Digital Twin – Digital Twin: visualización 3D y gestión digital de la cadena de suministro

Digital Thread se define como “el uso de herramientas y representaciones digitales para el diseño, la evaluación y la gestión del ciclo de vida”.

El término "hilo digital" se utilizó por primera vez en el informe del Grupo de Trabajo de Visión Global de Ciencia y Tecnología de la USAF "Global Horizons 2013".

El término hilo digital fue refinado aún más por Singh y Willcox en el MIT en 2018 en su artículo titulado Ingeniería con un hilo digital. En este artículo académico, el término Digital Thread se define como "una arquitectura basada en datos que conecta información de todo el ciclo de vida del producto y pretende ser la plataforma de comunicaciones y datos principal o autorizada para los productos de una empresa en cualquier momento".

En un sentido más estricto, Digital Thread también se utiliza para referirse al nivel más bajo de diseño y especificación de una representación digital de un artículo físico. El hilo digital es una capacidad crítica en la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) y la base de un gemelo digital.

El término Hilo Digital también se utiliza para describir la trazabilidad del gemelo digital hasta los requisitos, piezas y sistemas de control que componen el objeto físico.

Smart Factory – Uso de conceptos relevantes para las empresas en Alemania – Imagen: Xpert.Digital

El gráfico muestra los resultados de una encuesta realizada en 2017 entre directores generales de empresas industriales alemanas sobre las tecnologías utilizadas en las fábricas inteligentes hoy y en el futuro. El 23 por ciento de los encuestados dijo que actualmente utiliza el gemelo digital del producto en su fábrica inteligente. El 43 por ciento dijo que planeaba utilizar el gemelo digital de los productos en el futuro.

Esto también se aplica a la logística interna autónoma: el 17% afirmó que la utiliza actualmente (2017). El 35% planea implementar esto para 2022.

Uso en cinco años (2022)

• Optimización de recursos basada en datos: 77%
• Planificación integrada – 61%
• Proceso impulsado por big data y optimización de la calidad: 65%
• Sistemas de producción modulares / activos de producción modulares – 36%
• Fábrica en red / Fábrica conectada – 60%
• Mantenimiento predictivo – 66%
• Visualización/automatización de procesos / Visualización/automatización de procesos – 62%
• Gemelo digital del producto / Gemelo digital del producto – 43%
• Gemelo digital de la fábrica / Gemelo digital de la fábrica – 44%
• Gemelo digital de la planta de producción / Gemelo digital del activo de producción – 39%
• Métodos de producción flexibles / Métodos de producción flexibles – 34%
• Logística intraplanta autónoma / Logística intraplanta autónoma – 35%
• Transferencia de parámetros de producción – 32%
• Fábrica digital totalmente autónoma – 11%

Uso hoy (2017)

• Optimización de recursos basada en datos: 52%
• Planificación integrada – 32%
• Proceso impulsado por big data y optimización de la calidad: 30%
• Sistemas de producción modulares / activos de producción modulares – 29%
• Fábrica en red / Fábrica conectada – 29%
• Mantenimiento predictivo – 28%
• Visualización/automatización de procesos / Visualización/automatización de procesos – 28%
• Gemelo digital del producto / Gemelo digital del producto – 23%
• Gemelo digital de la fábrica / Gemelo digital de la fábrica – 19%
• Gemelo digital de la planta de producción / Gemelo digital del activo de producción – 18%
• Métodos de producción flexibles / Métodos de producción flexibles – 18%
• Logística intraplanta autónoma / Logística intraplanta autónoma – 17%
• Transferencia de parámetros de producción – 16%
• Fábrica digital totalmente autónoma – 5%

Se entrevistó a directores generales de empresas industriales alemanas. Esta pregunta se formuló en la encuesta de la siguiente manera: "¿Qué relevancia tienen los siguientes conceptos para su empresa?" La fuente no proporciona ninguna información sobre el tipo de encuesta ni puntos más allá del 100 por ciento.

Un ejemplo de cómo se utilizan los gemelos digitales para optimizar máquinas es el mantenimiento de equipos de generación de energía, como turbinas, motores a reacción y locomotoras.

Otro ejemplo de gemelos digitales es el uso de modelos 3D para crear compañeros digitales para objetos físicos. Esto permite mostrar el estado del objeto físico real, proporcionando una forma de proyectar objetos físicos en el mundo digital. Por ejemplo, cuando los sensores recopilan datos de un dispositivo conectado, los datos del sensor se pueden utilizar para actualizar una copia del estado del dispositivo en tiempo real como un "gemelo digital". El término "sombra del dispositivo" también se utiliza para el concepto de gemelo digital. El gemelo digital pretende ser una copia actual y precisa de las propiedades y estados del objeto físico, incluida la forma, la posición, los gestos, el estado y el movimiento.

