Gemelo digital: visualización 3D y gestión de la cadena de suministro digital

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” fue utilizado por primera vez en el informe “Horizontes Globales 2013” ​​del Grupo de Trabajo sobre Visión Global de Ciencia y Tecnología de la USAF.

El término Hilo Digital fue perfeccionado por Singh y Willcox en el MIT en su artículo de 2018 titulado "Ingeniería con un Hilo Digital". En este artículo académico, el término Hilo Digital se define como "una arquitectura basada en datos que vincula información de todo el ciclo de vida del producto y está diseñada para servir como la plataforma principal o de confianza de datos y comunicación para los productos de una organización en cualquier momento"

En un sentido más estricto, el término "hilo digital" también se utiliza para referirse al nivel más bajo de diseño y especificación para la representación digital de un objeto físico. El hilo digital es una capacidad crucial 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.

Fábrica inteligente: uso de conceptos relevantes para el negocio en Alemania – Imagen: Xpert.Digital

El gráfico muestra los resultados de una encuesta realizada en 2017 a 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 afirmó que actualmente utiliza el gemelo digital de sus productos en su fábrica inteligente. El 43 por ciento indicó que planea utilizar el gemelo digital de sus productos en el futuro.

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

Uso en cinco años (2022)

• Optimización de recursos basada en datos – 77%
• Planificación integrada – 61%
• Optimización de procesos y calidad basada en big data – 65%
• Activos de producción modulares – 36%
• Fábrica en red / Fábrica conectada – 60%
• Mantenimiento predictivo – 66%
• Visualización/automatización de procesos – 62%
• 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 autónoma intraplanta – 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%
• Optimización de procesos y calidad basada en big data – 30%
• Activos de producción modulares – 29%
• Fábrica en red / Fábrica conectada – 29%
• Mantenimiento predictivo – 28%
• Visualización/automatización de procesos – 28%
• 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 autónoma intraplanta – 17%
• Transferencia de parámetros de producción – 16%
• Fábrica digital totalmente autónoma – 5%

Se encuestó a directores generales de empresas industriales alemanas. La pregunta se formuló de la siguiente manera: "¿Qué tan relevantes son los siguientes conceptos para su empresa?". La fuente no proporciona información sobre la metodología de la encuesta ni sobre puntuaciones superiores al 100 %.

Un ejemplo de cómo se utilizan los gemelos digitales para optimizar las máquinas es el mantenimiento de plantas 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 de objetos físicos. Esto permite visualizar el estado del objeto físico real, lo que permite proyectar objetos físicos en el mundo digital. Por ejemplo, si los sensores recopilan datos de un dispositivo conectado, estos datos pueden utilizarse para actualizar una copia del estado del dispositivo como "gemelo digital" en tiempo real. 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, incluyendo forma, posición, gestos, estado y movimiento.

Un gemelo digital también puede utilizarse para la monitorización, el diagnóstico y la previsión, optimizando así el rendimiento y la utilización de los activos. En este ámbito, los datos de los sensores pueden combinarse con datos históricos, la experiencia humana y el aprendizaje de flotas y simulación para mejorar los resultados de las previsiones. Por lo tanto, las plataformas de previsión compleja y mantenimiento inteligente pueden aprovechar los gemelos digitales para identificar la causa raíz de los problemas y mejorar la productividad.

Los gemelos digitales de vehículos autónomos y sus sensores, integrados en una simulación de tráfico y medioambiental, también se han propuesto como un medio para superar los importantes desafíos en el desarrollo, prueba y validación de aplicaciones en la industria automotriz, especialmente cuando los algoritmos relevantes se basan en enfoques de inteligencia artificial que requieren amplios conjuntos de datos de entrenamiento y validación.

Los objetos físicos manufacturados se virtualizan y representan como modelos gemelos digitales (avatares) que se integran de forma fluida y estrecha tanto en el espacio físico como en el ciberespacio. Los objetos físicos y los modelos gemelos interactúan de forma mutuamente beneficiosa.

Dinámica a nivel industrial

El gemelo digital está transformando todo el proceso de gestión del ciclo de vida del producto (PLM), desde el diseño y la fabricación hasta el servicio y la operación. Actualmente, PLM requiere mucho tiempo en términos de eficiencia, fabricación, inteligencia, fases de servicio y sostenibilidad en el diseño de productos. Un gemelo digital puede fusionar los espacios físicos y virtuales de un producto. Permite a las empresas crear una huella digital de todos sus productos, desde el diseño y el desarrollo hasta su ciclo de vida completo. Generalmente, las industrias involucradas en la fabricación se ven significativamente afectadas por los gemelos digitales. En el proceso de fabricación, el gemelo digital es una réplica virtual de las operaciones en tiempo real en la planta de producción. Miles de sensores se colocan a lo largo del proceso de fabricación física, recopilando datos de diversas dimensiones, como las condiciones ambientales, el comportamiento de la máquina y el trabajo realizado. Todos estos datos son transmitidos y recopilados continuamente por el gemelo digital. Gracias al Internet de las Cosas (IoT), los gemelos digitales se han vuelto más asequibles y podrían definir el futuro de la industria manufacturera. Una ventaja para los ingenieros es el uso en el mundo real de productos diseñados virtualmente utilizando el gemelo digital. Los métodos avanzados de mantenimiento y gestión de productos y plantas son cada vez más accesibles, ya que está disponible un gemelo digital de la “cosa” real con capacidades en tiempo real.

