Digital Twin – Digital Twin: visualização 3D e gerenciamento digital da cadeia de suprimentos

Digital Thread é definido como “o uso de ferramentas e representações digitais para design, avaliação e gerenciamento do ciclo de vida”.

O termo “fio digital” foi usado pela primeira vez no relatório da Força-Tarefa de Visão Global de Ciência e Tecnologia da USAF “Global Horizons 2013”.

O termo thread digital foi refinado por Singh e Willcox no MIT em 2018 em seu artigo intitulado Engineering with a Digital Thread. Neste artigo acadêmico, o termo Digital Thread é definido como "uma arquitetura orientada a dados que conecta informações de todo o ciclo de vida do produto e se destina a ser a plataforma primária ou oficial de dados e comunicações para os produtos de uma empresa a qualquer momento".

Num sentido mais restrito, o Digital Thread também é usado para se referir ao nível mais baixo de design e especificação para uma representação digital de um item físico. O thread digital é um recurso crítico na engenharia de sistemas baseada em modelos (MBSE) e a base para um gêmeo digital.

O termo Digital Thread também é usado para descrever a rastreabilidade do gêmeo digital em relação aos requisitos, peças e sistemas de controle que compõem o objeto físico.

Smart Factory – Utilização de conceitos relevantes para a empresa na Alemanha – Imagem: Xpert.Digital

O gráfico mostra os resultados de uma pesquisa realizada em 2017 entre diretores de empresas industriais alemãs sobre as tecnologias utilizadas em fábricas inteligentes hoje e no futuro. 23% dos entrevistados disseram que atualmente usam o gêmeo digital do produto em suas fábricas inteligentes. 43% disseram que planejam usar o gêmeo digital dos produtos no futuro.

Isto também se aplica à logística interna autónoma: 17% afirmaram que a utilizam atualmente (2017). 35% planejam implementar isso até 2022.

Use em cinco anos (2022)

• Otimização de recursos habilitada por dados – 77%
• Planejamento integrado – 61%
• Processo orientado por big data e otimização de qualidade – 65%
• Sistemas de produção modulares/ativos de produção modulares – 36%
• Fábrica em rede / Fábrica conectada – 60%
• Manutenção preditiva – 66%
• Visualização/automação de processos / Visualização/automação de processos – 62%
• Gêmeo digital do produto / Gêmeo digital do produto – 43%
• Gêmeo digital da fábrica / Gêmeo digital da fábrica – 44%
• Gêmeo digital da planta de produção / Gêmeo digital do ativo de produção – 39%
• Métodos de produção flexíveis / Métodos de produção flexíveis – 34%
• Logística autônoma intra-fábrica / Logística autônoma intra-fábrica – 35%
• Transferência de parâmetros de produção – 32%
• Fábrica digital totalmente autônoma – 11%

Uso hoje (2017)

• Otimização de recursos habilitada por dados – 52%
• Planejamento integrado – 32%
• Processo orientado por big data e otimização de qualidade – 30%
• Sistemas de produção modulares/ativos de produção modulares – 29%
• Fábrica em rede / Fábrica conectada – 29%
• Manutenção preditiva – 28%
• Visualização/automação de processos / Visualização/automação de processos – 28%
• Gêmeo digital do produto / Gêmeo digital do produto – 23%
• Gêmeo digital da fábrica / Gêmeo digital da fábrica – 19%
• Gêmeo digital da planta de produção / Gêmeo digital do ativo de produção – 18%
• Métodos de produção flexíveis / Métodos de produção flexíveis – 18%
• Logística autônoma intra-fábrica / Logística autônoma intra-fábrica – 17%
• Transferência de parâmetros de produção – 16%
• Fábrica digital totalmente autônoma – 5%

Foram entrevistados diretores-gerentes de empresas industriais alemãs. Esta pergunta foi feita na pesquisa da seguinte forma: “Quão relevantes são os seguintes conceitos para a sua empresa?” A fonte não fornece nenhuma informação sobre o tipo de levantamento ou pontos além de 100 por cento.

Um exemplo de como os gêmeos digitais são usados ​​para otimizar máquinas é a manutenção de equipamentos de geração de energia, como turbinas, motores a jato e locomotivas.

Outro exemplo de gêmeos digitais é o uso de modelos 3D para criar companheiros digitais para objetos físicos. Isto permite que o status do objeto físico real seja exibido, proporcionando uma maneira de projetar objetos físicos no mundo digital. Por exemplo, quando os sensores coletam dados de um dispositivo conectado, os dados do sensor podem ser usados ​​para atualizar uma cópia do estado do dispositivo em tempo real como um “gêmeo digital”. O termo “sombra do dispositivo” também é usado para o conceito de gêmeo digital. O gêmeo digital pretende ser uma cópia atual e precisa das propriedades e estados do objeto físico, incluindo forma, posição, gestos, status e movimento.

