Цифровые двойники: современное состояние теории и практики, проблемы и открытые исследовательские вопросы

Цифровой двойник был представлен более десяти лет назад как инновационный всеобъемлющий инструмент, потенциальные преимущества которого включают мониторинг в реальном времени, моделирование, оптимизацию и точное прогнозирование. Однако теоретическая основа и практические реализации цифровых двойников (ЦД) пока не позволяют в полной мере реализовать это видение в масштабах широкого применения. Несмотря на растущее число успешных реализаций в научных исследованиях и промышленности, достаточные сведения об особенностях их реализации публично недоступны, что затрудняет полноценную оценку их компонентов и эффективности, проведение сравнений, выявление успешных решений, обмен опытом и, следовательно, совместное развитие методологии ЦД и получение преимуществ от ее применения. В настоящей работе сначала представлен обзор релевантных научных и промышленных исследований в области ЦД с акцентом на ключевые характеристики ЦД, современные подходы в различных предметных областях и успешные реализации ЦД, чтобы определить основные компоненты и свойства ЦД, а также выявить существующие ограничения и причины задержки широкого внедрения и распространения цифровых двойников. Установлено, что основными причинами этой задержки являются следующие факторы: ЦД по-прежнему остается быстро развивающейся концепцией; отсутствует универсальная эталонная структура ЦД — например, стандарты ЦД немногочисленны и также находятся в стадии развития; ЦД зависят от конкретной задачи и предметной области; совместное использование данных вызывает обеспокоенность в отношении безопасности; отсутствуют метрики эффективности ЦД; цифровые двойники зависят от других быстро развивающихся технологий. Достижения в области машинного обучения, Интернета вещей (IoT) и больших данных привели к существенному совершенствованию таких характеристик ЦД, как мониторинг в реальном времени и точное прогнозирование. Несмотря на этот прогресс и усилия отдельных компаний, в данной области сохраняются определенные пробелы в исследованиях и практической реализации, которые до сих пор препятствуют широкому внедрению концепции и технологии ЦД; эти пробелы также рассматриваются в настоящей работе. На основе обзора предыдущих исследований и выявленных пробелов далее предлагается концептуализация ЦД, включающая его компоненты...