Dijital İkiz
Dijital İkiz Nedir?
Dijital ikiz teknolojisi, üretim ve endüstrideki süreçlerin daha şeffaf, verimli ve optimize edilebilir hale gelmesini sağlar. Üretim hatlarının performansını artırırken, tahmine dayalı bakım ve süreç optimizasyonu gibi uygulamalarla maliyetleri düşürür. Bu teknoloji, gelecekte endüstriyel otomasyon ve dijital dönüşüm projelerinin merkezinde yer alacak kritik bir araç olarak kabul edilmektedir. Dijital ikizler için çeşitli tanımlar yapılmış olsa da tanımların temeli ayıdır. Bu tanımlardan bazıları:
“Dijital İkiz, verilerin fiziksel ve sanal ortamlar arasında iki yönlü entegrasyonudur.”
“Dijital İkizler, kaynakların organize edilmesi ve yönetilmesinin sanal temsilleridir.”
“Dijital İkiz, siber ve fiziksel alanlar arasında gerçek zamanlı iki yönlü iletişime olanak tanıyan varlıkların dijital bir kopyasıdır.”
“Dijital İkiz, karmaşık bir fiziksel sistemin uyarlanabilir modeli olarak tanımlanabilir.” (Albayrak ve Ünal, 2021).
Endüstriyel İnternet Konsorsiyumu'na (IIC) göre Dijital İkiz varlıkların, süreçlerin veya sistemlerin resmi dijital temsili ve o varlığın belirli bir bağlam içerisinde iletişim, depolama, yorumlama veya işlemeye uygun davranışlarıdır.
Dijital İkiz Türleri
IiIC, sistemlerdeki dijital ikizler arasındaki ilişkilere dayanarak beş farklı dijital ikizlerin kategorileri: 1) ayrık, 2) bileşik, 3) hiyerarşik, 4) ilişkisel ve 5) eşler arası. Abburu ve diğerleri. üç tür dijitali tanımlamaktadır: 1) dijital ikizler, 2) hibrit dijital ikizler ve 3) bilişsel dijital ikizler. Her bir hibrit dijital ikiz bir dijital ikizdir ve her bir bilişsel ikiz aynı zamanda bir hibrit ikizdir. Bir başka gruplamaya göre dijital ikizlerin türleri, tanım ve kullanım alanlarına örnekler aşağıda sıralanmaktadır:
1. Bileşen (Component) Dijital İkizi
Tanım: Belirli bir bileşen ya da parça için oluşturulan dijital ikizdir. Bir makinenin, cihazın veya sistemin en küçük yapı taşını temsil eder.
Kullanım Alanı: Genellikle makinelerin veya cihazların bir bileşeni, örneğin bir motor ya da sensör gibi karmaşık parçalarda kullanılır. Bu dijital ikiz, bileşenin performansını izler, bakım ve arıza tahminleri yapar.
Örnek: Bir CNC tezgahındaki motorun dijital ikizi, motorun performansını sürekli izler ve anormallikleri rapor eder.
2. Varlık (Asset) Dijital İkizi
Tanım: Bir bileşenler grubu veya komple bir varlık için oluşturulan dijital ikizdir. Bu, bir cihaz veya ekipmanın genel çalışma durumunu temsil eder.
Kullanım Alanı: Birden fazla bileşeni barındıran makineler veya sistemlerde kullanılır. Bileşenler arasındaki etkileşimleri ve tüm varlığın genel performansını izler.
Örnek: Bir rüzgar türbininin dijital ikizi, türbinin kanatları, motoru ve diğer bileşenlerinin birlikte nasıl çalıştığını izler ve optimize eder.
3. Sistem (System) Dijital İkizi
Tanım: Birden fazla varlığın etkileşimde olduğu komple bir sistemi temsil eden dijital ikizdir. Bu, bir üretim hattı ya da bütün bir fabrikayı kapsayan daha geniş bir modeldir.