También se puede utilizar un gemelo digital para monitoreo, diagnóstico y predicción para optimizar el rendimiento y la utilización de los activos. En esta área, los datos sensoriales se pueden combinar con datos históricos, experiencia humana y aprendizaje de simulación y flotas para mejorar el resultado de las predicciones. Por lo tanto, las plataformas complejas de previsión y mantenimiento inteligente pueden aprovechar los gemelos digitales para encontrar la causa raíz de los problemas y mejorar la productividad.

Los gemelos digitales de vehículos autónomos y sus sensores integrados en el tráfico y la simulación ambiental también se han propuesto como un medio para superar los importantes desafíos en el desarrollo, prueba y validación de aplicaciones en la industria automotriz, particularmente cuando los algoritmos correspondientes se basan en enfoques basados ​​en artificiales. inteligencia, que requiere una amplia capacitación y conjuntos de datos de validación.

Los objetos físicos de fabricación se virtualizan y representan como modelos gemelos digitales (avatares) que están perfectamente integrados tanto en el espacio físico como en el ciberespacio. Los objetos físicos y los modelos gemelos interactúan de forma mutuamente beneficiosa.

Dinámica a nivel de industria

El gemelo digital está cambiando toda la gestión del ciclo de vida del producto (PLM), desde el diseño hasta la fabricación, el servicio y las operaciones. Hoy en día, el PLM consume mucho tiempo en términos de eficiencia, fabricación, inteligencia, fases de servicio y sostenibilidad en el diseño de productos. Un gemelo digital puede unir el espacio físico y virtual del producto. El gemelo digital permite a las empresas crear una huella digital de todos sus productos, desde el diseño hasta el desarrollo y durante todo el ciclo de vida del producto. En general, las industrias que operan en el sector manufacturero se ven gravemente afectadas por los gemelos digitales. En el proceso de fabricación, el gemelo digital es una réplica virtual de los procesos en tiempo real de la fábrica. Miles de sensores se colocan a lo largo del proceso de fabricación física, y todos recopilan datos de diferentes dimensiones, como: B. Condiciones ambientales, características de comportamiento de la máquina y trabajos realizados. Todos estos datos son transmitidos y recopilados continuamente por el gemelo digital. Gracias al Internet de las cosas, los gemelos digitales se han vuelto más asequibles y podrían determinar el futuro de la fabricación. Una ventaja para los ingenieros reside en el uso real de productos diseñados virtualmente por el gemelo digital. Los métodos avanzados de mantenimiento y gestión de productos y activos están al alcance de la mano con un gemelo digital de lo real con capacidades en tiempo real.

Los gemelos digitales ofrecen un gran potencial empresarial porque predicen el futuro en lugar de analizar el pasado del proceso de fabricación . La representación de la realidad creada por los gemelos digitales permite a los fabricantes evolucionar hacia prácticas comerciales ex ante. El futuro de la fabricación se basa en los siguientes 6 aspectos:

• escalabilidad,
• modularidad,
• flexibilidad
• Autonomía,
• Conectividad
• y gemelo digital.

Con la creciente digitalización de las distintas fases de un proceso de fabricación, se abren oportunidades para lograr una mayor productividad. Esto comienza con la modularidad y conduce a una mayor eficacia en el sistema de producción. Además, la autonomía permite que el sistema de producción responda de manera eficiente e inteligente ante eventos inesperados. Finalmente, la conectividad, al igual que el Internet de las cosas, permite cerrar el ciclo de la digitalización al permitir optimizar el siguiente ciclo de diseño y promoción de productos para lograr un mayor rendimiento. Esto puede generar una mayor satisfacción y lealtad del cliente cuando los productos pueden detectar un problema antes de que realmente falle. A medida que los costos de almacenamiento y procesamiento de datos continúan disminuyendo, los posibles usos de los gemelos digitales también se están expandiendo.

El gemelo digital es particularmente importante para la industria. Su existencia y utilización en los procesos de creación de valor industrial puede suponer una ventaja competitiva decisiva para las empresas. Esto ha sido especialmente cierto desde principios de la década de 2010, desde que Internet de las cosas hizo posible producir todo tipo de productos conectados en red y controlados digitalmente con servicios integrados.

