Digital Twin – Digital Twin : visualisation 3D et gestion numérique de la supply chain

Digital Thread est défini comme « l’utilisation d’outils et de représentations numériques pour la conception, l’évaluation et la gestion du cycle de vie ».

Le terme « fil numérique » a été utilisé pour la première fois dans le rapport du groupe de travail sur la vision mondiale de la science et de la technologie de l’USAF « Global Horizons 2013 ».

Le terme fil numérique a été affiné par Singh et Willcox du MIT en 2018 dans leur article intitulé Engineering with a Digital Thread. Dans cet article universitaire, le terme Digital Thread est défini comme « une architecture basée sur les données qui connecte les informations de l'ensemble du cycle de vie du produit et est destinée à être la plate-forme de données et de communication principale ou faisant autorité pour les produits d'une entreprise à tout moment. »

Dans un sens plus étroit, le fil numérique est également utilisé pour désigner le niveau le plus bas de conception et de spécification d'une représentation numérique d'un objet physique. Le fil numérique est une capacité essentielle dans l’ingénierie des systèmes basée sur des modèles (MBSE) et la base d’un jumeau numérique.

Le terme Digital Thread est également utilisé pour décrire la traçabilité du jumeau numérique jusqu’aux exigences, pièces et systèmes de contrôle qui composent l’objet physique.

Smart Factory – Utilisation de concepts pertinents pour l'entreprise en Allemagne – Image : Xpert.Digital

Le graphique montre les résultats d'une enquête menée en 2017 auprès des directeurs généraux d'entreprises industrielles allemandes sur les technologies utilisées dans les usines intelligentes d'aujourd'hui et de demain. 23 % des personnes interrogées ont déclaré utiliser actuellement le jumeau numérique du produit dans leur usine intelligente. 43 % ont déclaré qu'ils prévoyaient d'utiliser le jumeau numérique des produits à l'avenir.

Cela vaut également pour la logistique interne autonome : 17 % déclarent y recourir actuellement (2017). 35 % prévoient de le mettre en œuvre d’ici 2022.

Utilisation dans cinq ans (2022)

• Optimisation des ressources basées sur les données – 77 %
• Planification intégrée – 61%
• Optimisation des processus et de la qualité basés sur le Big Data – 65 %
• Systèmes de production modulaires / actifs de production modulaires – 36 %
• Usine en réseau / Usine connectée – 60%
• Maintenance prédictive – 66%
• Visualisation/automatisation des processus / Visualisation/automatisation des processus – 62 %
• Jumeau numérique du produit / Jumeau numérique du produit – 43%
• Jumeau numérique de l'usine / Jumeau numérique de l'usine – 44%
• Jumeau numérique de l’usine de production / Jumeau numérique de l’actif de production – 39%
• Méthodes de production flexibles / Méthodes de production flexibles – 34%
• Logistique autonome intra-usine / Logistique autonome intra-usine – 35%
• Transfert des paramètres de production – 32%
• Usine numérique entièrement autonome – 11%

Utilisation aujourd'hui (2017)

• Optimisation des ressources basées sur les données – 52 %
• Planification intégrée – 32%
• Optimisation des processus et de la qualité basés sur le Big Data – 30 %
• Systèmes de production modulaires / actifs de production modulaires – 29 %
• Usine en réseau / Usine connectée – 29%
• Maintenance prédictive – 28%
• Visualisation/automatisation des processus / Visualisation/automatisation des processus – 28 %
• Jumeau numérique du produit / Jumeau numérique du produit – 23%
• Jumeau numérique de l'usine / Jumeau numérique de l'usine – 19%
• Jumeau numérique de l’usine de production / Jumeau numérique de l’actif de production – 18%
• Méthodes de production flexibles / Méthodes de production flexibles – 18%
• Logistique autonome intra-usine / Logistique autonome intra-usine – 17%
• Transfert des paramètres de production – 16%
• Usine numérique entièrement autonome – 5%

Des directeurs généraux d'entreprises industrielles allemandes ont été interrogés. Cette question a été posée dans l'enquête comme suit : « Dans quelle mesure les concepts suivants sont-ils pertinents pour votre entreprise ? La source ne fournit aucune information sur le type d’enquête ni sur les points au-delà de 100 pour cent.