Kullanım Alanı: Büyük ölçekli sistemler, üretim hatları, enerji santralleri veya akıllı şehir sistemlerinde kullanılır. Farklı makinelerin, cihazların ve süreçlerin etkileşimini izler ve optimize eder.
Örnek: Bir otomotiv üretim hattının dijital ikizi, tüm üretim sürecini ve makineler arasındaki etkileşimi gerçek zamanlı olarak izler ve yönetir.
4. Süreç (Process) Dijital İkizi
Tanım: Bir süreç veya iş akışını temsil eden dijital ikizdir. Genellikle belirli bir sürecin nasıl çalıştığını ve zaman içindeki değişimlerini modellemek için kullanılır.
Kullanım Alanı: Karmaşık iş süreçlerinde, üretim operasyonlarında, lojistik ve tedarik zincirlerinde kullanılır. Süreçteki darboğazları ve iyileştirme alanlarını belirlemeye yardımcı olur.
Örnek: Bir ürünün fabrikadan sevkiyatına kadar olan lojistik sürecinin dijital ikizi, tedarik zinciri boyunca performans izlemeye ve iyileştirme önerileri sunmaya olanak tanır.
5. Organizasyon (Organization) Dijital İkizi
Tanım: Bir şirketin veya kuruluşun tüm işleyişini dijital ortamda modelleyen dijital ikizdir. İnsanlar, süreçler, varlıklar ve sistemler arasındaki tüm ilişkileri ve etkileşimleri izler.
Kullanım Alanı: Büyük organizasyonlar veya holdingler içinde kullanılır. Verimlilik artırma, maliyet düşürme ve genel operasyonel iyileştirme amaçlarına hizmet eder.
Örnek: Bir fabrikanın tüm operasyonel süreçlerini ve çalışanların iş akışlarını izleyip optimize eden bir dijital ikiz.
Dijital İkizler ve Simülasyon Arasındaki İlişki
Dijital ikizler, fiziksel varlıkla entegre olarak çalışır ve sensörlerden veya cihazlardan gelen verilerle sürekli beslenir. Bu sayede dijital ikiz, fiziksel varlığın davranışlarını gerçek zamanlı olarak yansıtır ve gelecekteki performansı tahmin etmek için kullanılabilir. Simülatörler, genellikle fiziksel bir sistemin dijital bir modelini kullanarak belirli koşullarda nasıl davranacağını analiz eden programlardır. Simülatörler, genellikle gerçek dünya verilerinden bağımsızdır ve modelin sadece teorik veya varsayılan verilerle test edilmesini sağlar. Amaç, sistemin belirli koşullardaki davranışlarını anlamak ve tahmin etmektir.
Üretim ve Endüstride Dijital İkiz Kullanımı
Üretim ve endüstride dijital ikiz kullanımı, üretim süreçlerinin izlenmesi, optimize edilmesi ve gelecekteki durumların simülasyonuyla verimliliğin artırılması amacıyla yaygınlaşmaktadır. Dijital ikiz teknolojisi, fiziksel varlıkların dijital kopyalarını oluşturarak gerçek zamanlı veri toplama ve analiz yapmayı mümkün kılar. Bu teknoloji, üretim süreçlerinde operasyonel verimliliği artırmanın yanı sıra maliyetleri azaltma, kaliteyi iyileştirme ve bakım süreçlerini optimize etme gibi faydalar sağlar.
Dijital İkizin Üretim ve Endüstride Kullanımı
1. Üretim Süreci Optimizasyonu
Dijital ikizler, üretim hattındaki makineler, ekipmanlar ve süreçler hakkında gerçek zamanlı veri sağlayarak bu süreçlerin sürekli izlenmesini ve iyileştirilmesini sağlar. Üretim hattındaki tüm cihazlar ve makineler dijital ikizlerle temsil edilerek, operasyonel verimlilik analiz edilir ve darboğazlar belirlenir.
Üretim performansı izleme: Üretim sürecindeki her adımın dijital ikizi, anlık olarak izlenerek iş akışlarının optimize edilmesi sağlanır.