En la industria existen gemelos digitales para productos, sistemas de producción, procesos y servicios, por ejemplo. También pueden existir antes que el gemelo real, por ejemplo como modelos de diseño de productos futuros. Y se pueden utilizar para analizar y evaluar datos del uso de gemelos reales. Tienen una amplia variedad de propósitos y funciones.

Su particular valor para la industria surge del ahorro de prototipos físicos y la posibilidad de simular el comportamiento, funcionalidad y calidad del gemelo real en todos los aspectos relevantes. Este valor se puede utilizar para todas las partes de la creación de valor durante todo el ciclo de vida de los productos, sistemas y servicios.

Un gemelo digital adopta diversas formas. Por ejemplo, puede basarse en un modelo de comportamiento del desarrollo de sistemas, un modelo 3D o un modelo funcional que represente las propiedades mecánicas, electrónicas y de otro tipo y las características de rendimiento del gemelo real de la manera más realista y completa posible en el transcurso de un modelo. diseño basado.

Los diferentes gemelos digitales se pueden vincular entre sí y también permiten una amplia comunicación e interacción con los gemelos reales. Esto también se conoce como hilo digital, que recorre todo el ciclo de vida del producto y puede incluir otra información relevante para el producto. Una empresa obtiene el mayor beneficio de un hilo digital tan consistente, que permite la optimización de varios procesos de creación de valor y la explotación de una amplia gama de modelos de negocio digitales para los productos o servicios ofrecidos.

La tecnología de producción es sólo uno de los muchos campos de aplicación industriales. Los gemelos digitales mapean los sistemas a lo largo de todo su ciclo de vida (diseño, creación, operación y reciclaje). Incluso durante la planificación, los ingenieros pueden utilizar modelos de simulación para optimizar los procesos. Una vez que el sistema esté en funcionamiento, se pueden utilizar los mismos modelos de simulación para optimizar aún más los procesos y transformar la producción.

En el ámbito del transporte y el almacenamiento, empresas de logística internacional como DHL y UPS desarrollan constantemente nuevas aplicaciones para el gemelo digital, como el seguimiento y localización o el control inteligente de almacenes e instalaciones portuarias completas. Los fabricantes de software como SAP u Oracle están ampliando sus sistemas ERP y ofreciendo nuevas soluciones de TI como cadenas de suministro digitales para la gestión de la cadena de suministro.

El concepto de gemelo digital se utiliza cada vez más en el control de producción, la logística y las adquisiciones. Esto significa que este concepto puede estar estrechamente relacionado con los métodos y medios de la tecnología de control y la ingeniería de regulación.

Los gemelos digitales geográficos se han vuelto populares en la práctica de la planificación urbana debido al creciente interés en la tecnología digital en el movimiento de las ciudades inteligentes. Estos gemelos digitales se proponen a menudo en forma de plataformas interactivas para capturar y mostrar datos espaciales 3D y 4D en tiempo real para modelar entornos urbanos (ciudades) y los datos que contienen.

Las tecnologías de visualización, como los sistemas de realidad aumentada (AR), se utilizan como herramientas colaborativas para el diseño y la planificación en el entorno construido y para integrar fuentes de datos de sensores integrados en ciudades y servicios API para formar gemelos digitales. Por ejemplo, la RA permite proyectar mapas, edificios y datos de realidad aumentada en mesas para que los profesionales de la industria de la construcción los vean de forma colaborativa.

En el sector de la construcción, las actividades de planificación, diseño, construcción, operación y mantenimiento se están digitalizando cada vez más (incluso mediante la introducción de procesos BIM (Building Information Modeling)) y los gemelos digitales de edificios se consideran una extensión lógica, tanto a nivel de edificios individuales así como a nivel nacional. En el Reino Unido, por ejemplo, el Centre for Digital Built Britain publicó los Principios Gemini en noviembre de 2018, que establecen los principios para desarrollar un “gemelo digital nacional”.

Uno de los primeros ejemplos de un “gemelo digital” funcional se realizó en 1996 durante la construcción de las instalaciones de Heathrow Express en la Terminal 1 del aeropuerto de Heathrow. El consultor Mott MacDonald y el pionero de BIM Jonathan Ingram conectaron sensores de movimiento en la ataguía y los pozos al modelo de objeto digital para mostrar el movimiento en el modelo. Se creó un objeto de inyección digital para monitorear los efectos del bombeo de mortero al suelo para estabilizar los movimientos del suelo.

