Ngành công nghiệp sản xuất đã chuyển đổi nhanh chóng và các nhà sản xuất trên toàn thế giới phải đối mặt với thách thức cải thiện năng suất. Công nghiệp 4.0 đã được giới thiệu vào năm 2011 để cải thiện khả năng cạnh tranh trong công nghiệp. Công nghiệp 4.0 được hình thành dựa trên sự phân chia các giai đoạn phát triển công nghiệp. Ban đầu, Công nghiệp 1.0 đã công bố kỷ nguyên của động cơ hơi nước. Công nghiệp 2.0 là cuộc cách mạng về điện. Công nghiệp 3.0 ra đời trong thời đại thông tin và Công nghiệp 4.0 là thời đại của trí thông minh sử dụng công nghệ thông tin để thúc đẩy nâng cấp công nghiệp. Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 5 (Industry 5.0 hay 5IR) được Liên minh châu Âu (EU) đề xuất vào năm 2021 là kỷ nguyên của Internet và Trí tuệ nhân tạo (AI) trong thiết kế và sản xuất công nghiệp, xem con người là định hướng, bền vững và linh hoạt tiết lộ rằng Công nghiệp 4.0 được coi là định hướng công nghệ, trong khi 5IR được định hướng giá trị con người. 

Các nhà nghiên cứu tin rằng trọng tâm của 5IR nên là thiết kế và phát triển một khuôn khổ phù hợp để đạt được sự tối ưu hóa quy trình dựa trên tích hợp ngữ nghĩa thông qua việc sử dụng hiệu quả dữ liệu lớn. 5IR vẫn là một tầm nhìn công nghiệp cho các nước phát triển vì hiệu quả và năng suất hạn chế. Đặc biệt, nó tăng cường vai trò và đóng góp của ngành công nghiệp cho xã hội. 5IR vẫn là định hướng tương lai của hầu hết các doanh nghiệp, nơi cần khai thác hết tiềm năng của kỷ nguyên số 4.0

Qua đó, nó giúp hiện thực hóa bước nhảy vọt từ công nghệ sang lãnh đạo, điều phối các nguồn lực và chức năng xử lý chéo, xử lý dữ liệu thông minh vận hành do số hóa cung cấp và dễ dự đoán hơn đối với các đơn vị làm việc và nhà máy sản xuất công nghiệp.

Digital twins – Bản sao số

Digital twins là bản sao kỹ thuật số ảo (thường là 3D) của một vật thể hay hệ thống thực tế. Giữa bản sao và vật thể thực tế có một luồng dữ liệu (dataflow) và thông qua các cảm biến trên hệ thống thực tế, bản sao được cập nhật để có thể theo dõi trạng thái của hệ thống theo thời gian thực.

Quá trình này không những cho phép cập nhật trạng thái của hệ thống thực mà còn có thể được lập trình để chạy các lệnh nếu - thì và xác định các tham số tối ưu để thực hiện các chức năng khác nhau. Một bản sao ảo có thể bao gồm các lớp khác nhau, với mỗi lớp ảo đại diện cho một lớp vật lý tương đương. Các lớp này có thể gồm tính chất vật lý, vật liệu, cấu trúc, điện tử, v.v.

Ngay khi đo lường xong, hệ thống thực sẽ được mô hình hóa thành bản sao số; càng nhiều dữ liệu thu được từ hệ thống thực, bản sao kỹ thuật số càng cụ thể và chính xác hơn. Với khả năng nắm bắt cơ hội, cùng với việc xử lý và mô phỏng trong kỷ nguyên dữ liệu lớn (big data) và công nghệ đám mây, không điều gì trong kỷ nguyên số là không thể làm được và hiện nay bản sao số là một công nghệ có chỗ vai trò quan trọng trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0.

Bản sao số cung cấp rất nhiều thông tin như chẩn đoán hoặc tiên lượng, có thể dùng để giảm thời gian chết (downtime) và tăng lợi tức đầu tư. Thậm chí, công nghệ này còn có thể tái hiện vòng đời sản phẩm khép kín, đưa sản phẩm về giai đoạn thiết kế, phát triển để tối ưu hóa liên tục các sản phẩm mới trong tương lai. Hơn nữa, công nghệ này còn dùng để phát triển sản phẩm theo định hướng internet vạn vật (IoT). Trước đây, việc phát triển sản phẩm sẽ dừng lại ngay khi khách hàng nhận sản phẩm và rất khó khăn khi phải thiết kế, phát triển phẩm mới tương tự.

Ngày nay, với những phản hồi về sản phẩm, quá trình bán hàng không chỉ dừng lại ở chuyển giao sản phẩm mà còn là dịch vụ hỗ trợ, phát triển sản phẩm sau đó. Khi một sản phẩm được phát triển hiệu quả thì bản sao số cũng vậy và ngược lại.

Ứng dụng Digital twins – Bản sao số

Nhằm khám phá tác động của Công nghệ bản sao số (Digital Twins - DT) đối với sản xuất công nghiệp trong bối cảnh Công nghiệp 5.0 (5IR). Một máy tính được sử dụng để tìm kiếm cơ sở dữ liệu Web of Science nhằm tóm tắt DT trong 5IR. 