Um gêmeo digital também pode ser usado para monitoramento, diagnóstico e previsão para otimizar o desempenho e a utilização de ativos. Nesta área, os dados sensoriais podem ser combinados com dados históricos, experiência humana e aprendizagem de frota e simulação para melhorar o resultado das previsões. Portanto, plataformas complexas de previsão e manutenção inteligente podem aproveitar os gêmeos digitais para encontrar a causa raiz dos problemas e melhorar a produtividade.

Os gêmeos digitais de veículos autônomos e seus sensores incorporados na simulação de tráfego e ambiental também foram propostos como um meio de superar os desafios significativos no desenvolvimento, teste e validação de aplicações na indústria automotiva, especialmente quando os algoritmos correspondentes são baseados em abordagens baseadas em artificial inteligência, o que requer extensos conjuntos de dados de treinamento e validação.

Os objetos físicos de fabricação são virtualizados e representados como modelos gêmeos digitais (avatares) que são perfeitos e totalmente integrados tanto no espaço físico quanto no ciberespaço. Objetos físicos e modelos gêmeos interagem de maneira mutuamente benéfica.

Dinâmica no nível da indústria

O gêmeo digital está mudando todo o gerenciamento do ciclo de vida do produto (PLM), desde o projeto até a fabricação, passando pelos serviços e operações. Hoje em dia, o PLM consome muito tempo em termos de eficiência, fabricação, inteligência, fases de serviço e sustentabilidade no design do produto. Um gêmeo digital pode reunir o espaço físico e virtual do produto. O gêmeo digital permite que as empresas criem uma pegada digital de todos os seus produtos, desde o design até o desenvolvimento e durante todo o ciclo de vida do produto. Em geral, as indústrias que operam na indústria transformadora são severamente afetadas pelos gémeos digitais. No processo de fabricação, o gêmeo digital é uma réplica virtual dos processos em tempo real da fábrica. Milhares de sensores são colocados ao longo do processo físico de fabricação, todos coletando dados de diferentes dimensões, como: B. Condições ambientais, características comportamentais da máquina e trabalho realizado. Todos esses dados são continuamente transmitidos e coletados pelo gêmeo digital. Graças à Internet das Coisas, os gêmeos digitais tornaram-se mais acessíveis e podem determinar o futuro da manufatura. Uma vantagem para os engenheiros reside na utilização real de produtos projetados virtualmente pelo gêmeo digital. Métodos avançados de manutenção e gerenciamento de produtos e ativos estão ao seu alcance com um gêmeo digital da “coisa” real com recursos em tempo real.

Os gêmeos digitais oferecem grande potencial de negócios porque prevêem o futuro em vez de analisar o passado do processo de fabricação . A representação da realidade criada pelos gémeos digitais permite que os fabricantes evoluam para práticas comerciais ex-ante. O futuro da manufatura é baseado nos seguintes 6 aspectos:

• escalabilidade,
• modularidade,
• flexibilidade
• Autonomia,
• Conectividade
• e gêmeo digital.

Com a crescente digitalização das fases individuais de um processo de fabricação, abrem-se oportunidades para alcançar maior produtividade. Isto começa com a modularidade e leva a uma maior eficácia no sistema de produção. Além disso, a autonomia permite que o sistema de produção responda de forma eficiente e inteligente a eventos inesperados. Finalmente, a conectividade, tal como a Internet das Coisas, permite fechar o ciclo de digitalização, permitindo que o ciclo seguinte de concepção e promoção do produto seja optimizado para um maior desempenho. Isso pode levar a uma maior satisfação e fidelidade do cliente quando os produtos conseguem detectar um problema antes que ele realmente falhe. À medida que os custos de armazenamento e processamento de dados continuam a diminuir, as possíveis utilizações dos gémeos digitais também se expandem.

O gémeo digital é particularmente importante para a indústria. A sua existência e utilização nos processos de criação de valor industrial pode constituir uma vantagem competitiva decisiva para as empresas. Isto tem sido particularmente verdadeiro desde o início da década de 2010, uma vez que a Internet das Coisas tornou possível produzir todos os tipos de produtos controlados digitalmente e em rede com serviços integrados.