La atención sanitaria se considera una industria que está siendo transformada por la tecnología de gemelos digitales. El concepto de gemelo digital en la industria de la salud se propuso originalmente y se utilizó por primera vez para la previsión de productos o dispositivos. Un gemelo digital puede mejorar vidas en los campos de la medicina, el deporte y la educación adoptando un enfoque de la atención sanitaria más basado en datos. La disponibilidad de tecnologías permite crear modelos personalizados para pacientes que se pueden ajustar continuamente en función de los parámetros de salud y estilo de vida registrados. En última instancia, esto puede dar como resultado un paciente virtual que detalla el estado de salud de un paciente individual y no se basa únicamente en registros anteriores. Además, el gemelo digital permite comparar los registros del individuo con los de la población para encontrar patrones más fácilmente y con un gran nivel de detalle. La mayor ventaja del gemelo digital para la atención sanitaria es el hecho de que la atención sanitaria se puede adaptar a las respuestas individuales de los pacientes. Los gemelos digitales no sólo conducirán a mejores resoluciones a la hora de definir la salud de un paciente individual, sino que también cambiarán la imagen esperada de un paciente sano. Antes se consideraba “saludable” la ausencia de signos de enfermedad. Ahora se puede comparar a los pacientes “sanos” con el resto de la población para definirlos como verdaderamente sanos . Sin embargo, la aparición del gemelo digital en la atención sanitaria también conlleva algunas desventajas. El gemelo digital puede generar desigualdad, ya que es posible que la tecnología no sea accesible para todos, ampliando la brecha entre ricos y pobres. Además, el gemelo digital identificará patrones en una población que pueden conducir a la discriminación.

La idea del gemelo digital también está cada vez más extendida en medicina, mediante la creación de una imagen virtual de un paciente para simular aplicaciones médicas. De esta manera, el médico puede abordar la situación específica del paciente respectivo antes del tratamiento y, durante las operaciones quirúrgicas, se pueden prefabricar e insertar con precisión insertos específicos del paciente (por ejemplo, articulaciones artificiales), lo que permite un mejor resultado quirúrgico y una mayor rapidez. proceso de recuperación.

La industria automotriz ha mejorado gracias a la tecnología de gemelos digitales. Los gemelos digitales en la industria automotriz se implementan aprovechando los datos existentes para simplificar los procesos y reducir los costos marginales. Actualmente, los diseñadores de automóviles están ampliando la materialidad física existente incorporando capacidades digitales basadas en software. Un ejemplo concreto de tecnología de gemelos digitales en la industria automotriz es que los ingenieros automotrices utilizan la tecnología de gemelos digitales en combinación con la herramienta de análisis de la empresa para analizar cómo se conduce un automóvil en particular. De esta forma, pueden proponer incorporar al coche nuevas prestaciones que puedan reducir el número de accidentes en las carreteras, algo que antes no era posible en tan poco tiempo.

Las tecnologías digitales tienen ciertas características que las distinguen de otras tecnologías. Estas características, a su vez, tienen ciertas consecuencias. Los gemelos digitales tienen las siguientes características.

Conectividad

Una de las características clave de la tecnología de gemelos digitales es su conectividad. El reciente desarrollo del Internet de las cosas (IoT) trae consigo numerosas tecnologías nuevas. El desarrollo de IoT también avanza el desarrollo de la tecnología de gemelos digitales. Esta tecnología tiene muchas características consistentes con el carácter de IoT, concretamente su naturaleza conectiva. En primer lugar, la tecnología permite la conectividad entre el componente físico y su contraparte digital. La base del gemelo digital reside en esta conexión, sin la cual la tecnología de gemelo digital no existiría. Como se describe en la sección anterior, esta conectividad se logra a través de sensores en el producto físico que recopilan datos e integran y comunican esos datos a través de diversas tecnologías de integración. La tecnología de gemelos digitales permite una mayor conectividad entre empresas, productos y clientes. Por ejemplo, la conectividad entre socios en una cadena de suministro se puede aumentar permitiendo a los miembros de esa cadena de suministro verificar el gemelo digital de un producto o activo. Luego, estos socios pueden verificar el estado de este producto simplemente controlando el gemelo digital.

También se puede aumentar la conectividad con los clientes.

La servitización es el proceso mediante el cual las empresas agregan valor a su oferta principal a través de servicios. En el caso del ejemplo del motor, la fabricación del motor es la oferta principal de esta organización, que luego agrega valor al brindar un servicio de inspección y mantenimiento del motor.

Servitización

La servitización es una innovación del modelo de negocio que es relevante para las empresas manufactureras y se refiere al cambio en la cartera de ofertas anterior, alejándose de solo bienes materiales y hacia una combinación de bienes y servicios materiales. Refleja así la tendencia económica general hacia una sociedad de servicios a nivel empresarial.

