Digital Twin – Visualizzazione 3D e gestione digitale della catena di fornitura

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 "Digital Thread" è stato utilizzato per la prima volta nel rapporto "Global Horizons 2013" della USAF Global Science and Technology Vision Task Force.

Il termine Digital Thread è stato ulteriormente perfezionato da Singh e Willcox del MIT nel loro articolo del 2018 intitolato "Engineering with a Digital Thread". In questo articolo accademico, il termine Digital Thread è definito come "un'architettura basata sui dati che collega le informazioni provenienti dall'intero ciclo di vita del prodotto e mira a fungere da piattaforma di dati e comunicazione primaria o autorevole per i prodotti di un'organizzazione in qualsiasi momento"

In senso più stretto, il termine "thread digitale" viene utilizzato anche per riferirsi al livello più basso di progettazione e specifica per una rappresentazione digitale di un oggetto fisico. Il thread digitale è una capacità cruciale nell'ingegneria dei sistemi basata su modelli (MBSE) e costituisce il fondamento 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.

Fabbrica intelligente: utilizzo di concetti rilevanti per il business in Germania – Immagine: Xpert.Digital

Il grafico mostra i risultati di un sondaggio del 2017 condotto tra 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 dei propri prodotti nella propria fabbrica intelligente. Il 43% ha indicato di prevedere di utilizzare il gemello digitale dei propri prodotti in futuro.

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

Utilizzo in cinque anni (2022)

• Ottimizzazione delle risorse basata sui dati – 77%
• Pianificazione integrata – 61%
• Ottimizzazione dei processi e della qualità basata sui Big Data – 65%
• Asset di produzione modulari – 36%
• Fabbrica in rete / Fabbrica connessa – 60%
• Manutenzione predittiva – 66%
• Visualizzazione/automazione dei processi – 62%
• Gemello digitale del prodotto – 43%
• Gemello digitale della fabbrica / Gemello digitale della fabbrica – 44%
• Gemello digitale dell'impianto produttivo / Gemello digitale dell'asset produttivo – 39%
• Metodi di produzione flessibili / Metodi di produzione flessibili – 34%
• Logistica autonoma intra-stabilimento – 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%
• Ottimizzazione dei processi e della qualità basata sui Big Data – 30%
• Asset di produzione modulari – 29%
• Fabbrica in rete / Fabbrica connessa – 29%
• Manutenzione predittiva – 28%
• Visualizzazione/automazione dei processi – 28%
• Gemello digitale del prodotto – 23%
• Gemello digitale della fabbrica / Gemello digitale della fabbrica – 19%
• Gemello digitale dell'impianto produttivo / Gemello digitale dell'asset produttivo – 18%
• Metodi di produzione flessibili / Metodi di produzione flessibili – 18%
• Logistica autonoma intra-stabilimento – 17%
• Trasferimento dei parametri di produzione – 16%
• Fabbrica digitale completamente autonoma – 5%

Sono stati intervistati amministratori delegati di aziende industriali tedesche. La domanda era formulata come segue: "Quanto sono rilevanti i seguenti concetti per la vostra azienda?". La fonte non fornisce informazioni sulla metodologia del sondaggio né sui punteggi superiori al 100%.

Un esempio di come i gemelli digitali vengono utilizzati per ottimizzare le macchine è la manutenzione degli impianti di produzione 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, offrendo un modo per proiettare gli oggetti fisici nel mondo digitale. Ad esempio, se i sensori raccolgono dati da un dispositivo connesso, i dati del sensore possono essere utilizzati per aggiornare una copia dello stato del dispositivo come "gemello digitale" in tempo reale. Il termine "ombra del dispositivo" viene utilizzato anche per il concetto di gemello digitale. Il gemello digitale è inteso come una copia aggiornata 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 le previsioni, ottimizzando le prestazioni e l'utilizzo degli asset. In quest'ambito, i dati dei sensori possono essere combinati con dati storici, competenze umane e apprendimento da flotte e simulazioni per migliorare i risultati delle previsioni. Pertanto, piattaforme di previsione complesse e di manutenzione intelligente possono sfruttare i gemelli digitali per identificare la causa principale dei problemi e migliorare la produttività.