Na indústria, existem gêmeos digitais para produtos, sistemas de produção, processos e serviços, por exemplo. Eles também podem existir antes do gêmeo real, por exemplo, como modelos de design de produtos futuros. E podem ser usados ​​para analisar e avaliar dados provenientes do uso de gêmeos reais. Eles têm uma ampla variedade de finalidades e funções.

Seu valor específico para a indústria surge do salvamento de protótipos físicos e da capacidade de simular o comportamento, a funcionalidade e a qualidade do gêmeo real sob todos os aspectos relevantes. Este valor pode ser utilizado para todas as partes da criação de valor ao longo de todo o ciclo de vida dos produtos, sistemas e serviços.

Um gêmeo digital assume diversas formas. Por exemplo, pode ser baseado em um modelo comportamental de desenvolvimento de sistema, um modelo 3D ou um modelo funcional que represente propriedades mecânicas, eletrônicas e outras propriedades e características de desempenho do gêmeo real da forma mais realista e abrangente possível no decorrer de um modelo- projeto baseado.

Os diferentes gêmeos digitais podem ser interligados e também permitir ampla comunicação e interação com os gêmeos reais. Isso também é conhecido como thread digital, que percorre todo o ciclo de vida do produto e pode incluir outras informações relevantes do produto. Uma empresa obtém os maiores benefícios de um segmento digital tão consistente, que permite a otimização de vários processos de criação de valor e a exploração de uma ampla gama de modelos de negócios digitais para produtos ou serviços oferecidos.

A tecnologia de produção é apenas um dos muitos campos industriais de aplicação. Os gêmeos digitais mapeiam os sistemas ao longo de todo o seu ciclo de vida (projeto, criação, operação e reciclagem). Mesmo durante o planejamento, os engenheiros podem utilizar modelos de simulação para otimizar processos. Uma vez que o sistema esteja em operação, os mesmos modelos de simulação podem ser usados ​​para otimizar ainda mais os processos e transformar a produção.

Na área de transporte e armazenamento, empresas de logística internacional como DHL e UPS estão constantemente desenvolvendo novas aplicações para o gêmeo digital, como track and trace ou controle inteligente de armazéns e instalações portuárias inteiras. Fabricantes de software como SAP ou Oracle estão expandindo seus sistemas ERP e oferecendo novas soluções de TI como cadeias de suprimentos digitais para gerenciamento da cadeia de suprimentos.

O conceito de gêmeo digital é cada vez mais utilizado no controle de produção, logística e compras. Isto significa que este conceito pode estar intimamente ligado aos métodos e meios de tecnologia de controle e engenharia de regulação.

Os gêmeos digitais geográficos tornaram-se populares na prática de planejamento urbano devido ao crescente interesse pela tecnologia digital no movimento das cidades inteligentes. Esses gêmeos digitais são frequentemente propostos na forma de plataformas interativas para capturar e exibir dados espaciais 3D e 4D em tempo real para modelar ambientes urbanos (cidades) e os dados que eles contêm.

Tecnologias de visualização, como sistemas de realidade aumentada (AR), são usadas tanto como ferramentas colaborativas para projeto e planejamento no ambiente construído quanto para integrar feeds de dados de sensores incorporados em cidades e serviços API para formar gêmeos digitais. Por exemplo, a AR permite que mapas, edifícios e dados de realidade aumentada sejam projetados em mesas para visualização colaborativa por profissionais da indústria da construção.

Na indústria da construção, as atividades de planeamento, projeto, construção, operação e manutenção estão a tornar-se cada vez mais digitalizadas - inclusive através da introdução de processos BIM (Building Information Modeling) - e os gémeos digitais de edifícios são vistos como uma extensão lógica - tanto a nível de edifícios individuais, bem como a nível nacional. No Reino Unido, por exemplo, o Centre for Digital Built Britain publicou os Princípios Gemini em Novembro de 2018, que estabelecem os princípios para o desenvolvimento de um “gémeo digital nacional”.

Um dos primeiros exemplos de um “gêmeo digital” funcional foi realizado em 1996, durante a construção das instalações do Heathrow Express no Terminal 1 do Aeroporto de Heathrow. O consultor Mott MacDonald e o pioneiro do BIM, Jonathan Ingram, conectaram sensores de movimento na ensecadeira e nos poços ao modelo de objeto digital para exibir o movimento no modelo. Um objeto de injeção digital foi criado para monitorar os efeitos do bombeamento de argamassa na terra para estabilizar os movimentos do solo.