Đầu tiên, nền tảng và kiến trúc hệ thống của 5IR được giới thiệu. Sau đó, các ứng dụng tiềm năng và công nghệ mô hình hóa chính trong 5IR sẽ được thảo luận. Người ta thấy rằng thiết bị là cơ sở hạ tầng của các kịch bản công nghiệp và việc nâng cấp thông minh thiết bị là điều kiện chính của DT. Đồng thời, DT có thể cung cấp phân tích quy trình tự động theo thời gian thực giữa các hệ thống máy móc và nguồn dữ liệu được kết nối, tăng tốc độ phát hiện lỗi và sửa lỗi. Ngoài ra, DT có thể mang lại những cải tiến rõ ràng về hiệu quả và giảm chi phí cho sản xuất công nghiệp. DT cũng phản ánh giá trị ứng dụng tiềm năng và giá trị tiềm năng tiếp theo trong 5IR thông qua triển vọng phát triển công nghệ mới. Hy vọng rằng tổng quan tương đối có hệ thống này có thể cung cấp tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sự phát triển thông minh trong sản xuất công nghiệp và cải thiện hiệu quả của toàn bộ quy trình kinh doanh trong kỷ nguyên Công nghiệp X.0.

Các công nghệ mới nổi được áp dụng trong sản xuất công nghiệp hiện đại là Công nghệ Digital Twins (DT) sử dụng đầy đủ dữ liệu như mô hình vật lý, cập nhật cảm biến và lịch sử hoạt động để tích hợp các quy trình mô phỏng đa ngành, đa vật lý, đa quy mô và đa xác suất. DT có thể thu thập thông tin của các mô hình vật lý khác nhau thông qua công nghệ mô phỏng và lập bản đồ song sinh ảo kỹ thuật số của các thực thể thực. Theo nghĩa này, DT có thể giám sát các thực thể kỹ thuật số và các chỉ số hoạt động trong thời gian thực và soi chiếu thế giới tự nhiên thông qua tích lũy dữ liệu và AI và phản hồi kết quả cho thế giới thực. 

Thống kê cho thấy 85% thiết bị gốc Internet of Things (IoTs) sử dụng DT để bảo vệ an ninh thông tin. Do đó, việc xây dựng Thành phố thông minh do DT cung cấp đã trở thành một điểm nóng trong các công trình nghiên cứu. Trong xây dựng đô thị, phân tích cơ sở hạ tầng là cốt lõi trong IoTs. Việc quản lý xây dựng hiện tại không xem xét các nhu cầu năng động của thời đại và xã hội. Do đó, việc triển khai mô hình phân tích do DT cung cấp có thể thúc đẩy ngành cơ sở hạ tầng và có giá trị lý thuyết cao.

DT có nguồn gốc từ sản xuất công nghiệp, có thể trực quan hóa trạng thái thực của hệ thống sản xuất dưới dạng mô phỏng 3D với triển khai thời gian thực. Trong Nghiên cứu và Phát triển sản phẩm (R & D), DT hầu như có thể mô hình hóa sản phẩm có thể được xác minh thông qua các thí nghiệm mô phỏng. Đối với sản xuất, DT có thể mô phỏng hoạt động của thiết bị và điều chỉnh thông số. Ngoài ra, DT có thể cải thiện độ tin cậy của sản phẩm sẵn có và giảm rủi ro trong phát triển sản phẩm mới. DT rất quan trọng trong giai đoạn bảo trì giúp việc liên tục thu thập và phân tích dữ liệu vận hành có thể dự đoán thời điểm tốt nhất để bảo trì. Cơ sở tham chiếu của chu kỳ bảo trì có thể được cung cấp, DT cũng đóng vai trò là tài liệu tham khảo cho các điểm lỗi và xác suất sai số trong quá trình sản xuất. DT đã nâng cao đáng kể lợi ích và giảm chi phí trong sản xuất công nghiệp, thu hút các ông trùm công nghiệp đầu tư vào lĩnh vực đặc biệt.

Hiện tại, các nghiên cứu liên quan về ứng dụng DT trong lĩnh vực công nghiệp chủ yếu được sử dụng để gỡ lỗi và thử nghiệm trong không gian ảo để cuối cùng đạt được hiệu quả vận hành tốt nhất của máy móc và các nội dung liên quan khác phục vụ cho sản suất kinh doanh. Tuy nhiên, quá trình phát triển tổng thể và phân tích tóm tắt về ứng dụng của DT trong sản xuất công nghiệp là tương đối hiếm. Để đạt được mục tiêu này, nhiều công trình đã được tiến hành nghiên cứu toàn diện về DT trong 5IR. Cách thức xét duyệt cụ thể như sau: một máy tính được sử dụng để truy xuất bộ cốt lõi của cơ sở dữ liệu Web of Science, Digital Twins, Industry 4.0, Industry 5.0, Man-Machine Intergration, Virtual Reality Modeling (VRM), v.v. được chọn làm từ khóa để truy xuất. Sau khi sàng lọc và loại bỏ những dữ liệu không hợp lệ, dữ liệu trùng lặp, cuối cùng sẽ đưa ra các bản sao số quan trọng cho doanh nghiệp trong quá trình quản lý, vận hành và sản xuất kinh doanh./.

(1)    Brunheroto, P. H., Tomanek, D. P., & Deschamps, F. Implications of Industry 4.0 to companies’ performance: a comparison between Brazil and Germany. Brazilian Journal of Operations & Production Management, 2021.
(2)    Beier, G., Matthess, M., Guan, T., Grudzien, D. I. D. O. P., Xue, B., de Lima, E. P., & Chen, L. Impact of Industry 4.0 on corporate environmental sustainability: Comparing practitioners’ perceptions from China, Brazil and Germany. Sustainable production and consumption, 2022.
(3)    Xu, X., Lu, Y., Vogel-Heuser, B., & Wang, L. Industry 4.0 and Industry 5.0 - Inception, conception and perception. Journal of Manufacturing Systems, 2021.

TS Nguyễn Hoàng Hiệp - Đại học Lincohn - Malaysia