Un exemple de la façon dont les jumeaux numériques sont utilisés pour optimiser les machines est la maintenance des équipements de production d’électricité tels que les turbines, les moteurs à réaction et les locomotives.

Un autre exemple de jumeaux numériques est l’utilisation de modèles 3D pour créer des compagnons numériques pour des objets physiques. Cela permet d'afficher l'état de l'objet physique réel, offrant ainsi un moyen de projeter des objets physiques dans le monde numérique. Par exemple, lorsque les capteurs collectent des données à partir d’un appareil connecté, les données du capteur peuvent être utilisées pour mettre à jour une copie de l’état de l’appareil en temps réel en tant que « jumeau numérique ». Le terme « device shadow » est également utilisé pour désigner le concept de jumeau numérique. Le jumeau numérique est destiné à être une copie actuelle et précise des propriétés et des états de l'objet physique, notamment sa forme, sa position, ses gestes, son statut et son mouvement.

Un jumeau numérique peut également être utilisé pour la surveillance, le diagnostic et la prévision afin d'optimiser les performances et l'utilisation des actifs. Dans ce domaine, les données sensorielles peuvent être combinées avec des données historiques, l’expertise humaine et l’apprentissage de la flotte et de la simulation pour améliorer les résultats des prévisions. Par conséquent, les plates-formes complexes de prévision et de maintenance intelligente peuvent tirer parti des jumeaux numériques pour trouver la cause profonde des problèmes et améliorer la productivité.

Des jumeaux numériques de véhicules autonomes et leurs capteurs intégrés dans la simulation du trafic et de l'environnement ont également été proposés comme moyen de surmonter les défis importants liés au développement, aux tests et à la validation d'applications dans l'industrie automobile, en particulier lorsque les algorithmes correspondants s'appuient sur des approches basées sur des simulations artificielles. intelligence, qui nécessite une formation approfondie et des ensembles de données de validation.

Les objets physiques de fabrication sont virtualisés et représentés sous forme de modèles de jumeaux numériques (avatars) qui sont transparents et étroitement intégrés à la fois dans l'espace physique et dans le cyberespace. Les objets physiques et les modèles jumeaux interagissent de manière mutuellement bénéfique.

Dynamique au niveau de l'industrie

Le jumeau numérique modifie l'ensemble de la gestion du cycle de vie des produits (PLM), de la conception à la fabrication en passant par le service et les opérations. De nos jours, le PLM prend beaucoup de temps en termes d'efficacité, de fabrication, d'intelligence, de phases de service et de durabilité dans la conception des produits. Un jumeau numérique peut réunir l’espace physique et virtuel du produit. Le jumeau numérique permet aux entreprises de créer une empreinte numérique de tous leurs produits, de la conception au développement et tout au long du cycle de vie du produit. En général, les industries manufacturières sont gravement touchées par les jumeaux numériques. Dans le processus de fabrication, le jumeau numérique est une réplique virtuelle des processus en temps réel de l’usine. Des milliers de capteurs sont placés tout au long du processus de fabrication physique, tous collectant des données de différentes dimensions, telles que : B. Conditions environnementales, caractéristiques comportementales de la machine et travaux effectués. Toutes ces données sont transmises et collectées en continu par le jumeau numérique. Grâce à l’Internet des objets, les jumeaux numériques sont devenus plus abordables et pourraient déterminer l’avenir du secteur manufacturier. Un avantage pour les ingénieurs réside dans l’utilisation réelle de produits conçus virtuellement par le jumeau numérique. Des méthodes avancées de maintenance et de gestion des produits et des actifs sont à portée de main grâce à un jumeau numérique de la « chose » réelle doté de capacités en temps réel.