Simülasyon ve senaryo analizi: Üretim hattında yapılacak değişiklikler önce dijital ikiz üzerinden simüle edilerek en verimli strateji belirlenir.
Örnek: Otomotiv üretim hattında, dijital ikiz ile makinelerin her birinin durumu ve performansı izlenir. Bu sayede, hatalı veya yavaş çalışan bir makine hızla tespit edilip müdahale edilebilir.
2. Tahmine Dayalı Bakım (Predictive Maintenance)
Dijital ikizler, üretim hattında kullanılan makinelerin ve ekipmanların sürekli izlenmesine olanak tanır. Sensörlerden gelen verilerle makinelerin performansı takip edilir ve olası arızalar, sorun ortaya çıkmadan önce tahmin edilir. Bu, planlı bakımın ötesine geçerek arıza riskini en aza indirir ve üretim kesintilerini önler.
Arıza tahmini: Dijital ikiz, ekipmanların durumunu izler ve performans düşüklüklerini tespit ederek olası arıza tarihini tahmin eder.
Maliyet optimizasyonu: Arızaların önceden tahmin edilmesi, plansız duruşların ve bakım maliyetlerinin azaltılmasını sağlar.
Örnek: Bir üretim hattında kullanılan CNC makinelerinin dijital ikizleri, sensörlerden gelen verilerle sürekli olarak izlenir ve motor performansındaki düşüş, aşırı ısınma gibi durumlar anında tespit edilerek makine bakım ekibi uyarılır.
3. Ürün Tasarımı ve Geliştirme
Dijital ikiz teknolojisi, ürün geliştirme süreçlerinde tasarımların sanal ortamda test edilmesini sağlar. Bir ürünün dijital ikizi oluşturularak, fiziksel prototipler üretmeden önce performans ve dayanıklılık analizleri yapılabilir. Bu, tasarım süreçlerini hızlandırır ve maliyetleri önemli ölçüde düşürür.
Simülasyon ve test: Ürün geliştirme sürecinde, dijital ikiz ile ürün performansı farklı koşullar altında simüle edilerek test edilebilir.
İyileştirilmiş tasarım döngüsü: Tasarım hataları erken aşamada tespit edilerek hızlı bir şekilde düzeltilebilir ve ürünün pazara çıkış süresi kısaltılabilir.
Örnek: Bir uçak motorunun dijital ikizi, farklı uçuş koşullarında nasıl çalışacağını simüle ederek tasarım aşamasında sorunları ortaya çıkarır. Bu sayede motorun fiziksel prototipi üretilmeden performans testleri yapılabilir.
4. Kalite Kontrol ve İzlenebilirlik
Dijital ikizler, üretim süreçlerindeki kalite kontrol aşamalarını iyileştirir. Üretim hattında üretilen her bir ürünün dijital ikizi oluşturulabilir ve bu sayede her ürünün hangi aşamalardan geçtiği ve hangi koşullarda üretildiği kayıt altına alınabilir. Bu, üretim hatalarını hızlı bir şekilde tespit etmeye ve izlenebilirlik sağlamaya yardımcı olur.
Gerçek zamanlı kalite takibi: Üretim süreçlerinde anlık olarak kalite kontrol yapılabilir ve hatalı ürünler hızlıca tespit edilebilir.
Geri izleme ve analiz: Üretim sürecinde oluşan hatalar ve sorunlar geriye dönük olarak analiz edilip düzeltilir.
Örnek: Elektronik bileşenler üreten bir fabrikada, her bir ürünün dijital ikizi oluşturulur ve ürünün üretim koşulları, kullanılan malzemeler ve test sonuçları kaydedilir. Eğer bir bileşen sorunlu çıkarsa, bu bilgilere dayanarak hatanın kaynağı tespit edilebilir.
5. Tedarik Zinciri ve Lojistik Yönetimi
Dijital ikizler, tedarik zincirindeki malzeme akışını ve lojistik süreçleri optimize etmek için kullanılabilir. Ürünlerin üretimden müşteriye ulaşana kadar geçtiği tüm aşamalar dijital ikizler aracılığıyla izlenebilir. Bu, tedarik zincirindeki gecikmeleri ve darboğazları belirlemeye yardımcı olur.