I gemelli digitali dei veicoli autonomi e dei loro sensori, integrati in una simulazione del traffico e dell'ambiente, sono stati proposti anche come mezzo per superare le notevoli sfide nello sviluppo, nel collaudo e nella convalida delle applicazioni nel settore automobilistico, soprattutto quando gli algoritmi rilevanti si basano su approcci di intelligenza artificiale che richiedono ampi set di dati di formazione e convalida.

Gli oggetti fisici prodotti vengono virtualizzati e rappresentati come modelli gemelli digitali (avatar), perfettamente integrati sia nello spazio fisico che in quello virtuale. Oggetti fisici e modelli gemelli interagiscono in modo reciprocamente vantaggioso.

Dinamiche a livello di settore

Il gemello digitale sta trasformando l'intero processo di gestione del ciclo di vita del prodotto (PLM), dalla progettazione e produzione fino all'assistenza e al funzionamento. Attualmente, il PLM richiede molto tempo in termini di efficienza, produzione, intelligenza, fasi di assistenza e sostenibilità nella progettazione del prodotto. Un gemello digitale può unire gli spazi fisici e virtuali di un prodotto. Consente alle aziende di creare un'impronta digitale di tutti i loro prodotti, dalla progettazione e sviluppo all'intero ciclo di vita. In generale, i settori coinvolti nella produzione sono significativamente influenzati dai gemelli digitali. Nel processo di produzione, il gemello digitale è una replica virtuale delle operazioni in tempo reale in fabbrica. Migliaia di sensori sono posizionati lungo tutto il processo di produzione fisica, raccogliendo dati da diverse dimensioni, come le condizioni ambientali, il comportamento delle macchine e il lavoro svolto. Tutti questi dati vengono trasmessi e raccolti costantemente dal gemello digitale. Grazie all'Internet of Things (IoT), i gemelli digitali sono diventati più accessibili e potrebbero plasmare il futuro dell'industria manifatturiera. Un vantaggio per gli ingegneri è l'utilizzo nel mondo reale di prodotti progettati virtualmente utilizzando il gemello digitale. I metodi avanzati di manutenzione e gestione di prodotti e impianti stanno diventando più accessibili, poiché è disponibile un gemello digitale della "cosa" reale con funzionalità in tempo reale.

I gemelli digitali offrono un significativo potenziale di business perché prevedono il futuro anziché analizzare il passato del processo produttivo. 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 sei aspetti:

• Scalabilità,
• Modularità,
• flessibilità
• Autonomia,
• Connettività
• e gemello digitale.

Con la crescente digitalizzazione delle singole fasi di un processo produttivo, si aprono opportunità per raggiungere una maggiore produttività. Questo inizia con la modularità e porta a una maggiore efficienza del sistema produttivo. Inoltre, l'autonomia consente al sistema produttivo di reagire in modo efficiente e intelligente a eventi imprevisti. Infine, la connettività, come l'Internet of Things, chiude il ciclo di digitalizzazione consentendo di ottimizzare il successivo ciclo di progettazione e commercializzazione del prodotto per prestazioni più elevate. Questo può portare a una maggiore soddisfazione e fidelizzazione dei clienti se i prodotti riescono a rilevare un problema prima che si verifichi effettivamente. Con la continua diminuzione dei costi di archiviazione ed elaborazione dei dati, anche le potenziali applicazioni dei gemelli digitali si stanno espandendo.

Il gemello digitale riveste un'importanza particolare per l'industria. La sua esistenza e il suo utilizzo nei processi di creazione di valore industriale possono offrire alle aziende un vantaggio competitivo decisivo. Ciò è particolarmente vero a partire dall'inizio degli anni 2010, quando l'Internet of Things (IoT) ha reso possibile la produzione di prodotti di ogni tipo, controllati digitalmente e interconnessi, insieme a servizi integrati.