Les jumeaux numériques offrent un grand potentiel commercial car ils prédisent l’avenir au lieu d’analyser le passé du processus de fabrication . La représentation de la réalité créée par les jumeaux numériques permet aux industriels d’évoluer vers des pratiques commerciales ex-ante. L’avenir de l’industrie manufacturière repose sur les 6 aspects suivants :

• l'évolutivité,
• la modularité,
• la flexibilité
• Autonomie,
• Connectivité
• et jumeau numérique.

Avec la numérisation croissante des différentes phases d'un processus de fabrication, des opportunités s'ouvrent pour atteindre une productivité plus élevée. Cela commence par la modularité et conduit à une plus grande efficacité du système de production. De plus, l’autonomie permet au système de production de répondre efficacement et intelligemment aux événements inattendus. Enfin, la connectivité, à l’instar de l’Internet des objets, permet de boucler la boucle de la digitalisation en permettant d’optimiser le cycle suivant de conception et de promotion des produits pour de plus grandes performances. Cela peut conduire à une plus grande satisfaction et fidélité des clients lorsque les produits peuvent détecter un problème avant qu’il ne tombe en panne. À mesure que les coûts de stockage et de traitement des données continuent de diminuer, les utilisations possibles des jumeaux numériques se développent également.

Le jumeau numérique est particulièrement important pour l’industrie. Son existence et son utilisation dans les processus de création de valeur industrielle peuvent constituer un avantage compétitif décisif pour les entreprises. Cela est particulièrement vrai depuis le début des années 2010, puisque l’Internet des objets a permis de réaliser toutes sortes de produits contrôlés numériquement et en réseau avec des services intégrés.

Dans l’industrie, il existe des jumeaux numériques pour les produits, les systèmes de production, les processus et les services, par exemple. Ils peuvent également exister avant le vrai jumeau, par exemple en tant que modèles de conception de futurs produits. Et ils peuvent être utilisés pour analyser et évaluer les données issues de l’utilisation de vrais jumeaux. Ils ont une grande variété d’objectifs et de fonctions.

Leur valeur particulière pour l'industrie réside dans la sauvegarde de prototypes physiques et dans la possibilité de simuler le comportement, la fonctionnalité et la qualité du vrai jumeau sous tous les aspects pertinents. Cette valeur peut être utilisée pour toutes les parties de la création de valeur sur tout le cycle de vie des produits, systèmes et services.

Un jumeau numérique prend diverses formes. Par exemple, il peut être basé sur un modèle comportemental de développement du système, un modèle 3D ou un modèle fonctionnel qui décrit les propriétés mécaniques, électroniques et autres ainsi que les caractéristiques de performance du jumeau réel de manière aussi réaliste et complète que possible au cours d'un modèle. conception basée.

Les différents jumeaux numériques peuvent être reliés entre eux et permettent également une communication et une interaction étendues avec les vrais jumeaux. C'est ce qu'on appelle également un fil numérique, qui parcourt tout le cycle de vie du produit et peut inclure d'autres informations pertinentes sur le produit. Une entreprise bénéficie le plus d’un tel fil numérique cohérent, qui permet l’optimisation des différents processus de création de valeur et l’exploitation d’un large éventail de modèles commerciaux numériques pour les produits ou services proposés.

La technologie de production n’est qu’un domaine d’application industriel parmi de nombreux. Les jumeaux numériques cartographient les systèmes tout au long de leur cycle de vie (conception, création, exploitation et recyclage). Même pendant la planification, les ingénieurs peuvent utiliser des modèles de simulation pour optimiser les processus. Une fois le système opérationnel, les mêmes modèles de simulation peuvent être utilisés pour optimiser davantage les processus et transformer la production.

Dans le domaine du transport et de l'entreposage, les entreprises de logistique internationales telles que DHL et UPS développent constamment de nouvelles applications pour le jumeau numérique telles que le suivi et la traçabilité ou le contrôle intelligent d'entrepôts et d'installations portuaires entières. Les fabricants de logiciels tels que SAP ou Oracle étendent leurs systèmes ERP et proposent de nouvelles solutions informatiques sous forme de chaînes d'approvisionnement numériques pour la gestion de la chaîne d'approvisionnement.

