Lịch sử Digital Twin: Nguồn gốc tên gọi và những cột mốc phát triển

Lịch sử Digital Twin có ba mốc cần phân biệt: tiền đề mô phỏng thời Apollo, mô hình khái niệm do Michael Grieves trình bày năm 2002 và tên gọi “Digital Twin” do John Vickers của NASA đề xuất năm 2010 theo hồi cứu của Grieves.

Những mốc này cho thấy quá trình phát triển từ việc mô phỏng hệ thống thực đến kết nối mô hình số với dữ liệu để hỗ trợ quyết định.

Các mốc chính trong lịch sử Digital Twin

Digital Twin là gì?

Digital Twin, còn được gọi là bản sao số hoặc bản sao kỹ thuật số, là một biểu diễn số có liên hệ với đối tượng hay hệ thống thực. Theo định nghĩa trong báo cáo của National Academies, biểu diễn này được cập nhật động bằng dữ liệu từ đối tượng tương ứng, có khả năng dự báo và hỗ trợ ra quyết định. Sự tương tác hai chiều giữa mô hình số và đối tượng thực giữ vai trò trung tâm.

Nếu cần tìm hiểu khái niệm, cách phân loại và lợi ích trước khi theo dõi lịch sử, bạn có thể đọc bài Digital Twin là gì?

Những năm 1960: Những hệ thống mô phỏng trong chương trình Apollo

Trong chương trình Apollo, NASA sử dụng nhiều hệ thống mô phỏng để huấn luyện phi hành gia và chuẩn bị cho nhiệm vụ. Những hệ thống này bao gồm mô phỏng module chỉ huy, module Mặt Trăng và hoạt động tiếp cận, ghép nối. Theo lịch sử cơ sở huấn luyện của NASA, hệ thống mô phỏng nhiệm vụ Apollo đầu tiên được chuyển đến Trung tâm Tàu vũ trụ có người lái (Manned Spacecraft Center - MSC) vào tháng 12/1965.

Những hoạt động đó cho thấy nhu cầu tái hiện một hệ thống phức tạp để con người có thể thử nghiệm và chuẩn bị trước khi thao tác trong thực tế.

Có thể xem đây là tiền đề thực tiễn cho cách tiếp cận sử dụng mô hình để hỗ trợ hoạt động của hệ thống thực. Tuy nhiên, lịch sử mô phỏng hàng không vũ trụ và lịch sử tên gọi Digital Twin là hai vấn đề cần phân biệt. Việc NASA đã có hệ thống mô phỏng trong thập niên 1960 không có nghĩa thuật ngữ Digital Twin đã được sử dụng khi ấy. Hay ở giai đoạn này, tên gọi Digital Twin chưa được sử dụng.

Năm 1970: Apollo 13 cho thấy giá trị của thử nghiệm trên mặt đất

Sự cố Apollo 13 năm 1970 cho thấy vai trò của mô phỏng trong kiểm tra phương án xử lý tình huống thực tế. Sau sự cố bình oxy, đội ngũ mặt đất phải xây dựng những quy trình mới để hỗ trợ phi hành đoàn trở về.

Tài liệu lịch sử máy tính của NASA ghi nhận việc sử dụng các hệ thống mô phỏng để thử nghiệm thao tác đốt động cơ module Mặt Trăng, tách module và các thao tác điều khiển, đồng thời xây dựng quy trình xử lý khi nhiệm vụ đang diễn ra.

Có thể xem Apollo 13 là một tiền đề thực tiễn cho cách tiếp cận: hiểu tình trạng hệ thống, thử phương án trên mô hình rồi hỗ trợ hành động ngoài thực tế. Cách tiếp cận này có nhiều điểm tương đồng với mục tiêu hỗ trợ quyết định của Digital Twin sau này. Tuy vậy, gọi đây là “Digital Twin đầu tiên” sẽ cần thêm tiêu chí và bằng chứng; các tài liệu nêu trên trực tiếp xác nhận hoạt động mô phỏng.

Năm 2002: Michael Grieves trình bày mô hình khái niệm

Năm 2002 là mốc quan trọng trong quá trình hình thành mô hình Digital Twin hiện đại.

Trong tài liệu công bố năm 2019, Michael Grieves cho biết ông từng xác định nguồn gốc mô hình tại cuộc gặp ở Đại học Michigan tháng 12/2002. Sau đó, ông tìm lại được bài trình bày tại diễn đàn quản lý của SME vào tháng 10/2002 đã có mô hình này, tức sớm hơn cuộc gặp tại Michigan.

Theo hồi cứu của Michael Grieves, ông đã trình bày mô hình tại diễn đàn quản lý của SME vào tháng 10/2002, trước cuộc gặp tại Đại học Michigan vào tháng 12 cùng năm. Mô hình ban đầu mang tiêu đề “Conceptual Ideal for PLM”, gắn với quản lý vòng đời sản phẩm - Product Lifecycle Management.