In ambito industriale, i gemelli digitali esistono, ad esempio, per prodotti, impianti di produzione, processi e servizi. Possono persino esistere prima del gemello fisico, come ad esempio i modelli di progettazione di prodotti futuri. E possono essere utilizzati per analizzare e valutare i dati derivanti dall'uso dei gemelli fisici. Svolgono un'ampia varietà di scopi e funzioni.

Il loro particolare valore per l'industria deriva dall'eliminazione dei prototipi fisici e dalla possibilità di simulare il comportamento, la funzionalità e la qualità del gemello reale in ogni aspetto rilevante. Questo valore può essere sfruttato per tutte le fasi della catena del valore, lungo l'intero ciclo di vita di prodotti, sistemi e servizi.

Un gemello digitale può assumere diverse forme. Ad esempio, può basarsi su un modello comportamentale dello sviluppo del sistema, su un modello 3D o su un modello funzionale che rappresenta in modo realistico e completo le proprietà meccaniche, elettroniche e di altro tipo, nonché le caratteristiche prestazionali del gemello reale durante un processo di progettazione basato su modelli.

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

L'ingegneria di produzione è solo una delle tante applicazioni industriali. I gemelli digitali mappano i sistemi durante l'intero ciclo di vita (progettazione, costruzione, funzionamento e riciclo). Anche durante la fase di pianificazione, gli ingegneri possono utilizzare modelli di simulazione per ottimizzare i processi. Una volta che il sistema è operativo, gli stessi modelli di simulazione possono essere utilizzati per ottimizzare ulteriormente i processi e trasformare la produzione.

Nei settori dei trasporti e dello stoccaggio, aziende di logistica internazionali come DHL e UPS sviluppano costantemente nuove applicazioni per i gemelli digitali, come il tracciamento e la tracciabilità o il controllo intelligente di magazzini e intere strutture portuali. Produttori di software come SAP e Oracle stanno espandendo i loro sistemi ERP e offrendo nuove soluzioni IT come catene di approvvigionamento digitali per la gestione della supply chain.

Il concetto di gemello digitale viene sempre più applicato al controllo della produzione, alla logistica e agli acquisti. Ciò consente di collegarlo strettamente ai metodi e agli strumenti dell'ingegneria di controllo e dell'automazione.

I gemelli digitali geografici sono diventati popolari nella pianificazione urbana grazie al crescente interesse per la tecnologia digitale nell'ambito del 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, al fine di 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 i feed di dati provenienti da sensori integrati nelle città e servizi API per creare gemelli digitali. Ad esempio, la AR consente di proiettare mappe, edifici e dati in realtà aumentata su tavoli per una visualizzazione collaborativa da parte dei professionisti dell'edilizia.

Nel settore edile, le attività di pianificazione, progettazione, costruzione, gestione e manutenzione stanno diventando sempre più digitalizzate, anche grazie all'introduzione dei 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, il Centre for Digital Built Britain ha pubblicato i Gemini Principles nel novembre 2018, che delineano i principi per lo sviluppo di un "gemello digitale nazionale".

Uno dei primi esempi di "gemello digitale" funzionante fu implementato nel 1996 durante la costruzione delle strutture dell'Heathrow Express presso il Terminal 1 dell'aeroporto di Heathrow. Il consulente Mott MacDonald e il pioniere del BIM Jonathan Ingram collegarono i sensori di movimento presenti nella paratia e nei fori di trivellazione al modello digitale per visualizzare i movimenti al suo interno. Fu creato un oggetto di iniezione digitale per monitorare gli effetti del pompaggio di malta nel terreno per stabilizzare i movimenti del terreno.