A saúde é considerada uma indústria que está sendo transformada pela tecnologia de gêmeos digitais. O conceito de gêmeo digital no setor de saúde foi originalmente proposto e usado pela primeira vez para previsão de produtos ou dispositivos. Um gêmeo digital pode melhorar vidas nas áreas da medicina, do esporte e da educação, adotando uma abordagem de saúde mais baseada em dados. A disponibilidade de tecnologias permite criar modelos personalizados para pacientes que podem ser continuamente ajustados com base nos parâmetros de saúde e estilo de vida registrados. Em última análise, isso pode resultar em um paciente virtual que detalha o estado de saúde de um paciente individual e não depende apenas de registros anteriores. Além disso, o gêmeo digital permite comparar os registros do indivíduo com a população para encontrar mais facilmente padrões com grande nível de detalhe. A maior vantagem do gémeo digital para os cuidados de saúde é o facto de os cuidados de saúde poderem ser adaptados às respostas individuais dos pacientes. Os gêmeos digitais não só levarão a melhores resoluções na definição da saúde de um paciente individual, mas também mudarão a imagem esperada de um paciente saudável. “Saudável” costumava ser considerado a ausência de sinais de doença. Agora os pacientes “saudáveis” podem ser comparados ao resto da população para definir os verdadeiramente saudáveis . No entanto, o surgimento do gêmeo digital na área da saúde também apresenta algumas desvantagens. O gémeo digital pode levar à desigualdade, uma vez que a tecnologia pode não ser acessível a todos, aumentando o fosso entre ricos e pobres. Além disso, o gémeo digital identificará padrões numa população que podem levar à discriminação.

A ideia do gêmeo digital também está se tornando cada vez mais difundida na medicina, ao criar uma imagem virtual de um paciente para simular aplicações médicas. Desta forma, o médico pode lidar com a situação específica do respectivo paciente antes do tratamento e, durante as operações cirúrgicas, inserções específicas do paciente (por exemplo, articulações artificiais) podem ser pré-fabricadas e inseridas com precisão, o que permite um resultado cirúrgico melhorado e um resultado mais rápido. processo de recuperação.

A indústria automotiva foi aprimorada pela tecnologia de gêmeos digitais. Os gêmeos digitais na indústria automotiva são implementados aproveitando os dados existentes para simplificar processos e reduzir custos marginais. Atualmente, os designers automotivos estão expandindo a materialidade física existente, incorporando capacidades digitais baseadas em software. Um exemplo concreto de tecnologia de gêmeo digital na indústria automotiva é que os engenheiros automotivos usam a tecnologia de gêmeo digital em combinação com a ferramenta analítica da empresa para analisar como um determinado carro é conduzido. Desta forma, podem propor a incorporação de novas funcionalidades ao automóvel que possam reduzir o número de acidentes nas estradas, algo que antes não era possível em tão pouco tempo.

As tecnologias digitais possuem certas características que as distinguem de outras tecnologias. Estas características, por sua vez, têm certas consequências. Os gêmeos digitais têm as seguintes características.

Conectividade

Uma das principais características da tecnologia digital twin é a sua conectividade. O recente desenvolvimento da Internet das Coisas (IoT) traz inúmeras novas tecnologias. O desenvolvimento da IoT também promove o desenvolvimento da tecnologia de gêmeos digitais. Esta tecnologia tem muitas características consistentes com o caráter da IoT, nomeadamente a sua natureza conectiva. Em primeiro lugar, a tecnologia permite a conectividade entre o componente físico e o seu equivalente digital. A base do gêmeo digital repousa nesta conexão, sem a qual a tecnologia do gêmeo digital não existiria. Conforme descrito na seção anterior, essa conectividade é obtida por meio de sensores no produto físico que coletam dados e integram e comunicam esses dados por meio de diversas tecnologias de integração. A tecnologia digital twin permite maior conectividade entre empresas, produtos e clientes. Por exemplo, a conectividade entre parceiros numa cadeia de abastecimento pode ser aumentada permitindo que os membros dessa cadeia de abastecimento verifiquem o gémeo digital de um produto ou ativo. Esses parceiros podem então verificar o status deste produto simplesmente controlando o gêmeo digital.

A conectividade com os clientes também pode ser aumentada.

Servitização é o processo pelo qual as empresas agregam valor à sua oferta principal por meio de serviços. No caso do exemplo do motor, a fabricação do motor é a principal oferta desta organização, que então agrega valor ao fornecer um serviço de inspeção e manutenção do motor.

Servitização

A servitização é uma inovação no modelo de negócios relevante para empresas de manufatura e refere-se à mudança no portfólio de ofertas anterior, de apenas bens materiais para uma combinação de bens e serviços materiais. Reflete, portanto, a tendência económica global para uma sociedade de serviços ao nível da empresa.

