Digital Twin – Digital Twin: visualizzazione 3D e gestione della supply chain digitale

Il Digital Thread è definito come “l’uso di strumenti e rappresentazioni digitali per la progettazione, la valutazione e la gestione del ciclo di vita”.

Il termine “thread digitale” è stato utilizzato per la prima volta nel rapporto “Global Horizons 2013” ​​della Global Science and Technology Vision Task Force dell’USAF.

Il termine thread digitale è stato ulteriormente perfezionato da Singh e Willcox al MIT nel 2018 nel loro articolo intitolato Engineering with a Digital Thread. In questo documento accademico, il termine Digital Thread è definito come "un'architettura basata sui dati che collega le informazioni dell'intero ciclo di vita del prodotto ed è intesa come la piattaforma di dati e comunicazioni primaria o autorevole per i prodotti di un'azienda in qualsiasi momento".

In senso più stretto, il Digital Thread viene utilizzato anche per riferirsi al livello più basso di progettazione e specifica per una rappresentazione digitale di un articolo fisico. Il thread digitale è una capacità critica nell'ingegneria dei sistemi basati su modelli (MBSE) e la base per un gemello digitale.

Il termine Digital Thread viene utilizzato anche per descrivere la tracciabilità del gemello digitale rispetto ai requisiti, alle parti e ai sistemi di controllo che compongono l'oggetto fisico.

Smart Factory – Utilizzo di concetti aziendali rilevanti in Germania – Immagine: Xpert.Digital

Il grafico mostra i risultati di un sondaggio condotto nel 2017 tra gli amministratori delegati di aziende industriali tedesche sulle tecnologie utilizzate nelle fabbriche intelligenti oggi e in futuro. Il 23% degli intervistati ha dichiarato di utilizzare attualmente il gemello digitale del prodotto nella propria fabbrica intelligente. Il 43% ha dichiarato di voler utilizzare in futuro il gemello digitale dei prodotti.

Ciò vale anche per la logistica interna autonoma: il 17% ha dichiarato di utilizzarla attualmente (2017). Il 35% prevede di attuarlo entro il 2022.

Utilizzo tra cinque anni (2022)

• Ottimizzazione delle risorse basata sui dati – 77%
• Pianificazione integrata – 61%
• Processi guidati dai big data e ottimizzazione della qualità – 65%
• Sistemi di produzione modulari/asset produttivi modulari – 36%
• Fabbrica connessa/Fabbrica connessa – 60%
• Manutenzione predittiva – 66%
• Visualizzazione/automazione dei processi/Visualizzazione/automazione dei processi – 62%
• Gemello digitale del prodotto / Gemello digitale del prodotto – 43%
• Gemello digitale della fabbrica / Gemello digitale della fabbrica – 44%
• Gemello digitale dello stabilimento produttivo / Gemello digitale dell’asset produttivo – 39%
• Metodi di produzione flessibili / Metodi di produzione flessibili – 34%
• Logistica intra-stabilimento autonoma / Logistica intra-stabilimento autonoma – 35%
• Trasferimento dei parametri di produzione – 32%
• Fabbrica digitale completamente autonoma – 11%

Utilizzo oggi (2017)

• Ottimizzazione delle risorse basata sui dati – 52%
• Pianificazione integrata – 32%
• Processi guidati dai big data e ottimizzazione della qualità – 30%
• Sistemi di produzione modulari/asset produttivi modulari – 29%
• Fabbrica connessa/Fabbrica connessa – 29%
• Manutenzione predittiva – 28%
• Visualizzazione/automazione dei processi/Visualizzazione/automazione dei processi – 28%
• Gemello digitale del prodotto / Gemello digitale del prodotto – 23%
• Gemello digitale della fabbrica / Gemello digitale della fabbrica – 19%
• Gemello digitale dello stabilimento produttivo / Gemello digitale dell’asset produttivo – 18%
• Metodi di produzione flessibili / Metodi di produzione flessibili – 18%
• Logistica intra-stabilimento autonoma / Logistica intra-stabilimento autonoma – 17%
• Trasferimento dei parametri di produzione – 16%
• Fabbrica digitale completamente autonoma – 5%

Sono stati intervistati gli amministratori delegati di aziende industriali tedesche. La domanda è stata posta nel sondaggio come segue: "Quanto sono rilevanti i seguenti concetti per la tua azienda?" La fonte non fornisce alcuna informazione sul tipo di sondaggio o punti oltre il 100%.