Lojistik ve malzeme akışı izleme: Üretim için gerekli olan malzemelerin doğru zamanda ve yerde bulunup bulunmadığı kontrol edilebilir.
Depo ve stok yönetimi: Depolama alanlarındaki envanter seviyesi dijital ikizlerle izlenerek stok optimizasyonu yapılabilir.
Örnek: Bir otomotiv fabrikasında, tedarik zincirindeki parçaların sevkiyatı dijital ikizlerle izlenir. Parçaların zamanında fabrikaya ulaşmaması durumunda üretim duruşları önceden tespit edilip müdahale edilebilir.
Dijital İkiz Kullanımının Faydaları
Verimlilik Artışı: Üretim süreçleri anlık olarak izlenip optimize edilerek, verimlilik artırılır ve kaynak israfı azaltılır.
Daha Hızlı Karar Verme: Gerçek zamanlı verilere dayalı olarak hızlı ve doğru kararlar alınabilir.
Maliyet Azaltma: Arıza tahminleri ve bakım süreçlerinin optimizasyonu sayesinde maliyetler düşer.
Ürün Kalitesinin Artması: Kalite kontrol süreçlerinin dijital ikizler aracılığıyla yapılması, hatalı ürün sayısını en aza indirir.
Esneklik: Üretim hatlarında yapılacak değişiklikler dijital ikiz üzerinde test edilerek üretime zarar vermeden planlanabilir.
Dijital İkizlerde Kullanılan Önemli Teknolojiler
ijital ikizlerin başarılı bir şekilde oluşturulması ve işletilmesi, çeşitli ileri teknolojilerin entegrasyonuna dayanır. Dijital ikizlerin etkili bir şekilde çalışabilmesi için IoT, büyük veri, yapay zeka, bulut bilişim, simülasyon ve gelişmiş sensörler gibi birçok teknoloji birlikte kullanılır. Bu teknolojilerin entegrasyonu, dijital ikizlerin gerçek dünyadaki varlıklar ve süreçlerle sürekli bağlantıda kalmasını ve performans, verimlilik, bakım ve optimizasyon gibi önemli alanlarda katkı sağlamasını mümkün kılar. İlgili teknolojiler, dijital ikizdeki rolleri ve örnekler alt bölümde listelenmektedir:
1. Nesnelerin İnterneti (IoT)
Tanım: Nesnelerin İnterneti (IoT), fiziksel cihazların sensörler ve diğer veri toplama araçları aracılığıyla internete bağlanarak veri toplamasını sağlar.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizlerin çalışabilmesi için fiziksel varlıklardan gelen gerçek zamanlı verilere ihtiyaç duyulur. Bu veriler, IoT cihazları tarafından toplanarak dijital ikize aktarılır. IoT, makinelerin, ekipmanların ve süreçlerin dijital ikizlerinin gerçek zamanlı olarak izlenmesini ve veriyle beslenmesini sağlar.
Örnek: Bir fabrika ortamında, IoT sensörleri üretim hattındaki makinelerden sıcaklık, basınç, titreşim gibi verileri toplar ve dijital ikize gönderir. Dijital ikiz, bu verileri kullanarak makine performansını analiz eder.
2. Büyük Veri ve Analitik (Big Data)
Tanım: Büyük veri teknolojisi, büyük ve çeşitli veri setlerinin toplanmasını, depolanmasını ve analiz edilmesini sağlar. Analitik araçlar, bu verilerden anlamlı içgörüler elde etmek için kullanılır.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizler, büyük miktarda veriyi sürekli olarak toplar ve işler. Büyük veri teknolojileri, bu verilerin etkin bir şekilde depolanmasını ve analiz edilmesini sağlar. Dijital ikizler, gerçek zamanlı analizler, performans tahminleri ve optimizasyon senaryoları için büyük veri teknolojilerine dayanır.