Exemplos de servitização existem há mais de 100 anos. No entanto, o tema tornou-se rapidamente mais importante nos últimos 20 anos porque, devido à globalização, as empresas em países com salários elevados como a Alemanha vêem-no como um meio de se protegerem contra a concorrência de países com salários baixos. Na ciência, a servitização consolidou-se como um tema de investigação independente com base num artigo especializado de Sandra Vandermerwe e Juan Rada.

Homogeneização

Os gêmeos digitais podem ser caracterizados como uma tecnologia digital que é ao mesmo tempo consequência e facilitadora da homogeneização de dados. Dado que qualquer tipo de informação ou conteúdo pode agora ser armazenado e transmitido na mesma forma digital, é possível criar uma representação virtual do produto (na forma de um gémeo digital), dissociando assim a informação da sua forma física. A homogeneização dos dados e a dissociação da informação do seu artefacto físico permitiram a criação de gémeos digitais. Os gêmeos digitais também permitem armazenar digitalmente cada vez mais informações sobre produtos físicos e dissociá-las do próprio produto.

À medida que os dados se tornam cada vez mais digitalizados, podem ser transferidos, armazenados e calculados de forma rápida e económica. De acordo com a Lei de Moore, o poder computacional continuará a aumentar exponencialmente nos próximos anos, enquanto os custos de processamento de dados diminuirão significativamente. Isto resultaria, portanto, em custos marginais mais baixos para o desenvolvimento de gémeos digitais e tornaria comparativamente muito mais barato testar, prever e resolver problemas utilizando representações virtuais, em vez de testá-los em modelos físicos e esperar que os produtos físicos quebrem antes de tentar intervir.

Outra consequência da homogeneização e dissociação da informação é a convergência da experiência do usuário. À medida que as informações dos objetos físicos são digitalizadas, um único artefato pode oferecer uma variedade de novas possibilidades. A tecnologia digital twin permite que informações detalhadas sobre um objeto físico sejam compartilhadas com um maior número de agentes, independentemente da localização ou hora. Em seu white paper sobre tecnologia de gêmeos digitais na manufatura, Michael Grieves afirma o seguinte sobre as consequências da homogeneização possibilitada pelos gêmeos digitais:

No passado, os gerentes de fábrica tinham seus escritórios voltados para a fábrica para que pudessem ter uma ideia do que estava acontecendo no chão de fábrica. Com o gêmeo digital, não apenas o gerente da fábrica, mas todos os envolvidos na produção da fábrica podem ter a mesma janela virtual não apenas para uma única fábrica, mas para todas as fábricas ao redor do mundo.

Reprogramável e inteligente

Conforme mencionado anteriormente, um gêmeo digital permite que um produto físico seja reprogramado de uma forma específica. Além disso, o gêmeo digital também pode ser reprogramado de forma automática. Com a ajuda de sensores no produto físico, tecnologias de inteligência artificial e análises preditivas. Uma consequência desta reprogramação é o surgimento de funcionalidades. Tomando novamente o exemplo de um motor, os gêmeos digitais podem ser usados ​​para coletar dados sobre o desempenho do motor e, se necessário, ajustar o motor e criar uma versão mais recente do produto. A servitização também pode ser vista como consequência da reprogramação. Os fabricantes podem ser responsáveis ​​por monitorizar o gémeo digital, fazer ajustes ou reprogramar o gémeo digital, se necessário, e podem oferecer isto como um serviço adicional.

Traços digitais

Outra característica é o facto de as tecnologias gémeas digitais deixarem rastos digitais. Esses rastros podem ser usados ​​por engenheiros para, por exemplo, Por exemplo, no caso de mau funcionamento da máquina, verificar os traços do gêmeo digital para diagnosticar onde ocorreu o problema. Estes diagnósticos também poderão ser utilizados no futuro pelos fabricantes destas máquinas para melhorar os seus projetos, de modo que as mesmas avarias ocorram com menos frequência no futuro.

Modularidade

Em termos da indústria transformadora, a modularidade pode ser descrita como o design e personalização de produtos e módulos de produção. Adicionar modularidade aos modelos de fabricação dá aos fabricantes a oportunidade de otimizar modelos e máquinas. A tecnologia digital twin permite que os fabricantes rastreiem as máquinas em uso e identifiquem possíveis áreas de melhoria nas máquinas. Quando essas máquinas são modulares, os fabricantes podem usar a tecnologia digital twin para identificar quais componentes estão afetando o desempenho da máquina e substituí-los por componentes mais adequados para melhorar o processo de fabricação.