Le concept de jumeau numérique est de plus en plus utilisé dans le contrôle de production, la logistique et les achats. Cela signifie que ce concept peut être étroitement lié aux méthodes et moyens de la technologie de contrôle et de l'ingénierie de régulation.

Les jumeaux numériques géographiques sont devenus populaires dans la pratique de l’urbanisme en raison de l’intérêt croissant porté à la technologie numérique dans le mouvement des villes intelligentes. Ces jumeaux numériques sont souvent proposés sous forme de plateformes interactives permettant de capturer et d'afficher en temps réel des données spatiales 3D et 4D pour modéliser les environnements urbains (villes) et les données qu'ils contiennent.

Les technologies de visualisation telles que les systèmes de réalité augmentée (RA) sont utilisées à la fois comme outils collaboratifs pour la conception et la planification dans l'environnement bâti et pour intégrer les flux de données provenant de capteurs intégrés dans les villes et de services API pour former des jumeaux numériques. Par exemple, la RA permet de projeter des cartes, des bâtiments et des données en réalité augmentée sur des tables pour une visualisation collaborative par les professionnels du secteur de la construction.

Dans le secteur de la construction, les activités de planification, de conception, de construction, d'exploitation et de maintenance sont de plus en plus numérisées - notamment grâce à l'introduction des processus BIM (Building Information Modeling) - et les jumeaux numériques des bâtiments sont considérés comme une extension logique - tant au niveau de bâtiments individuels ainsi qu'au niveau national. Au Royaume-Uni, par exemple, le Center for Digital Built Britain a publié en novembre 2018 les principes Gemini, qui définissent les principes du développement d’un « jumeau numérique national ».

L'un des premiers exemples de « jumeau numérique » fonctionnel a été réalisé en 1996 lors de la construction des installations du Heathrow Express au terminal 1 de l'aéroport d'Heathrow. Le consultant Mott MacDonald et le pionnier du BIM Jonathan Ingram ont connecté des capteurs de mouvement dans le batardeau et les forages au modèle d'objet numérique pour afficher le mouvement dans le modèle. Un objet d'injection numérique a été créé pour surveiller les effets du pompage de mortier dans la terre afin de stabiliser les mouvements du sol.

La santé est considérée comme une industrie en train d’être transformée par la technologie des jumeaux numériques. Le concept de jumeau numérique dans le secteur de la santé a été initialement proposé et utilisé pour la première fois pour la prévision de produits ou d'appareils. Un jumeau numérique peut améliorer la vie dans les domaines de la médecine, du sport et de l’éducation en adoptant une approche des soins de santé davantage axée sur les données. La disponibilité des technologies permet de créer des modèles personnalisés pour les patients qui peuvent être ajustés en continu en fonction des paramètres de santé et de mode de vie enregistrés. Cela peut finalement aboutir à un patient virtuel qui détaille l'état de santé d'un patient individuel et ne s'appuie pas uniquement sur des dossiers antérieurs. De plus, le jumeau numérique permet de comparer les enregistrements de l'individu avec la population pour trouver plus facilement des modèles avec un niveau de détail élevé. Le plus grand avantage du jumeau numérique pour les soins de santé réside dans le fait que les soins de santé peuvent être adaptés aux réponses individuelles des patients. Les jumeaux numériques permettront non seulement d’obtenir de meilleures résolutions dans la définition de la santé d’un patient individuel, mais modifieront également l’image attendue d’un patient en bonne santé. Autrefois, « en bonne santé » était considéré comme l'absence de signes de maladie. Désormais, les patients « en bonne santé » peuvent être comparés au reste de la population pour définir une personne réellement en bonne santé . Cependant, l’émergence du jumeau numérique dans le domaine de la santé présente également certains inconvénients. Le jumeau numérique peut conduire à des inégalités dans la mesure où la technologie n’est peut-être pas accessible à tous, creusant ainsi l’écart entre riches et pauvres. De plus, le jumeau numérique identifiera les modèles au sein d’une population qui peuvent conduire à la discrimination.