Un esempio di come i gemelli digitali vengono utilizzati per ottimizzare le macchine è la manutenzione delle apparecchiature di generazione di energia come turbine, motori a reazione e locomotive.

Un altro esempio di gemelli digitali è l’uso di modelli 3D per creare compagni digitali per oggetti fisici. Ciò consente di visualizzare lo stato dell'oggetto fisico reale, fornendo un modo per proiettare gli oggetti fisici nel mondo digitale. Ad esempio, quando i sensori raccolgono dati da un dispositivo connesso, i dati del sensore possono essere utilizzati per aggiornare una copia dello stato del dispositivo in tempo reale come “gemello digitale”. Il termine “device shadow” viene utilizzato anche per il concetto di gemello digitale. Il gemello digitale vuole essere una copia attuale e accurata delle proprietà e degli stati dell'oggetto fisico, inclusi forma, posizione, gesti, stato e movimento.

Un gemello digitale può essere utilizzato anche per il monitoraggio, la diagnostica e la previsione per ottimizzare le prestazioni e l'utilizzo delle risorse. In quest’area, i dati sensoriali possono essere combinati con dati storici, competenze umane e apprendimento della flotta e della simulazione per migliorare i risultati delle previsioni. Pertanto, piattaforme di previsione complesse e di manutenzione intelligente possono sfruttare i gemelli digitali per trovare la causa principale dei problemi e migliorare la produttività.

I gemelli digitali dei veicoli autonomi e i loro sensori integrati nella simulazione del traffico e dell'ambiente sono stati proposti anche come mezzo per superare le sfide significative nello sviluppo, nel test e nella convalida delle applicazioni nell'industria automobilistica, in particolare quando gli algoritmi corrispondenti si basano su approcci basati su metodi artificiali. intelligence, che richiede una formazione approfondita e set di dati di convalida.

Gli oggetti fisici di produzione sono virtualizzati e rappresentati come modelli di gemelli digitali (avatar) che sono perfettamente integrati e strettamente integrati sia nello spazio fisico che nel cyberspazio. Oggetti fisici e modelli gemelli interagiscono in modo reciprocamente vantaggioso.

Dinamiche a livello di settore

Il gemello digitale sta cambiando l’intera gestione del ciclo di vita del prodotto (PLM), dalla progettazione alla produzione, fino all’assistenza e alle operazioni. Al giorno d’oggi il PLM richiede molto tempo in termini di efficienza, produzione, intelligenza, fasi di servizio e sostenibilità nella progettazione del prodotto. Un gemello digitale può riunire lo spazio fisico e virtuale del prodotto. Il gemello digitale consente alle aziende di creare un'impronta digitale di tutti i loro prodotti, dalla progettazione allo sviluppo e durante l'intero ciclo di vita del prodotto. In generale, le industrie che operano nel settore manifatturiero sono gravemente colpite dai gemelli digitali. Nel processo di produzione, il gemello digitale è una replica virtuale dei processi in tempo reale in fabbrica. Migliaia di sensori vengono posizionati durante tutto il processo di produzione fisica, tutti raccolgono dati da diverse dimensioni, come: B. Condizioni ambientali, caratteristiche comportamentali della macchina e lavoro svolto. Tutti questi dati vengono continuamente trasmessi e raccolti dal gemello digitale. Grazie all’Internet delle cose, i gemelli digitali sono diventati più accessibili e potrebbero determinare il futuro della produzione. Un vantaggio per gli ingegneri risiede nell’uso reale dei prodotti progettati virtualmente dal gemello digitale. Metodi avanzati di manutenzione e gestione di prodotti e risorse sono a portata di mano con un gemello digitale della “cosa” reale con funzionalità in tempo reale.

