیه‌سازی کند و برای بهبود فرایندهای ناکارآمد پیشنهاد‌هایی ارائه دهد.

زمان‌بندی و برنامه‌ریزی منابع

یکی از مزایای کلیدی استفاده از همزاد دیجیتال در معادن، توانایی انجام برنامه‌ریزی برای منابع است. به‌عنوان مثال، Simio  یک همزاد دیجیتال است که به کاربر این امکان را می‌دهد تا پیش‌بینی کند که چه میزان از هر منبع در چه زمانی نیاز است.

علاوه‌براین، یک همزاد دیجیتال می‌تواند از عملکرد سال‌های قبل در تأمین تقاضای درخواستی به معدن استفاده کند و برای سال جاری و سال‌های بعد سناریو تعریف کند. مهم‌تر اینکه، با استفاده از داده‌های بازار، همزاد دیجیتال می‌تواند میزان مصرف مواد معدنی بازار هدف را تخمین بزند و متناظر با آن سناریویِ استخراج ارائه دهد.

ارتقاء کیفی ارتباطات بین ذینفعان

وضعیتی را در نظر بگیرید که همه سهامداران، کارکنان، سازمان‌های دولتی و حتی مردم عادی بتوانند فرایندهای جاری و روند انجام یک پروژه معدنی را به‌صورت بصری ببینید. حتی فراتر از این، امکان پیش‌بینی و ارائه فرمت‌های ساده از این پیش‌بینی برای تمام افراد فراهم شود. همزاد دیجیتال تمام این موارد را می‌تواند در قالب یک مدل شبیه‌سازی‌شده و جداول و نمودارهای تفسیری ارائه کند.

افزایش سطح امنیت در معادن

معادن از دیرباز جزء خطرناک‌ترین محیط‌های کاری بوده‌اند. ازجمله خطرسازترین فعالیت‌های معدنی عبارت‌اند از:

• انفجار توده‌های سنگ معدن
• فعالیت‌های معدنی در کانال‌های زیرزمینی
• رانندگی در جاده‌های پرخطر معدن
• گازهای سمی موجود در فضای معادن
• مواد سمی مثل عناصر رادیواکتیو موجود در سنگ‌های معدن
• دسترسی و امکان‌سنجی اولیه به نقاط صعب‌العبور

همزادهای دیجیتال می‌توانند بسیاری از این فعالیت‌ها را با دقت بالایی و به‌صورت مجازی و بدون نیاز به حضور کاربر انسانی انجام دهند. به‌عنوان مثال، امکان‌سنجی وجود لایه‌های باارزش معدنی را می‌توان با استفاده از داده‌های زمین‌شناسی، نقشه‌های هوایی و نمونه‌برداری‌های سطحی انجام داد. کافی است داده‌ها به یک همزاد دیجیتال باقابلیت پیش‌بینی منبع و ارزش اقتصادی آن انتقال داده شود تا شبیه‌سازی و پیش‌بینی اولیه درباره منابع معدنی به‌صورت مجازی انجام بگیرد.

نمونه‌های موفقِ استفاده از همزادهای دیجیتال توسط شرکت‌های معدنی

دیجیتالی‌شدن ضرورتی است که صنایع مختلف به آن پی برده‌اند و هزینه‌های گزافی برای پیاده‌سازی آن در راندمان‌های خود پرداخت می‌کنند. درواقع، تکنولوژی با سرعتی نمایی در حال رشد است و هر فعالیتی که نتواند با آن همراه شود از قافله پیشرفتِ همه‌جانبه بازمی‌ماند. در قلب عملیات دیجیتالی‌کردن صنایع، همزادهای دیجیتال قرار دارند که بیشترین استفاده را از دستاوردهای تکنولوژی می‌کنند و هم‌زمان بیشترین بازدهی را نیز به ارمغان می‌آورند.