Il settore sanitario è considerato un comparto in fase di trasformazione grazie alla tecnologia dei gemelli digitali. Il concetto di gemelli digitali in ambito sanitario è stato originariamente proposto e implementato per la prima volta per l'analisi predittiva di prodotti o dispositivi. Grazie ai gemelli digitali, la vita in medicina, sport e istruzione può essere migliorata adottando un approccio più basato sui dati. La disponibilità di questa tecnologia consente di creare modelli di paziente personalizzati, continuamente aggiornati in base ai parametri di salute e stile di vita raccolti. Ciò può portare alla creazione di un paziente virtuale che descrive in dettaglio lo stato di salute di un individuo, anziché basarsi esclusivamente sulle cartelle cliniche passate. Inoltre, il gemello digitale permette di confrontare i dati di un individuo con quelli della popolazione per identificare più facilmente modelli con un elevato grado di precisione. Il vantaggio maggiore dei gemelli digitali per il settore sanitario è la possibilità di personalizzare le cure in base alle risposte individuali del paziente. I gemelli digitali non solo consentiranno definizioni più precise dello stato di salute di un singolo paziente, ma cambieranno anche la percezione di un paziente sano. In precedenza, "sano" era definito come l'assenza di qualsiasi segno di malattia. Ora, i pazienti "sani" possono essere confrontati con il resto della popolazione per definire il vero stato di salute. Tuttavia, l'avvento dei gemelli digitali in ambito sanitario porta con sé anche alcuni svantaggi. I gemelli digitali possono generare disuguaglianze, poiché la tecnologia potrebbe non essere accessibile a tutti e potrebbe ampliare il divario tra ricchi e poveri. Inoltre, i gemelli digitali potrebbero individuare schemi ricorrenti all'interno di una popolazione, il che potrebbe portare a forme di discriminazione.

Il concetto di gemello digitale sta prendendo piede anche in medicina, dove viene creata una rappresentazione virtuale del paziente per simulare le procedure mediche. Ciò consente ai medici di familiarizzare con la situazione specifica del paziente prima del trattamento e, negli interventi chirurgici, è possibile prefabbricare e inserire con precisione impianti specifici per il paziente (ad esempio, articolazioni artificiali), con conseguenti risultati chirurgici migliori e una guarigione più rapida.

L'industria automobilistica è stata potenziata dalla tecnologia dei gemelli digitali. I gemelli digitali nel settore automobilistico vengono implementati sfruttando i dati esistenti per semplificare i processi e ridurre i costi marginali. Attualmente, gli ingegneri automobilistici stanno ampliando la materialità fisica esistente incorporando funzionalità digitali basate su software. Un esempio concreto dell'impiego della tecnologia dei gemelli digitali nel settore automobilistico è l'utilizzo della tecnologia dei gemelli digitali in combinazione con gli strumenti di analisi dell'azienda per analizzare il modo in cui viene guidata una determinata auto. Ciò consente loro di proporre nuove funzionalità per l'auto in grado di ridurre il numero di incidenti stradali, un obiettivo che in precedenza era impossibile da raggiungere in così poco tempo.

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

Connettività

Una delle caratteristiche principali della tecnologia del gemello digitale è la sua connettività. Il recente sviluppo dell'Internet of Things (IoT) sta dando vita a numerose nuove tecnologie. Lo sviluppo dell'IoT sta anche guidando lo sviluppo della tecnologia del gemello digitale. Questa tecnologia condivide molte caratteristiche con la natura dell'IoT, in particolare la sua connettività. In primo luogo, la tecnologia consente la connettività tra il componente fisico e la sua controparte digitale. Questa connessione costituisce la base del gemello digitale, senza il quale la tecnologia del gemello digitale non esisterebbe. Come descritto nella sezione precedente, questa connettività viene stabilita tramite sensori sul prodotto fisico che raccolgono dati, integrandoli e comunicandoli tramite diverse tecnologie di integrazione. La tecnologia del gemello digitale consente una maggiore connettività tra aziende, prodotti e clienti. Ad esempio, la connettività tra i partner di una supply chain può essere aumentata consentendo a questi partner di controllare il gemello digitale di un prodotto o di un asset. Questi partner possono quindi verificare lo stato di quel prodotto semplicemente accedendo al gemello digitale.

È anche possibile aumentare la connettività con i clienti.

La servitizzazione si riferisce al processo attraverso il quale le aziende aggiungono valore alla loro offerta principale attraverso i servizi. Nel caso dei motori, la produzione del motore è l'offerta principale di questa organizzazione, che poi fornisce valore aggiunto offrendo un servizio di ispezione e manutenzione del motore.