I gemelli digitali offrono un grande potenziale di business perché prevedono il futuro invece di analizzare il passato del processo di produzione . La rappresentazione della realtà creata dai gemelli digitali consente ai produttori di evolversi verso pratiche commerciali ex-ante. Il futuro della produzione si basa sui seguenti 6 aspetti:

• scalabilità,
• modularità,
• flessibilità
• Autonomia,
• Connettività
• e gemello digitale.

Con la crescente digitalizzazione delle singole fasi di un processo di produzione si aprono opportunità per raggiungere una maggiore produttività. Ciò parte dalla modularità e porta ad una maggiore efficacia del sistema produttivo. Inoltre, l’autonomia consente al sistema produttivo di rispondere in modo efficiente e intelligente agli eventi imprevisti. Infine, la connettività, come l’Internet delle cose, consente di chiudere il ciclo della digitalizzazione consentendo di ottimizzare il ciclo successivo di progettazione e promozione del prodotto per ottenere maggiori prestazioni. Ciò può portare a una maggiore soddisfazione e fedeltà del cliente quando i prodotti sono in grado di rilevare un problema prima che si guasti effettivamente. Poiché i costi di archiviazione ed elaborazione dei dati continuano a diminuire, si stanno espandendo anche i possibili usi dei gemelli digitali.

Il gemello digitale è particolarmente importante per l’industria. La sua esistenza e il suo utilizzo nei processi di creazione di valore industriale possono rappresentare un vantaggio competitivo decisivo per le aziende. Ciò è particolarmente vero dall’inizio degli anni 2010, da quando l’Internet delle cose ha reso possibile la produzione di tutti i tipi di prodotti controllati digitalmente e collegati in rete con servizi integrati.

Nell’industria esistono gemelli digitali, ad esempio, per prodotti, sistemi di produzione, processi e servizi. Possono anche esistere prima del vero gemello, ad esempio come modelli di progettazione di prodotti futuri. E possono essere utilizzati per analizzare e valutare i dati derivanti dall'utilizzo dei veri gemelli. Hanno un'ampia varietà di scopi e funzioni.

Il loro particolare valore per l'industria deriva dal salvataggio di prototipi fisici e dalla possibilità di simulare il comportamento, la funzionalità e la qualità del vero gemello sotto ogni aspetto rilevante. Questo valore può essere utilizzato per tutte le fasi della creazione di valore durante l'intero ciclo di vita di prodotti, sistemi e servizi.

Un gemello digitale assume diverse forme. Ad esempio, può basarsi su un modello comportamentale di sviluppo del sistema, un modello 3D o un modello funzionale che descrive le proprietà meccaniche, elettroniche e di altro tipo e le caratteristiche prestazionali del gemello reale nel modo più realistico e completo possibile nel corso di un modello. progettazione basata.

I diversi gemelli digitali possono essere collegati tra loro e consentono anche un'ampia comunicazione e interazione con i gemelli reali. Questo viene definito anche thread digitale, che attraversa l'intero ciclo di vita del prodotto e può includere altre informazioni rilevanti per il prodotto. Un’azienda trae il massimo vantaggio da un thread digitale così coerente, che consente l’ottimizzazione di vari processi di creazione di valore e lo sfruttamento di un’ampia gamma di modelli di business digitali per i prodotti o servizi offerti.

La tecnologia di produzione è solo uno dei tanti campi di applicazione industriale. I gemelli digitali mappano i sistemi durante il loro intero ciclo di vita (progettazione, creazione, funzionamento e riciclaggio). Anche durante la pianificazione, gli ingegneri possono utilizzare modelli di simulazione per ottimizzare i processi. Una volta che il sistema è in funzione, gli stessi modelli di simulazione possono essere utilizzati per ottimizzare ulteriormente i processi e trasformare la produzione.

Nel settore dei trasporti e dello stoccaggio, aziende logistiche internazionali come DHL e UPS sviluppano costantemente nuove applicazioni per il gemello digitale come il track and trace o il controllo intelligente di magazzini e intere strutture portuali. I produttori di software come SAP o Oracle stanno espandendo i loro sistemi ERP e offrendo nuove soluzioni IT come catene di fornitura digitali per la gestione della catena di fornitura.