Existen ejemplos de servitización desde hace más de 100 años. Sin embargo, el tema ha cobrado rápidamente importancia en los últimos 20 años porque, debido a la globalización, las empresas de países con salarios altos como Alemania lo ven como un medio para protegerse contra la competencia de los países con salarios bajos. En ciencia, la servitización se ha consolidado como un tema de investigación independiente gracias a un artículo especializado de Sandra Vandermerwe y Juan Rada.

Homogeneización

Los gemelos digitales pueden caracterizarse como una tecnología digital que es a la vez consecuencia y facilitadora de la homogeneización de datos. Dado que ahora se puede almacenar y transmitir cualquier tipo de información o contenido en la misma forma digital, es posible crear una representación virtual del producto (en forma de gemelo digital), desacoplando así la información de su forma física. La homogeneización de los datos y el desacoplamiento de la información de su artefacto físico han permitido la creación de gemelos digitales. Los gemelos digitales también permiten almacenar digitalmente cada vez más información sobre productos físicos y desacoplarla del producto en sí.

A medida que los datos se digitalizan cada vez más, se pueden transferir, almacenar y calcular de forma rápida y rentable. Según la Ley de Moore, la potencia informática seguirá aumentando exponencialmente durante los próximos años, mientras que los costes del procesamiento de datos disminuirán significativamente. Por lo tanto, esto daría como resultado costos marginales más bajos para el desarrollo de gemelos digitales y haría comparativamente mucho más barato probar, predecir y resolver problemas utilizando representaciones virtuales en lugar de probarlos en modelos físicos y esperar a que los productos físicos se rompan antes de intentar intervenir.

Otra consecuencia de la homogeneización y desacoplamiento de la información es la convergencia de la experiencia del usuario. A medida que la información de los objetos físicos se digitaliza, un solo artefacto puede ofrecer una variedad de nuevas posibilidades. La tecnología de gemelos digitales permite compartir información detallada sobre un objeto físico con una mayor cantidad de agentes, independientemente de la ubicación o el tiempo. En su libro blanco sobre la tecnología de gemelos digitales en la fabricación, Michael Grieves afirma lo siguiente sobre las consecuencias de la homogeneización permitida por los gemelos digitales:

En el pasado, los gerentes de fábrica tenían su oficina con vistas a la fábrica para poder tener una idea de lo que sucedía en la fábrica. Con el gemelo digital, no sólo el director de la fábrica, sino todos los involucrados en la producción de la fábrica pueden tener la misma ventana virtual no sólo a una sola fábrica, sino a todas las fábricas del mundo.

Reprogramable e inteligente

Como se mencionó anteriormente, un gemelo digital permite reprogramar un producto físico de una manera específica. Además, el gemelo digital también se puede reprogramar de forma automática. Con la ayuda de sensores en el producto físico, tecnologías de inteligencia artificial y análisis predictivo. Una consecuencia de esta reprogramabilidad es la aparición de funcionalidades. Tomando nuevamente el ejemplo de un motor, los gemelos digitales se pueden utilizar para recopilar datos sobre el rendimiento del motor y, si es necesario, ajustar el motor y crear una versión más nueva del producto. La servitización también puede verse como una consecuencia de la reprogramabilidad. Los fabricantes pueden ser responsables de monitorear el gemelo digital, realizar ajustes o reprogramarlo si es necesario, y pueden ofrecer esto como un servicio adicional.

Rastros digitales

Otra característica es el hecho de que las tecnologías de gemelos digitales dejan huellas digitales. Estos rastros pueden ser utilizados por los ingenieros, por ejemplo. Por ejemplo, en caso de un mal funcionamiento de la máquina, comprobar los rastros del gemelo digital para diagnosticar dónde se produjo el problema. Estos diagnósticos también podrán ser utilizados en el futuro por los fabricantes de estas máquinas para mejorar sus diseños, de modo que las mismas averías se produzcan con menos frecuencia en el futuro.

Modularidad

En términos de la industria manufacturera, la modularidad puede describirse como el diseño y personalización de productos y módulos de producción. Agregar modularidad a los modelos de fabricación brinda a los fabricantes la oportunidad de optimizar modelos y máquinas. La tecnología de gemelos digitales permite a los fabricantes realizar un seguimiento de las máquinas en uso e identificar posibles áreas de mejora en las máquinas. Cuando estas máquinas son modulares, los fabricantes pueden utilizar la tecnología de gemelos digitales para identificar qué componentes están afectando el rendimiento de la máquina y reemplazarlos con componentes que se ajusten mejor para mejorar el proceso de fabricación.