Mô hình đã thể hiện không gian vật lý, không gian ảo và các luồng dữ liệu, thông tin kết nối giữa chúng. Ý tưởng cốt lõi là duy trì mối liên hệ giữa hệ thống thực và phần thông tin số tương ứng trong suốt vòng đời. Đây là mốc hình thành mô hình khái niệm; tên gọi Digital Twin chưa xuất hiện trong cách đặt tên ban đầu.

Giai đoạn 2005 - 2006: Khái niệm trải qua những tên gọi khác

Trước khi có tên Digital Twin, Grieves sử dụng các cách gọi nhấn mạnh quan hệ phản chiếu giữa phần thực và phần số.

Trong hồi cứu năm 2023, ông cho biết đã gọi khái niệm là Mirrored Spaces Model trong bài viết năm 2005, sau đó sử dụng tên Information Mirroring Model trong cuốn sách về PLM năm 2006. Có thể diễn giải lần lượt là “mô hình các không gian phản chiếu” và “mô hình phản chiếu thông tin”.

Dù tên gọi thay đổi, trọng tâm của mô hình vẫn là mối liên hệ giữa đối tượng vật lý, biểu diễn số và thông tin trao đổi giữa hai phần.

Năm 2010: Tên gọi “Digital Twin” xuất phát từ đâu?

Trong hồi cứu công bố năm 2023, Michael Grieves cho biết John Vickers, người đồng nghiệp tại NASA khi ông làm tư vấn cho cơ quan này, đã đề xuất tên gọi “Digital Twin” vào năm 2010. Grieves cũng cho biết Vickers đưa khái niệm vào lộ trình công nghệ của NASA trong năm này.

“Digital” chỉ phần biểu diễn bằng thông tin số; “Twin” gợi mối quan hệ song sinh với đối tượng tương ứng. Tên gọi vì thế diễn đạt ngắn gọn quan hệ giữa hai phần trong mô hình.

Virtual Twin là một thuật ngữ gần nghĩa có thể gặp trong các tài liệu và giải pháp công nghệ. Để tìm hiểu cách sử dụng và phạm vi của thuật ngữ này, bạn có thể đọc bài Virtual Twin là gì?

Năm 2012: NASA và Không quân Hoa Kỳ mô tả Digital Twin cho phương tiện tương lai

Năm 2012, Edward H. Glaessgen và David S. Stargel công bố nghiên cứu The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles. Công trình đề xuất kết hợp mô phỏng trung thực cao với hệ thống theo dõi tình trạng phương tiện, lịch sử bảo trì và dữ liệu liên quan để phản ánh vòng đời của phương tiện tương ứng.

Nghiên cứu tập trung vào yêu cầu an toàn, độ tin cậy và quản lý phương tiện trong điều kiện vận hành khắc nghiệt. Mô hình cần tiếp nhận thông tin về tình trạng sử dụng để phản ánh phương tiện thực tế trong suốt quá trình vận hành.

Công trình năm 2012 cụ thể hóa cách tiếp cận Digital Twin trong hàng không vũ trụ, đồng thời làm rõ vai trò của dữ liệu vận hành và lịch sử riêng của từng phương tiện.

Năm 2014: Digital Twin được cụ thể hóa trong sản xuất

Trong white paper năm 2014 về Digital Twin và nhà máy ảo, Michael Grieves tập trung vào việc so sánh sản phẩm thực tế với thông tin thiết kế.

Câu hỏi đặt ra là: sản phẩm được tạo ra có đáp ứng những gì thiết kế yêu cầu hay không? Việc kết nối dữ liệu sản xuất với biểu diễn số giúp đối chiếu trạng thái thực tế, thông số mong muốn và khoảng cách giữa chúng. Tài liệu nhấn mạnh sự khác biệt giữa mô phỏng điều được kỳ vọng xảy ra trong nhà máy và phản ánh điều đang thực sự diễn ra. Khả năng kết nối thông tin đó mở ra hướng sử dụng Digital Twin cho kiểm tra, phối hợp và cải thiện hoạt động sản xuất.

Quá trình chuyển dữ liệu thực sang mô hình và kết quả phân tích được trình bày cụ thể hơn trong bài Digital Twin hoạt động như thế nào?

Tháng 10/2017: Digital Twin xuất hiện trong báo cáo xu hướng công nghệ cho năm 2018

Báo cáo Top 10 Strategic Technology Trends for 2018 của Gartner, ghi nguồn tháng 10/2017, dành một phần cho Digital Twin.

Trong đó, Gartner thảo luận khả năng sử dụng bản sao số để giám sát tài sản, tối ưu hoạt động và hỗ trợ quyết định. Báo cáo cũng mô tả cách tổ chức có thể bắt đầu với phạm vi đơn giản rồi từng bước cải thiện việc thu thập dữ liệu, trực quan hóa và phân tích.