Servitizzazione

La servitizzazione è un'innovazione del modello di business rilevante per le aziende manifatturiere, che si riferisce allo spostamento del loro portafoglio prodotti da beni tangibili a una combinazione di beni e servizi. Riflette quindi la tendenza economica generale verso una società basata sui servizi a livello aziendale.

Esempi di servitizzazione esistono da oltre 100 anni. Tuttavia, il tema ha rapidamente acquisito importanza negli ultimi 20 anni circa perché, a causa della globalizzazione, le aziende di paesi ad alto salario come la Germania lo vedono come un modo per proteggersi dalla concorrenza dei paesi a basso salario. In ambito accademico, la servitizzazione si è affermata come argomento di ricerca indipendente grazie a un articolo di ricerca di Sandra Vandermerwe e Juan Rada.

Omogeneizzazione

I gemelli digitali possono essere caratterizzati come una tecnologia digitale che è sia una conseguenza che un facilitatore dell'omogeneizzazione dei dati. Poiché qualsiasi tipo di informazione o contenuto può ora 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 quindi permesso l'emergere dei gemelli digitali. I gemelli digitali consentono inoltre di archiviare digitalmente quantità crescenti di informazioni sui prodotti fisici e di disaccoppiarle dal prodotto stesso.

Con la crescente digitalizzazione dei dati, questi possono essere trasferiti, archiviati ed elaborati in modo rapido ed economico. Secondo la Legge di Moore, la potenza di calcolo continuerà ad aumentare esponenzialmente nei prossimi anni, mentre il costo dell'elaborazione dei dati diminuirà significativamente. Ciò porterebbe quindi a costi marginali inferiori per lo sviluppo di 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 intervenire.

Un'altra conseguenza dell'omogeneizzazione e del disaccoppiamento delle informazioni è la convergenza dell'esperienza utente. Con la digitalizzazione delle informazioni provenienti da oggetti fisici, un singolo artefatto può offrire una moltitudine di nuove possibilità. La tecnologia dei gemelli digitali consente di condividere informazioni dettagliate su un oggetto fisico con un numero maggiore di agenti, indipendentemente dal luogo o dal momento. Nel suo white paper sulla tecnologia dei gemelli digitali nell'industria manifatturiera, Michael Grieves osserva quanto segue in merito alle conseguenze dell'omogeneizzazione consentita dai gemelli digitali:

In passato, i responsabili di fabbrica avevano i loro uffici con vista sulla fabbrica, consentendo loro di avere un'idea di ciò che accadeva in officina. Con il gemello digitale, non solo il responsabile di 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 anche essere riprogrammato automaticamente utilizzando sensori sul prodotto fisico, tecnologie di intelligenza artificiale e analisi predittiva. Una conseguenza di questa riprogrammabilità è l'emergere di nuove funzionalità. Prendendo di nuovo l'esempio di un motore, i gemelli digitali possono essere utilizzati per raccogliere dati sulle prestazioni del motore e, se necessario, per regolarlo e creare una versione più recente del prodotto. Anche la servitation può essere vista come una conseguenza della riprogrammabilità. I ​​produttori possono essere responsabili del monitoraggio del gemello digitale, apportando modifiche o riprogrammandolo secondo necessità, e possono offrire questo 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 esempio, per verificare la cronologia del gemello digitale in caso di malfunzionamento di una macchina, al fine di diagnosticare l'origine del problema. In futuro, queste diagnosi potranno essere utilizzate anche dai produttori di queste macchine per migliorarne la progettazione, riducendo così la frequenza degli stessi malfunzionamenti.

Modularità

Nel contesto dell'industria manifatturiera, la modularità può essere descritta come la progettazione e l'adattamento di prodotti e moduli di produzione. Aggiungendo la modularità ai modelli di produzione, i produttori acquisiscono la capacità di ottimizzare modelli e macchine. La tecnologia del gemello digitale consente ai produttori di monitorare le macchine in uso e identificare potenziali aree di miglioramento. Con le macchine modulari, i produttori possono utilizzare la tecnologia del gemello digitale per identificare quali componenti influiscono sulle prestazioni delle macchine e sostituirli con componenti più adatti per migliorare il processo di produzione.