Örnek: Bir enerji santralinde, farklı sensörlerden toplanan büyük miktarda veri, dijital ikizde analiz edilerek enerji üretim verimliliği optimize edilir.
3.Yapay Zeka ve Makine Öğrenimi (AI/ML)
Tanım: Yapay zeka (AI) ve makine öğrenimi (ML), büyük veri setlerini analiz ederek tahminler yapabilen ve zamanla kendini iyileştirebilen algoritmalar kullanır.
Dijital İkizdeki Rolü: Yapay zeka ve makine öğrenimi, dijital ikizlerin verilerden öğrenmesini ve tahmine dayalı analizler yapmasını sağlar. Bu teknolojiler, dijital ikizlerin arıza tahmini, süreç optimizasyonu ve davranış modellemeleri gibi görevleri yerine getirmesine yardımcı olur.
Örnek: Bir makinenin dijital ikizi, makine performans verilerini analiz eden makine öğrenimi algoritmaları kullanarak ne zaman arıza yapabileceğini tahmin eder ve proaktif bakım önerileri sunar.
4. Simülasyon ve Modelleme Teknolojileri
Tanım: Simülasyon teknolojileri, fiziksel süreçlerin, cihazların veya sistemlerin dijital ortamda modellenmesini sağlar. Simülasyon, sistemlerin nasıl çalışacağını tahmin etmek ve farklı koşulları test etmek için kullanılır.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizler, fiziksel varlıkların dijital modellerini oluşturmak ve bunları simüle etmek için modelleme teknolojilerine dayanır. Bu sayede dijital ikiz, gerçek dünyada karşılaşılabilecek durumları simüle eder ve karar alma süreçlerinde kullanılabilir.
Örnek: Bir üretim hattının dijital ikizi, üretim sürecindeki değişikliklerin üretkenliğe etkisini simüle ederek en verimli üretim stratejilerini belirleyebilir.
5. Bulut Bilişim (Cloud Computing)
Tanım: Bulut bilişim, büyük veri depolama ve işlem gücü gerektiren uygulamaların internet üzerinden sunucu altyapılarıyla sağlanmasıdır.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizler, büyük miktarda veri toplar ve analiz eder. Bu veriler bulut platformlarında depolanır ve işlenir. Bulut bilişim, dijital ikizlerin yüksek işlem gücü gereksinimlerini karşılamak, geniş veri setlerini depolamak ve farklı lokasyonlardan erişilebilir hale getirmek için kullanılır.
Örnek: Bir akıllı şehir projesinde, şehrin dijital ikizi, bulut üzerinde çalıştırılarak trafik, enerji tüketimi ve altyapı yönetimi gibi süreçlerin optimizasyonunu sağlar.
6. Siber Fiziksel Sistemler (CPS)
Tanım: Siber fiziksel sistemler (CPS), fiziksel varlıklarla dijital dünyayı birleştirerek iki dünya arasında gerçek zamanlı veri akışı ve etkileşim sağlar.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizler, CPS teknolojileri ile fiziksel sistemlerle sürekli olarak iletişim halinde olur. CPS, dijital ve fiziksel sistemlerin birbirini gerçek zamanlı olarak etkileyebilmesini sağlar, böylece dijital ikiz, gerçek dünyadaki değişikliklere anında tepki verebilir.
Örnek: Otonom bir aracın dijital ikizi, aracın yol koşullarına ve trafik durumuna gerçek zamanlı olarak uyum sağlayabilir.
7. Gelişmiş Sensörler ve Aktüatörler
Tanım: Sensörler, fiziksel dünyadan veri toplarken aktüatörler, bu verilere dayalı olarak fiziksel sistemler üzerinde hareket eder.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizler, sensörlerden gelen verileri kullanarak fiziksel varlığın durumunu izler. Aktüatörler ise dijital ikiz üzerinden yapılan analizlere dayanarak fiziksel varlığı değiştirebilir veya kontrol edebilir.