Báo cáo ghi nhận sự quan tâm đối với Digital Twin trong chiến lược công nghệ doanh nghiệp. Tuy nhiên, việc được đưa vào danh sách xu hướng không đồng nghĩa công nghệ đã được triển khai rộng rãi hoặc đạt hiệu quả đồng đều trên thị trường.

Năm 2021: ISO công bố khung Digital Twin cho sản xuất

Tháng 10/2021, ISO công bố ISO 23247-1:2021, phần tổng quan và nguyên tắc chung của khung Digital Twin dành cho sản xuất.

Theo mô tả chính thức, phần tiêu chuẩn này cung cấp thuật ngữ, định nghĩa và các yêu cầu đối với khung Digital Twin trong lĩnh vực sản xuất.

ISO 23247-1:2021 cung cấp cơ sở tham chiếu để doanh nghiệp tìm hiểu cách mô tả và tổ chức hệ thống Digital Twin trong sản xuất. Phạm vi này cần được phân biệt với các ứng dụng ở những lĩnh vực khác.

Năm 2024: Làm rõ nền tảng nghiên cứu và yêu cầu về độ tin cậy

Báo cáo Foundational Research Gaps and Future Directions for Digital Twins của National Academies, mang năm xuất bản 2024, tiếp tục làm rõ nền tảng của lĩnh vực.

Báo cáo mô tả Digital Twin trong nhiều bối cảnh, từ hệ thống kỹ thuật đến hệ thống tự nhiên và sinh học. Định nghĩa được sử dụng nhấn mạnh khả năng cập nhật động, dự báo và hỗ trợ quyết định tạo ra giá trị.

Một vấn đề trọng tâm được báo cáo đặt ra là độ tin cậy: mô hình và dữ liệu cần được đánh giá như thế nào để có thể hỗ trợ những quyết định trong thực tế?

Các bối cảnh sử dụng cụ thể được trình bày trong bài Ứng dụng của Digital Twin trong 9 ngành công nghiệp nổi bật.

Lịch sử Digital Twin gợi mở điều gì cho doanh nghiệp và cơ quan quản lý?

Quá trình phát triển của Digital Twin cho thấy giá trị của công nghệ gắn với mối liên hệ giữa mô hình, dữ liệu thực tế và quyết định cần hỗ trợ. Khi nghiên cứu một giải pháp, doanh nghiệp hoặc cơ quan quản lý có thể bắt đầu bằng câu hỏi: bản sao số cần giúp đưa ra quyết định nào?

Chẳng hạn, với bài toán bảo trì, cần xác định thiết bị được theo dõi, dữ liệu có thể thu thập và cách đánh giá chất lượng cảnh báo. Với bài toán thử nghiệm phương án, cần xác định kịch bản, giả định và tiêu chí so sánh.

Cũng cần phân biệt mô hình trực quan với Digital Twin. Một mô hình 3D có thể giúp quan sát không gian, hình dạng hoặc bố trí thiết bị. Để đánh giá một hệ thống theo cách tiếp cận Digital Twin được trình bày trong bài, cần xem xét thêm cách dữ liệu từ đối tượng thực cập nhật mô hình, khả năng phân tích và cách kết quả được sử dụng để hỗ trợ quyết định.

Với VR360, góc nhìn này giúp làm rõ yêu cầu khi trao đổi về giải pháp: đối tượng nào cần được mô hình hóa, dữ liệu nào có thể kết nối và kết quả nào cần được kiểm chứng. Xác định rõ những yếu tố đó là cơ sở để lựa chọn phạm vi triển khai phù hợp với nhu cầu của từng tổ chức.

Nguồn tham khảo

NASA. Building on a Mission: Astronaut Training Facilities - lịch sử cơ sở huấn luyện và mốc tiếp nhận hệ thống mô phỏng Apollo tháng 12/1965.

NASA. Computers in Spaceflight: The NASA Experience, phần “Crew-training simulators” - vai trò của mô phỏng trong chương trình Apollo và sự cố Apollo 13.

Michael W. Grieves (2019). Virtually Intelligent Product Systems: Digital and Physical Twins - mốc năm 2002 và ghi chú về bài trình bày tại diễn đàn SME.

Michael W. Grieves (2023). Digital Twins: Past, Present, and Future - hồi cứu về quá trình phát triển khái niệm và nguồn gốc tên gọi.

Edward H. Glaessgen và David S. Stargel (2012). The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles.

Michael Grieves (2014). Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication.

Gartner (10/2017). Top 10 Strategic Technology Trends for 2018.

ISO (10/2021). ISO 23247-1:2021 - Automation systems and integration - Digital twin framework for manufacturing - Part 1: Overview and general principles.

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine (2024). Foundational Research Gaps and Future Directions for Digital Twins