شرکت‌های معدنی نیز در مسیر دیجیتالی‌شدن از یکدیگر پیشی می‌گیرند و فرایندهای مختلف خود را با تعریف‌های جدید و آغشته به تکنولوژی بازنگری می‌کنند. در ادامه به برخی از شرکت‌های قدرتمند معدنی که همزادهای دیجیتال را در ارکان مختلف فعالیت‌ معدنی خود به کار گرفته‌اند، می‌پردازیم.

شرکت معدنی Rio Tinto

این شرکت به‌تازگی یکی از پیشرفته‌ترین معادن دنیا را در منطقه پیلبارای استرالیا راه‌اندازی کرده است. منبع سنگ‌آهن این معدن در حدود ۴۳ میلیون تن پیش‌بینی‌شده است. نکته بارز این معدن، استفاده همه‌جانبه از تکنولوژی در فرایندهای استخراج و فرآوری سنگ معدن است. به‌طور ویژه، Rio Tinto از شبکه‌ای عظیم از حسگرها استفاده می‌کند که داده‌های دنیای واقعی را از دریل‌ها، خودروهای خودکار، ربات‌های معدنی، عکس‌های هوایی و …، برداشت کرده و به یک همزاد دیجیتال، برای تحلیل نهایی، منتقل می‌کنند.

علاوه‌براین، شرکت از همزاد دیجیتالی برای شبیه‌سازی محیط معدن و آموزش کارکنان به‌صورت مجازی استفاده می‌کند. از این طریق، Rio Tinto پیش‌بینی کرده است که میزان صدمات جانی ممکن تا ۵۰ درصد کاهش یابد. همچنین، نقاط پرخطر معدن توسط ربات‌های معدنی کاوش می‌شوند و اطلاعات دریافتی به یک همزاد دیجیتال باقابلیت سناریوسازی و ارائه پیشنهادهای استخراج معدن منتقل می‌شوند.

این شرکت همچنین در منطقه کودایدری (Koodaideri) یک معدن کاملاً هوشمند راه‌اندازی کرده است که در کانون فعالیت‌های آن استفاده از همزادهای دیجیتال قرار دارد.

شرکت معدنی BHP

شرکت BHP با مشارکت شرکت تکنولوژی محورِ Dassault Systems یک پلتفرم طراحی کرده‌اند که هدف عملیاتی آن تولید و بهره‌برداری از همزادهای دیجیتال است.

علاوه‌براین، BHP مشارکت گسترده‌ای با شرکت Hexagon آغاز کرده است که در هدف اصلی آن تولید همزادهای دیجیتال است. این پروژه که Spence Growth Option نام دارد از پیشرفته‌ترین ابزارهای برداشت داده و زبان‌های برنامه‌نویسی چون پایتون استفاده می‌کند تا تحلیل‌های دقیقی از وضعیت فرایندهای معدنی حاصل کند.

جمع‌بندی

همزادهای دیجیتال یک مدل‌ مجازی از همزادهای فیزیکی خود هستند که بیشترین کاربرد را در صنایع دارند. استفاده از این ابزارهای تکنولوژی به‌ویژه در استخراج معدن بوده و تاکنون توانسته‌اند تعریف‌های جدیدی از معدن‌کاوی مدرن را خلق کنند.

مهم‌ترین عنصر در تولید یک همزاد دیجیتال، شبکه حسگرهایی است که عمل دریافت داده از مؤلفه‌های معدنی مثل تجهیزات، محیط معدن و کارکنان معدن را بر عهده دارند. در ادامه، این داده‌ها به مجموعه‌ای از همزادهای دیجیتال یا یک همزاد دیجیتال مرکزی ارسال می‌شوند تا فرایندهای پردازش بر روی آن‌ها اعمال گردد. درنهایت، سناریوسازی و تصمیم‌گیری برای آینده شرکت‌های معدنیِ موردنظر توسط همزاد دیجیتال صورت می‌گیرد.

کلمات کلیدی:

همزاد دیجیتال – شرکت‌های معدنی – تکنولوژی – حفاری – شبیه‌سازی – معادن – استخراج