Los gemelos digitales ofrecen un importante potencial de negocio porque predicen el futuro en lugar de analizar el pasado del proceso de fabricación. La representación de la realidad que crean los gemelos digitales permite a los fabricantes evolucionar hacia prácticas empresariales proactivas. El futuro de la fabricación se basa en los siguientes seis aspectos:

• Escalabilidad,
• Modularidad,
• flexibilidad
• Autonomía,
• Conectividad
• y gemelo digital.

Con la creciente digitalización de las fases individuales de un proceso de fabricación, surgen oportunidades para lograr una mayor productividad. Esto comienza con la modularidad y conduce a una mayor eficiencia en el sistema de producción. Además, la autonomía permite que el sistema de producción reaccione de forma eficiente e inteligente ante imprevistos. Finalmente, la conectividad, como el Internet de las Cosas (IoT), cierra el ciclo de digitalización al permitir optimizar el diseño y la comercialización del producto para un mayor rendimiento. Esto puede generar una mayor satisfacción y fidelización del cliente si los productos pueden detectar un problema antes de que falle. A medida que los costes de almacenamiento y procesamiento de datos siguen disminuyendo, las posibles aplicaciones de los gemelos digitales también se están expandiendo.

El gemelo digital reviste especial importancia para la industria. Su existencia y uso en los procesos de creación de valor industrial pueden proporcionar a las empresas una ventaja competitiva decisiva. Esto ha sido especialmente cierto desde principios de la década de 2010, cuando el Internet de las Cosas (IdC) permitió la producción de productos de todo tipo controlados digitalmente y conectados en red, junto con servicios integrados.

En la industria, existen gemelos digitales para productos, instalaciones de producción, procesos y servicios, por ejemplo. Pueden incluso existir antes del gemelo físico, como los modelos de diseño de productos futuros. Además, pueden utilizarse para analizar y evaluar datos derivados del uso de los gemelos físicos. Cumplen una amplia variedad de propósitos y funciones.

Su valor particular para la industria reside en la eliminación de prototipos físicos y la capacidad de simular el comportamiento, la funcionalidad y la calidad del gemelo real en todos los aspectos relevantes. Este valor puede aprovecharse en todas las partes de la cadena de valor, a lo largo de todo el ciclo de vida de productos, sistemas y servicios.

Un gemelo digital adopta diversas formas. Por ejemplo, puede basarse en un modelo de comportamiento del desarrollo del sistema, un modelo 3D o un modelo funcional que representa de forma realista y completa las propiedades mecánicas, electrónicas y de otro tipo, así como las características de rendimiento del gemelo real durante un proceso de diseño basado en modelos.

Los distintos gemelos digitales pueden conectarse entre sí y, además, permiten una amplia comunicación e interacción con sus homólogos físicos. Esto también se conoce como un hilo digital que recorre todo el ciclo de vida del producto y puede incluir información adicional relevante para el producto. Una empresa obtiene el máximo beneficio de este hilo digital continuo, que permite la optimización de diversos procesos de creación de valor y la explotación de una amplia gama de modelos de negocio digitales para los productos o servicios ofrecidos.

La ingeniería de producción es solo una de las muchas aplicaciones industriales. Los gemelos digitales mapean los sistemas a lo largo de todo su ciclo de vida (diseño, construcción, operación y reciclaje). Incluso durante la fase de planificación, los ingenieros pueden usar modelos de simulación para optimizar los procesos. Una vez que el sistema está operativo, los mismos modelos de simulación se pueden usar para optimizar aún más los procesos y transformar la producción.

En los sectores del transporte y el almacenamiento, empresas de logística internacional como DHL y UPS desarrollan continuamente nuevas aplicaciones para gemelos digitales, como el seguimiento y la localización o el control inteligente de almacenes e instalaciones portuarias completas. Fabricantes de software como SAP y 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 aplica cada vez más en el control de producción, la logística y las compras. Esto permite vincularlo estrechamente con los métodos y herramientas de la ingeniería de control y la tecnología de automatización.