L’idée du jumeau numérique se répand également de plus en plus en médecine, en créant une image virtuelle d’un patient pour simuler des applications médicales. De cette manière, le médecin peut gérer la situation spécifique de chaque patient avant le traitement et, pendant les opérations chirurgicales, des inserts spécifiques au patient (par exemple des articulations artificielles) peuvent être préfabriqués et insérés avec précision, ce qui permet un résultat chirurgical amélioré et un déroulement plus rapide. processus de récupération.

L’industrie automobile a été améliorée grâce à la technologie des jumeaux numériques. Les jumeaux numériques dans l'industrie automobile sont mis en œuvre en exploitant les données existantes pour simplifier les processus et réduire les coûts marginaux. Actuellement, les concepteurs automobiles élargissent la matérialité physique existante en intégrant des capacités numériques logicielles. Un exemple concret de technologie de jumeau numérique dans l'industrie automobile est que les ingénieurs automobiles utilisent la technologie de jumeau numérique en combinaison avec l'outil d'analyse de l'entreprise pour analyser la façon dont une voiture particulière est conduite. De cette façon, ils peuvent proposer d'incorporer de nouvelles fonctionnalités dans la voiture qui peuvent réduire le nombre d'accidents sur les routes, ce qui n'était pas possible auparavant en si peu de temps.

Les technologies numériques présentent certaines caractéristiques qui les distinguent des autres technologies. Ces caractéristiques ont à leur tour certaines conséquences. Les jumeaux numériques présentent les caractéristiques suivantes.

Connectivité

L’une des caractéristiques clés de la technologie des jumeaux numériques est sa connectivité. Le développement récent de l’Internet des objets (IoT) entraîne de nombreuses nouvelles technologies. Le développement de l’IoT fait également progresser le développement de la technologie des jumeaux numériques. Cette technologie présente de nombreuses caractéristiques cohérentes avec le caractère de l’IoT, notamment son caractère connectif. Avant tout, la technologie permet la connectivité entre le composant physique et son homologue numérique. Le fondement du jumeau numérique repose sur cette connexion, sans laquelle la technologie du jumeau numérique n’existerait pas. Comme décrit dans la section précédente, cette connectivité est obtenue grâce à des capteurs sur le produit physique qui collectent des données et intègrent et communiquent ces données via diverses technologies d'intégration. La technologie des jumeaux numériques permet une connectivité accrue entre les entreprises, les produits et les clients. Par exemple, la connectivité entre les partenaires d'une chaîne d'approvisionnement peut être améliorée en permettant aux membres de cette chaîne d'approvisionnement de vérifier le jumeau numérique d'un produit ou d'un actif. Ces partenaires peuvent alors vérifier l’état de ce produit en contrôlant simplement le jumeau numérique.

La connectivité avec les clients peut également être augmentée.

La servitisation est le processus par lequel les entreprises ajoutent de la valeur à leur offre principale via des services. Dans le cas de l'exemple du moteur, la fabrication du moteur constitue l'offre principale de cette organisation, qui ajoute ensuite de la valeur en fournissant un service d'inspection et de maintenance du moteur.

Servitisation

La servitisation est une innovation de modèle commercial qui est pertinente pour les entreprises manufacturières et fait référence au changement dans le portefeuille d'offres précédent, passant des seuls biens matériels à une combinaison de biens matériels et de services. Elle reflète ainsi la tendance économique globale vers une société de services au niveau de l'entreprise.

Des exemples de servitisation existent depuis plus de 100 ans. Cependant, le sujet est devenu rapidement plus important au cours des 20 dernières années car, en raison de la mondialisation, les entreprises des pays à salaires élevés comme l'Allemagne y voient un moyen de se protéger contre la concurrence des pays à bas salaires. En science, la servitisation s'est imposée comme un sujet de recherche indépendant grâce à un article spécialisé de Sandra Vandermerwe et Juan Rada.

