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

O tópico digital é definido como "o uso de ferramentas e representações digitais para design, avaliação e gerenciamento do ciclo de vida".

O termo "Thread Digital" foi usado pela primeira vez no relatório "Global Horizons 2013" da Força -Tarefa Global de Visão de Ciência e Tecnologia da USAF.

O termo Thread Digital foi refinado em 2018 por Singh e Willcox em seu artigo intitulado Engenharia com um tópico digital. Neste artigo acadêmico, o termo tópico digital é definido como uma “arquitetura controlada por dados que vinculou informações de todo o ciclo de vida do produto e se destina a uma plataforma de dados e comunicação primária ou relevante para os produtos de uma empresa o tempo todo”.

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%

Diretor -gerente de empresas industriais alemãs foi entrevistado. Esta pergunta foi feita na pesquisa na redação seguinte: “Qual é a relevante os seguintes conceitos para sua empresa?”. A fonte não fornece nenhuma informação sobre o tipo de pesquisa e mais de 100 % de pontos.

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. Isso permite que o status do objeto físico real seja exibido, que oferece uma maneira de projetar objetos físicos no mundo digital. Por exemplo, se os sensores coletarem dados de um dispositivo conectado, os dados do sensor poderão ser usados ​​para atualizar uma cópia do estado do dispositivo como um "gêmeo digital" em tempo real. O termo "tonalidade do dispositivo" também é usado para o conceito de gêmea digital. O gêmeo digital deve ser uma cópia atual e precisa das propriedades e condições 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 altera todo o gerenciamento do ciclo de vida do produto (PLM), do rascunho para a produção e o serviço e a operação. Atualmente, o PLM é muito tempo consumido em termos de eficiência, produção, inteligência, fases de serviço e sustentabilidade no design do produto. Um gêmeo digital pode mesclar o espaço físico e virtual do produto. O gêmeo digital permite que as empresas criem uma pegada digital de todos os seus produtos, do design ao desenvolvimento e ao longo do ciclo de vida do produto. Em geral, as indústrias que trabalham na produção são severamente afetadas pelos gêmeos digitais. No processo de fabricação, o gêmeo digital é uma réplica virtual dos processos oportunos na fábrica. Milhares de sensores são colocados em todo o processo de produção física que coleta todos os dados de diferentes dimensões, p. B. Condições ambientais, propriedades 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 se tornaram mais acessíveis e podem determinar o futuro da indústria de manufatura. Uma vantagem para os engenheiros é o uso real de produtos projetados virtualmente pelo gêmeo digital. Métodos avançados de manutenção e gerenciamento de produtos e sistemas estão ao seu alcance, pois existe um gêmeo digital da verdadeira "coisa" com recursos reais de tempo.

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 usar 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 construção, as outras coisas industriais, introduzindo processos BIM (atividades de modelagem de informações de construção), as atividades de planejamento, design, construção, operação e manutenção são cada vez mais digitalizadas, e os gêmeos digitais de edifícios são considerados expansão lógica---no nível dos edifícios individuais e no nível nacional. Em novembro de 2018, por exemplo, o Center for Digital construído na Grã -Bretanha publicou os Princípios de Gêmeos no Reino Unido, nos quais são apresentados os princípios para o desenvolvimento de um "gêmeo digital nacional".

Um dos primeiros exemplos de um "gêmeo digital" funcional foi realizado em 1996, quando as instalações do Heathrow Express foram construídas no Terminal 1 do Aeroporto de Heathrow. O consultor Mott MacDonald e o pioneiro do BIM Jonathan Ingram combinaram sensores de movimento na barragem da mala e nos orifícios com o modelo de objeto digital para exibir movimentos 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.

O sistema de saúde é considerado um setor que é alterado pela tecnologia do gêmeo digital. O conceito de gêmeo digital no setor de saúde foi originalmente proposto e usado pela primeira vez para previsão de produto ou dispositivo. Com um gêmeo digital, a vida nas áreas de medicina, esporte e educação pode ser melhorada, buscando uma abordagem mais controlada por dados na área da saúde. A disponibilidade de tecnologias possibilita criar modelos personalizados para pacientes que podem ser continuamente adaptados com base nos parâmetros de saúde e estilo de vida registrados. Por fim, isso pode levar a um paciente virtual que descreve a saúde de um único paciente em detalhes e não se baseia apenas em registros anteriores. Além disso, o gêmeo digital permite que os registros individuais se comparem à população, a fim de encontrar padrões mais facilmente com grandes detalhes. A maior vantagem do gêmeo digital para o sistema de saúde é o fato de que os cuidados de saúde podem ser adaptados às reações de pacientes individuais. Os gêmeos digitais não apenas levarão a melhores resoluções na definição da saúde de um único paciente, mas também alterarão a imagem esperada de um paciente saudável. No passado, "saudável" era "saudável" do que a falta de sinais de doença. Agora, os pacientes “saudáveis” podem ser comparados com o restante da população para definir realmente saudáveis . No entanto, o advento do gêmeo digital no sistema de saúde também traz algumas desvantagens. O gêmeo digital pode levar à desigualdade, pois a tecnologia pode não estar acessível a todos e a lacuna entre ricos e pobres. Além disso, o gêmeo digital reconhecerá padrões em uma população que pode 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 fabricação, 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 ex. 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.