Los gemelos digitales geográficos se han popularizado en la práctica de la planificación urbana debido al creciente interés en la tecnología digital dentro del movimiento de las ciudades inteligentes. Estos gemelos digitales suelen proponerse como plataformas interactivas para capturar y visualizar 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 (RA), se utilizan como herramientas colaborativas para el diseño y la planificación en el entorno construido, así como para integrar datos de sensores integrados en ciudades y servicios API para crear gemelos digitales. Por ejemplo, la RA permite proyectar mapas, edificios y datos de realidad aumentada en pantallas para que los profesionales de la construcción puedan visualizarlos en colaboración.

En el sector de la construcción, las actividades de planificación, diseño, construcción, operación y mantenimiento se están digitalizando cada vez más, en parte gracias a la introducción de procesos BIM (Modelado de Información de la Construcción), y los gemelos digitales de edificios se consideran una extensión lógica, tanto a nivel de edificios individuales como a nivel nacional. En el Reino Unido, por ejemplo, el Centro para la Construcción Digital de Gran Bretaña publicó los Principios Gemini en noviembre de 2018, que describen los principios para el desarrollo de un "gemelo digital nacional".

Uno de los primeros ejemplos de un "gemelo digital" funcional se implementó en 1996 durante la construcción de las instalaciones del Heathrow Express en la Terminal 1 del Aeropuerto de Heathrow. El consultor Mott MacDonald y el pionero en BIM Jonathan Ingram conectaron sensores de movimiento en la ataguía y los pozos al modelo de objeto digital para mostrar el movimiento dentro del modelo. Se creó un objeto de inyección digital para monitorizar los efectos del bombeo de lechada al suelo y estabilizar los movimientos del mismo.

El sector sanitario se considera una industria en plena transformación gracias a la tecnología de gemelos digitales. El concepto de gemelos digitales en el ámbito sanitario se propuso e implementó inicialmente para el análisis predictivo de productos o dispositivos. Con un gemelo digital, se pueden mejorar las vidas en medicina, deporte y educación mediante la adopción de un enfoque más basado en datos. La disponibilidad de esta tecnología permite crear modelos de pacientes personalizados que se actualizan continuamente en función de los parámetros de salud y estilo de vida recopilados. Esto puede dar lugar a un paciente virtual que describe el estado de salud de una persona en detalle, en lugar de depender únicamente de registros anteriores. Además, el gemelo digital permite comparar los registros de una persona con los de la población para identificar patrones con mayor facilidad y precisión. El mayor beneficio de los gemelos digitales para la atención sanitaria reside en la capacidad de adaptar la atención a las respuestas individuales de cada paciente. Los gemelos digitales no solo permitirán definir con mayor precisión la salud de cada paciente, sino que también cambiarán la percepción de lo que se considera una persona sana. Anteriormente, la "salud" se definía como la ausencia de cualquier signo de enfermedad. Ahora, los pacientes "sanos" pueden compararse con el resto de la población para definir la verdadera salud. Sin embargo, la llegada de los gemelos digitales a la atención médica también conlleva algunos inconvenientes. Los gemelos digitales pueden generar desigualdad, ya que la tecnología podría no ser accesible para todos y podría ampliar la brecha entre ricos y pobres. Además, los gemelos digitales detectarán patrones dentro de una población que podrían dar lugar a discriminación.

El concepto de gemelo digital también está cobrando fuerza en medicina, donde se crea una representación virtual de un paciente para simular procedimientos médicos. Esto permite a los médicos familiarizarse con la situación específica del paciente antes del tratamiento, y en intervenciones quirúrgicas, se pueden prefabricar e insertar con precisión implantes específicos para el paciente (por ejemplo, articulaciones artificiales), lo que resulta en mejores resultados quirúrgicos y una recuperación más rápida.

La industria automotriz se ha visto impulsada por la tecnología de gemelos digitales. Estos se implementan aprovechando los datos existentes para simplificar los procesos y reducir los costos marginales. Actualmente, los ingenieros automotrices están ampliando la materialidad física existente incorporando capacidades digitales basadas en software. Un ejemplo concreto de la tecnología de gemelos digitales en la industria automotriz es que los ingenieros la utilizan en combinación con las herramientas de análisis de la empresa para analizar la conducción de un vehículo en particular. Esto les permite proponer nuevas características para el vehículo que pueden reducir el número de accidentes en carretera, algo que antes era imposible de lograr en tan poco tiempo.

Las tecnologías digitales poseen ciertas características que las distinguen de otras tecnologías. Estas características, a su vez, tienen consecuencias específicas. Los gemelos digitales presentan 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) está dando lugar a numerosas tecnologías nuevas. El desarrollo del IoT también impulsa el desarrollo de la tecnología de gemelos digitales. Esta tecnología comparte muchas características con la naturaleza del IoT, en particular su conectividad. Principalmente, la tecnología permite la conectividad entre el componente físico y su contraparte digital. Esta conexión constituye la base del gemelo digital, sin el cual la tecnología de gemelos digitales no existiría. Como se describió en la sección anterior, esta conectividad se establece mediante sensores en el producto físico que recopilan datos, los integran y los comunican mediante diversas tecnologías de integración. La tecnología de gemelos digitales permite una mejor conectividad entre empresas, productos y clientes. Por ejemplo, la conectividad entre los socios de una cadena de suministro puede aumentarse al permitirles consultar el gemelo digital de un producto o activo. Estos socios pueden verificar el estado de ese producto simplemente accediendo al gemelo digital.