Homogénéisation

Les jumeaux numériques peuvent être caractérisés comme une technologie numérique qui est à la fois la conséquence et le catalyseur de l’homogénéisation des données. Puisque tout type d’information ou de contenu peut désormais être stocké et transmis sous la même forme numérique, il est possible de créer une représentation virtuelle du produit (sous la forme d’un jumeau numérique), découplant ainsi l’information de sa forme physique. L'homogénéisation des données et le découplage de l'information de son artefact physique ont permis la création de jumeaux numériques. Les jumeaux numériques permettent également de stocker numériquement de plus en plus d’informations sur les produits physiques et de les dissocier du produit lui-même.

À mesure que les données sont de plus en plus numérisées, elles peuvent être transférées, stockées et calculées rapidement et à moindre coût. Selon la loi de Moore, la puissance de calcul va continuer à augmenter de façon exponentielle au cours des prochaines années, tandis que les coûts de traitement des données vont diminuer considérablement. Cela entraînerait donc une baisse des coûts marginaux de développement de jumeaux numériques et rendrait comparativement beaucoup moins coûteux le test, la prévision et la résolution de problèmes à l'aide de représentations virtuelles plutôt que de les tester sur des modèles physiques et d'attendre que les produits physiques se cassent avant de tenter d'intervenir.

Une autre conséquence de l’homogénéisation et du découplage des informations est la convergence de l’expérience utilisateur. À mesure que les informations provenant d’objets physiques sont numérisées, un seul artefact peut offrir toute une série de nouvelles possibilités. La technologie des jumeaux numériques permet de partager des informations détaillées sur un objet physique avec un plus grand nombre d’agents, quel que soit le lieu ou l’heure. Dans son livre blanc sur la technologie des jumeaux numériques dans le secteur manufacturier, Michael Grieves déclare ce qui suit à propos des conséquences de l'homogénéisation permise par les jumeaux numériques :

Dans le passé, les directeurs d'usine avaient leur bureau surplombant l'usine afin de pouvoir avoir une idée de ce qui se passait dans l'usine. Avec le jumeau numérique, non seulement le directeur de l'usine, mais aussi toutes les personnes impliquées dans la production en usine peuvent avoir la même fenêtre virtuelle non seulement sur une seule usine, mais sur toutes les usines du monde.

Reprogrammable et intelligent

Comme évoqué précédemment, un jumeau numérique permet de reprogrammer un produit physique d’une manière spécifique. De plus, le jumeau numérique peut également être reprogrammé de manière automatique. À l’aide de capteurs sur le produit physique, de technologies d’intelligence artificielle et d’analyses prédictives. Une conséquence de cette reprogrammabilité est l’émergence de fonctionnalités. En reprenant l'exemple d'un moteur, les jumeaux numériques peuvent être utilisés pour collecter des données sur les performances du moteur et, si nécessaire, ajuster le moteur et créer une version plus récente du produit. La servitisation peut également être considérée comme une conséquence de la reprogrammabilité. Les fabricants peuvent être chargés de surveiller le jumeau numérique, d'effectuer des ajustements ou de reprogrammer le jumeau numérique si nécessaire, et ils peuvent proposer cela comme service supplémentaire.

Traces numériques

Une autre particularité est le fait que les technologies de jumeaux numériques laissent des traces numériques. Ces traces peuvent être utilisées par les ingénieurs, par exemple. Par exemple, en cas de dysfonctionnement de la machine, vérifier les traces du jumeau numérique pour diagnostiquer où le problème s'est produit. Ces diagnostics pourront également être utilisés à l'avenir par les fabricants de ces machines pour améliorer leurs conceptions afin que les mêmes dysfonctionnements se reproduisent moins fréquemment à l'avenir.

Modularité

Dans le domaine manufacturier, la modularité peut être décrite comme la conception et la personnalisation de produits et de modules de production. L'ajout de modularité aux modèles de fabrication donne aux fabricants la possibilité d'optimiser les modèles et les machines. La technologie du jumeau numérique permet aux fabricants de suivre les machines utilisées et d’identifier les domaines d’amélioration possibles des machines. Lorsque ces machines sont modulaires, les fabricants peuvent utiliser la technologie du jumeau numérique pour identifier les composants qui affectent les performances de la machine et les remplacer par des composants mieux adaptés afin d'améliorer le processus de fabrication.