Il concetto di gemello digitale viene sempre più utilizzato nel controllo della produzione, nella logistica e nell’approvvigionamento. Ciò significa che questo concetto può essere strettamente collegato ai metodi e ai mezzi della tecnologia di controllo e dell'ingegneria della regolazione.

I gemelli digitali geografici sono diventati popolari nella pratica della pianificazione urbana a causa del crescente interesse per la tecnologia digitale nel movimento delle città intelligenti. Questi gemelli digitali sono spesso proposti sotto forma di piattaforme interattive per l'acquisizione e la visualizzazione di dati spaziali 3D e 4D in tempo reale per modellare gli ambienti urbani (città) e i dati in essi contenuti.

Le tecnologie di visualizzazione come i sistemi di realtà aumentata (AR) vengono utilizzate sia come strumenti collaborativi per la progettazione e la pianificazione nell'ambiente costruito, sia per integrare feed di dati provenienti da sensori integrati nelle città e servizi API per formare gemelli digitali. Ad esempio, l’AR consente di proiettare mappe, edifici e dati in realtà aumentata sui tavoli per la visualizzazione collaborativa da parte dei professionisti del settore edile.

Nel settore delle costruzioni, le attività di pianificazione, progettazione, costruzione, esercizio e manutenzione stanno diventando sempre più digitalizzate - anche attraverso l'introduzione di processi BIM (Building Information Modeling) - e i gemelli digitali degli edifici sono visti come una logica estensione - sia a livello di singoli edifici che a livello nazionale. Nel Regno Unito, ad esempio, nel novembre 2018 il Centre for Digital Built Britain ha pubblicato i Gemini Principles, che stabiliscono i principi per lo sviluppo di un “gemello digitale nazionale”.

Uno dei primi esempi di “gemello digitale” funzionante è stato realizzato nel 1996 durante la costruzione delle strutture dell’Heathrow Express al Terminal 1 dell’aeroporto di Heathrow. Il consulente Mott MacDonald e il pioniere del BIM Jonathan Ingram hanno collegato i sensori di movimento nella diga e nei fori al modello di oggetti digitali per visualizzare il movimento nel modello. È stato creato un oggetto di iniezione digitale per monitorare gli effetti del pompaggio di malta nel terreno per stabilizzare i movimenti del terreno.

L’assistenza sanitaria è considerata un settore che si sta trasformando grazie alla tecnologia del gemello digitale. Il concetto di gemello digitale nel settore sanitario è stato originariamente proposto e utilizzato per la prima volta per la previsione di prodotti o dispositivi. Un gemello digitale può migliorare la vita nei settori della medicina, dello sport e dell’istruzione adottando un approccio all’assistenza sanitaria più basato sui dati. La disponibilità delle tecnologie consente di creare modelli personalizzati per i pazienti che possono essere continuamente adattati in base ai parametri di salute e stile di vita registrati. Ciò può infine portare a un paziente virtuale che descrive in dettaglio lo stato di salute di un singolo paziente e non si basa esclusivamente sui dati precedenti. Inoltre, il gemello digitale consente di confrontare i dati dell'individuo con quelli della popolazione per trovare più facilmente modelli ad un livello di dettaglio elevato. Il più grande vantaggio del gemello digitale per l’assistenza sanitaria è il fatto che l’assistenza sanitaria può essere adattata alle risposte dei singoli pazienti. I gemelli digitali non solo porteranno a soluzioni migliori nella definizione della salute di un singolo paziente, ma cambieranno anche l’immagine attesa di un paziente sano. Un tempo “sano” era considerato l’assenza di segni di malattia. Adesso i pazienti “sani” possono essere paragonati al resto della popolazione per definirsi veramente sani . Tuttavia, l’emergere del gemello digitale nel settore sanitario comporta anche alcuni svantaggi. Il gemello digitale può portare alla disuguaglianza poiché la tecnologia potrebbe non essere accessibile a tutti, ampliando il divario tra ricchi e poveri. Inoltre, il gemello digitale identificherà modelli in una popolazione che possono portare alla discriminazione.