También se puede incrementar la conectividad con los clientes.

La servitización se refiere al proceso mediante el cual las empresas añaden valor a su oferta principal mediante servicios. En el caso de los motores, la fabricación de estos constituye la oferta principal de la organización, que a su vez aporta valor añadido al ofrecer un servicio de inspección y mantenimiento de motores.

Servitización

La servitización es una innovación en el modelo de negocio relevante para las empresas manufactureras, que se refiere a la transformación de su cartera de productos actual, pasando de los bienes exclusivamente tangibles a una combinación de bienes y servicios. Por lo tanto, refleja la tendencia económica general hacia una sociedad basada en los servicios a nivel empresarial.

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

Homogeneización

Los gemelos digitales pueden caracterizarse como una tecnología digital que es a la vez consecuencia y facilitador de la homogeneización de datos. Dado que cualquier tipo de información o contenido ahora puede almacenarse y transmitirse en el mismo formato digital, se puede crear una representación virtual del producto (en forma de gemelo digital), desvinculando así la información de su forma física. La homogeneización de los datos y la desvinculación de la información de su artefacto físico han permitido el surgimiento de los gemelos digitales. Los gemelos digitales también permiten almacenar digitalmente cantidades cada vez mayores de información sobre productos físicos y desvincularla del producto en sí.

A medida que los datos se digitalizan cada vez más, pueden transferirse, almacenarse y procesarse de forma rápida y rentable. Según la Ley de Moore, la potencia de cálculo seguirá aumentando exponencialmente en los próximos años, mientras que el coste del procesamiento de datos disminuirá significativamente. Esto, por lo tanto, reduciría los costes marginales para el desarrollo de gemelos digitales y haría que fuera comparativamente mucho más económico probar, predecir y resolver problemas mediante representaciones virtuales, en lugar de probarlos en modelos físicos y esperar a que los productos físicos fallen antes de actuar.

Otra consecuencia de la homogeneización y la disociación de la información es la convergencia de la experiencia del usuario. A medida que se digitaliza la información de los objetos físicos, un solo artefacto puede ofrecer multitud de nuevas posibilidades. La tecnología de gemelos digitales permite compartir información detallada sobre un objeto físico con un mayor número de agentes, independientemente de la ubicación o el tiempo. En su informe técnico sobre la tecnología de gemelos digitales en la industria manufacturera, Michael Grieves señala lo siguiente respecto a las consecuencias de la homogeneización que permiten los gemelos digitales:

Antes, los gerentes de fábrica tenían sus oficinas con vistas a la fábrica, lo que les permitía comprender lo que sucedía en el taller. Con el gemelo digital, no solo el gerente de fábrica, sino todos los involucrados en la producción pueden tener la misma ventana virtual no solo a una 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 puede reprogramarse automáticamente mediante sensores en el producto físico, tecnologías de inteligencia artificial y análisis predictivo. Una consecuencia de esta reprogramabilidad es la aparición de nuevas funcionalidades. Tomando de nuevo el ejemplo de un motor, los gemelos digitales pueden utilizarse para recopilar datos sobre su rendimiento y, si es necesario, ajustarlo y crear una versión más reciente del producto. La servitación también puede considerarse una consecuencia de la reprogramabilidad. Los fabricantes pueden encargarse de supervisar el gemelo digital, realizar ajustes o reprogramarlo según sea necesario, y pueden ofrecer esto como un servicio adicional.

Rastros digitales

Otra característica es que las tecnologías de gemelos digitales dejan rastros digitales. Estos rastros pueden ser utilizados por los ingenieros, por ejemplo, para revisar el historial del gemelo digital en caso de un fallo en una máquina y diagnosticar su origen. En el futuro, estos diagnósticos también podrán ser utilizados por los fabricantes de estas máquinas para mejorar sus diseños, reduciendo así la frecuencia de los mismos fallos.

Modularidad

En el contexto de la industria manufacturera, la modularidad se puede describir como el diseño y la adaptación de productos y módulos de producción. Al incorporar modularidad a los modelos de fabricación, los fabricantes pueden 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. Con máquinas modulares, los fabricantes pueden usar la tecnología de gemelos digitales para identificar qué componentes afectan el rendimiento de la máquina y reemplazarlos por componentes más adecuados para optimizar el proceso de fabricación.