Örnek: Bir robot kolunun dijital ikizi, kolun hareketlerini sensörlerden gelen verilere göre izler ve optimize eder. Aktüatörler ise kolun hareketlerini kontrol eder.
8. Artırılmış Gerçeklik (AR) ve Sanal Gerçeklik (VR)
Tanım: AR ve VR teknolojileri, dijital ve fiziksel dünyalar arasında etkileşim sağlayarak kullanıcılara daha gerçekçi ve interaktif deneyimler sunar.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizler, AR ve VR teknolojileri ile birlikte kullanıldığında fiziksel sistemlerin durumlarını görselleştirir ve kullanıcıların sanal ortamda etkileşimde bulunmasını sağlar. Bu, özellikle eğitim ve bakım süreçlerinde büyük fayda sağlar.
Örnek: Bir fabrikada, bakım teknisyenleri AR gözlükleri ile bir makinenin dijital ikizini görüntüleyebilir ve bakım işlemlerini adım adım takip edebilir.
9. Blockchain ve Dağıtık Defter Teknolojileri (DLT)
Tanım: Blockchain, merkezi olmayan, güvenli ve değiştirilemez veri kayıtlarını sağlayan bir teknolojidir.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizlerde blockchain teknolojisi, dijital varlıkların ve süreçlerin güvenli bir şekilde izlenmesini ve kaydedilmesini sağlar. Özellikle tedarik zinciri yönetimi gibi alanlarda, dijital ikizlerin güvenli veri alışverişi yapmasını sağlar.
Örnek: Bir ürünün dijital ikizi, tedarik zinciri boyunca ürünün geçmişini blockchain üzerinde kaydederek şeffaflık ve izlenebilirlik sağlar.
10. 5G ve Gelişmiş İletişim Teknolojileri
Tanım: 5G, yüksek hızlı ve düşük gecikmeli kablosuz iletişim sağlayan yeni nesil ağ teknolojisidir.
Dijital İkizdeki Rolü: Dijital ikizlerin gerçek zamanlı veri akışı ve kontrol gereksinimlerini karşılamak için yüksek hız ve düşük gecikme süreleri sunan 5G gibi gelişmiş iletişim teknolojilerine ihtiyaç vardır. Bu sayede dijital ikizler, çok daha geniş ve karmaşık sistemleri eş zamanlı olarak izleyebilir ve kontrol edebilir.
Örnek: Otonom araçların dijital ikizleri, 5G sayesinde trafik ve yol koşullarını gerçek zamanlı olarak takip eder ve hızlı kararlar alabilir.
Kaynakça
- 1. Abburu, S., Berre, A. J., Jacoby M., Roman, D., Stojanovic, L., Stojanovic N.: COGNITWIN – Hybrid and Cognitive Digital Twins for the Process Industry, 2020 IEEE International Conference on Engineering, Technology and Innovation (ICE/ITMC), Cardiff, United Kingdom, 2020, pp. 1-8, doi: 10.1109/ICE/ITMC49519.2020.9198403.
- 2. Albayrak, Ö., & Ünal, P. (2021). Smart steel pipe production plant via cognitive digital twins: A case study on digitalization of spiral welded pipe machinery. In Impact and Opportunities of Artificial Intelligence Techniques in the Steel Industry: Ongoing Applications, Perspectives and Future Trends (pp. 132-143). Springer International Publishing.
- 3. Barricelli B. R., Casiraghi, E., Fogli, D., A Survey on Digital Twin: Definitions, Characteristics, Applications, and Design Implications, IEEE Access, vol. 7, pp. 167653-167671, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2953499.
- 4. Digital Twin Concortium, https://www.iiconsortium.org/, last accessed 2024/10/02.
- 5. Digital Twins for Industrial Applications: Definition, Business Values, Design Aspects, Standards and Use Cases, An Industrial Internet Consortium White Paper, Version 1.0,
- 6. https://www.iiconsortium.org/pdf/IIC_Digital_Twins_Industrial_Apps_White_Paper_2020-02-18.pdf, last accessed 2020/11/08
- 7. https://chatgpt.com/, 2024/10/02.