Anche in medicina si sta diffondendo sempre più l’idea del gemello digitale, che consiste nella creazione di un’immagine virtuale di un paziente per simulare applicazioni mediche. In questo modo, il medico può affrontare la situazione specifica del rispettivo paziente prima del trattamento e, durante gli interventi chirurgici, possono essere prefabbricati e inseriti con precisione inserti specifici per il paziente (ad es. articolazioni artificiali), il che consente un risultato chirurgico migliore e una procedura più rapida processo di recupero.

L’industria automobilistica è stata migliorata dalla tecnologia del gemello digitale. I gemelli digitali nel settore automobilistico vengono implementati sfruttando i dati esistenti per semplificare i processi e ridurre i costi marginali. Attualmente, i progettisti automobilistici stanno espandendo la materialità fisica esistente incorporando funzionalità digitali basate su software. Un esempio concreto di tecnologia del gemello digitale nel settore automobilistico è che gli ingegneri automobilistici utilizzano la tecnologia del gemello digitale in combinazione con lo strumento di analisi dell'azienda per analizzare come viene guidata una particolare automobile. In questo modo possono proporre di incorporare nell'auto nuove funzionalità in grado di ridurre il numero di incidenti sulle strade, cosa che prima non era possibile in così poco tempo.

Le tecnologie digitali hanno alcune caratteristiche che le distinguono dalle altre tecnologie. Queste caratteristiche, a loro volta, hanno determinate conseguenze. I gemelli digitali hanno le seguenti caratteristiche.

Connettività

Una delle caratteristiche principali della tecnologia del gemello digitale è la sua connettività. Il recente sviluppo dell’Internet delle cose (IoT) introduce numerose nuove tecnologie. Lo sviluppo dell’IoT fa avanzare anche lo sviluppo della tecnologia del gemello digitale. Questa tecnologia ha molte caratteristiche coerenti con il carattere dell’IoT, vale a dire la sua natura connettiva. Innanzitutto, la tecnologia consente la connettività tra il componente fisico e la sua controparte digitale. Su questo collegamento poggia il fondamento del gemello digitale, senza il quale la tecnologia del gemello digitale non esisterebbe. Come descritto nella sezione precedente, questa connettività si ottiene tramite sensori sul prodotto fisico che raccolgono dati e li integrano e comunicano attraverso varie tecnologie di integrazione. La tecnologia Digital Twin consente una maggiore connettività tra aziende, prodotti e clienti. Ad esempio, la connettività tra i partner di una catena di fornitura può essere aumentata consentendo ai membri di tale catena di fornitura di verificare il gemello digitale di un prodotto o di una risorsa. Questi partner possono quindi verificare lo stato del prodotto semplicemente controllando il gemello digitale.

È inoltre possibile aumentare la connettività con i clienti.

La servitizzazione è il processo attraverso il quale le aziende aggiungono valore alla loro offerta principale attraverso i servizi. Nel caso dell'esempio del motore, la produzione del motore è l'offerta principale di questa organizzazione, che aggiunge valore fornendo un servizio di ispezione e manutenzione del motore.

Servitizzazione

La servitizzazione è un’innovazione del modello di business rilevante per le aziende manifatturiere e si riferisce al cambiamento del precedente portafoglio di offerta passando dai soli beni materiali a una combinazione di beni materiali e servizi. Riflette quindi la tendenza economica generale verso una società di servizi a livello aziendale.

Esempi di servitizzazione esistono da più di 100 anni. Tuttavia, negli ultimi 20 anni il tema è diventato rapidamente più importante perché, a causa della globalizzazione, le aziende dei paesi ad alto salario come la Germania lo vedono come un mezzo per proteggersi dalla concorrenza dei paesi a basso salario. Nella scienza, la servitizzazione si è affermata come argomento di ricerca indipendente sulla base di un articolo specialistico di Sandra Vandermerwe e Juan Rada.

Omogeneizzazione

I gemelli digitali possono essere caratterizzati come una tecnologia digitale che è sia la conseguenza che il facilitatore dell’omogeneizzazione dei dati. Poiché oggi qualsiasi tipo di informazione o contenuto può essere archiviato e trasmesso nella stessa forma digitale, è possibile creare una rappresentazione virtuale del prodotto (sotto forma di gemello digitale), disaccoppiando così l'informazione dalla sua forma fisica. L’omogeneizzazione dei dati e il disaccoppiamento dell’informazione dal suo artefatto fisico hanno consentito la creazione di gemelli digitali. I gemelli digitali consentono inoltre di archiviare digitalmente sempre più informazioni sui prodotti fisici e di disaccoppiarle dal prodotto stesso.

Man mano che i dati diventano sempre più digitalizzati, possono essere trasferiti, archiviati e calcolati in modo rapido ed economico. Secondo la Legge di Moore, nei prossimi anni la potenza di calcolo continuerà ad aumentare in modo esponenziale, mentre i costi di elaborazione dei dati diminuiranno sensibilmente. Ciò comporterebbe quindi costi marginali inferiori per lo sviluppo dei gemelli digitali e renderebbe relativamente molto più economico testare, prevedere e risolvere problemi utilizzando rappresentazioni virtuali piuttosto che testarli su modelli fisici e attendere che i prodotti fisici si rompano prima di tentare di intervenire.

Un'altra conseguenza dell'omogeneizzazione e del disaccoppiamento delle informazioni è la convergenza dell'esperienza dell'utente. Man mano che le informazioni provenienti dagli oggetti fisici vengono digitalizzate, un singolo artefatto può offrire una varietà di nuove possibilità. La tecnologia del gemello digitale consente di condividere informazioni dettagliate su un oggetto fisico con un numero maggiore di agenti, indipendentemente dalla posizione o dall'ora. Nel suo white paper sulla tecnologia dei gemelli digitali nel settore manifatturiero, Michael Grieves afferma quanto segue riguardo alle conseguenze dell’omogeneizzazione consentita dai gemelli digitali:

In passato, i dirigenti della fabbrica avevano il loro ufficio affacciato sulla fabbrica in modo da poter avere un'idea di ciò che accadeva nella fabbrica. Con il gemello digitale, non solo il direttore della fabbrica, ma tutti coloro che sono coinvolti nella produzione possono avere la stessa finestra virtuale non solo su una singola fabbrica, ma su tutte le fabbriche del mondo.

Riprogrammabile e intelligente

Come accennato in precedenza, un gemello digitale consente di riprogrammare un prodotto fisico in un modo specifico. Inoltre, il gemello digitale può essere riprogrammato anche in modo automatico. Con l’ausilio di sensori sul prodotto fisico, tecnologie di intelligenza artificiale e analisi predittiva. Una conseguenza di questa riprogrammabilità è l’emergere di funzionalità. Prendendo nuovamente l’esempio di un motore, i gemelli digitali possono essere utilizzati per raccogliere dati sulle prestazioni del motore e, se necessario, adattare il motore e creare una versione più recente del prodotto. La servitizzazione può anche essere vista come una conseguenza della riprogrammabilità. I produttori potrebbero essere responsabili del monitoraggio del gemello digitale, dell’apporto di modifiche o della riprogrammazione del gemello digitale, se necessario, e potrebbero offrire questo servizio come servizio aggiuntivo.

Tracce digitali

Un’altra caratteristica è il fatto che le tecnologie dei gemelli digitali lasciano tracce digitali. Queste tracce possono essere utilizzate dagli ingegneri ad es. Ad esempio, in caso di malfunzionamento della macchina, controllando le tracce del gemello digitale per diagnosticare dove si è verificato il problema. Questa diagnostica potrà essere utilizzata anche in futuro dai produttori di queste macchine per migliorare i loro progetti in modo che gli stessi malfunzionamenti si verifichino meno frequentemente in futuro.

Modularità

In termini di industria manifatturiera, la modularità può essere descritta come la progettazione e la personalizzazione di prodotti e moduli di produzione. L'aggiunta di modularità ai modelli di produzione offre ai produttori l'opportunità di ottimizzare modelli e macchine. La tecnologia Digital Twin consente ai produttori di monitorare le macchine in uso e identificare possibili aree di miglioramento nelle macchine. Quando queste macchine sono modulari, i produttori possono utilizzare la tecnologia del gemello digitale per identificare quali componenti influiscono sulle prestazioni della macchina e sostituirli con componenti più adatti per migliorare il processo di produzione.