Gêmeo Digital – Visualização 3D e Gestão Digital da Cadeia de Suprimentos

O conceito de Fio Digital é definido como “a utilização de ferramentas e representações digitais para o projeto, avaliação e gestão do ciclo de vida”.

O termo “Digital Thread” foi usado pela primeira vez no relatório “Global Horizons 2013” ​​da Força-Tarefa de Visão Global de Ciência e Tecnologia da Força Aérea dos EUA.

O termo "Digital Thread" foi refinado por Singh e Willcox no MIT em seu artigo de 2018 intitulado "Engineering with a Digital Thread". Neste artigo acadêmico, o termo "Digital Thread" é ​​definido como "uma arquitetura orientada a dados que interliga informações de todo o ciclo de vida do produto e que se destina a servir como a plataforma primária ou autorizada de dados e comunicação para os produtos de uma organização em qualquer momento"

Em um sentido mais restrito, o termo "fio digital" também é usado para se referir ao nível mais baixo de projeto e especificação para uma representação digital de um objeto físico. O fio digital é uma capacidade crucial na engenharia de sistemas baseada em modelos (MBSE) e a base para um gêmeo digital.

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

Fábrica Inteligente – Aplicando conceitos relevantes para os negócios na Alemanha – Imagem: Xpert.Digital

O gráfico mostra os resultados de uma pesquisa realizada em 2017 com diretores de empresas industriais alemãs sobre as tecnologias utilizadas em fábricas inteligentes atualmente e no futuro. 23% dos entrevistados afirmaram que já utilizam o gêmeo digital de seus produtos em suas fábricas inteligentes. 43% indicaram que planejam utilizar o gêmeo digital de seus produtos no futuro.

Isso também se aplica à logística interna autônoma: 17% afirmaram que a utilizam atualmente (2017). 35% planejam implementá-la até 2022.

Utilização em cinco anos (2022)

• Otimização de recursos orientada por dados – 77%
• Planejamento integrado – 61%
• Otimização de processos e qualidade orientada por Big Data – 65%
• Ativos de produção modular – 36%
• Fábrica em rede / Fábrica conectada – 60%
• Manutenção preditiva – 66%
• Visualização/automação de processos – 62%
• 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 dentro da fábrica – 35%
• Transferência de parâmetros de produção – 32%
• Fábrica digital totalmente autônoma – 11%

Uso atual (2017)

• Otimização de recursos orientada por dados – 52%
• Planejamento integrado – 32%
• Otimização de processos e qualidade orientada por Big Data – 30%
• Ativos de produção modular – 29%
• Fábrica em rede / Fábrica conectada – 29%
• Manutenção preditiva – 28%
• Visualização/automação de processos – 28%
• 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 dentro da fábrica – 17%
• Transferência de parâmetros de produção – 16%
• Fábrica digital totalmente autônoma – 5%

Os diretores-gerais de empresas industriais alemãs foram entrevistados. A pergunta foi formulada da seguinte maneira: “Qual a relevância dos seguintes conceitos para a sua empresa?” A fonte não fornece informações sobre a metodologia da pesquisa nem sobre pontuações superiores a 100%.

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

Outro exemplo de gêmeos digitais é o uso de modelos 3D para criar réplicas digitais de objetos físicos. Isso permite exibir o estado do objeto físico real, fornecendo uma maneira de projetar objetos físicos no mundo digital. Por exemplo, se sensores coletam dados de um dispositivo conectado, esses dados podem ser usados ​​para atualizar uma cópia do estado do dispositivo como um "gêmeo digital" em tempo real. O termo "sombra do dispositivo" também é usado para o conceito de gêmeo digital. O gêmeo digital tem como objetivo 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, otimizando o desempenho e a utilização de ativos. Nessa área, os dados dos sensores podem ser combinados com dados históricos, conhecimento especializado e aprendizado de frota e simulação para aprimorar os resultados das previsões. Portanto, plataformas complexas de previsão e manutenção inteligente podem se beneficiar de gêmeos digitais para identificar a causa raiz dos problemas e aumentar a produtividade.

Gêmeos digitais de veículos autônomos e seus sensores, incorporados em uma 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 relevantes são baseados em abordagens de inteligência artificial que exigem extensos conjuntos de dados de treinamento e validação.

Os objetos físicos manufaturados são virtualizados e representados como modelos gêmeos digitais (avatares) que são integrados de forma perfeita e precisa tanto no espaço físico quanto no ciberespaço. Os objetos físicos e os modelos gêmeos interagem de maneira mutuamente benéfica.

Dinâmicas a nível da indústria

O gêmeo digital está transformando todo o processo de gerenciamento do ciclo de vida do produto (PLM), desde o projeto e a fabricação até o serviço e a operação. Atualmente, o PLM é muito demorado em termos de eficiência, fabricação, inteligência, fases de serviço e sustentabilidade no projeto do produto. Um gêmeo digital pode fundir os espaços físico e virtual de um produto. Ele permite que as empresas criem uma pegada digital de todos os seus produtos, desde o projeto e desenvolvimento até o final de seu ciclo de vida. De modo geral, as indústrias envolvidas na manufatura são significativamente impactadas pelos gêmeos digitais. No processo de fabricação, o gêmeo digital é uma réplica virtual das operações em tempo real no chão de fábrica. Milhares de sensores são colocados ao longo do processo físico de fabricação, coletando dados de várias dimensões, como condições ambientais, comportamento da máquina e trabalho realizado. Todos esses dados são continuamente transmitidos e coletados pelo gêmeo digital. Graças à Internet das Coisas (IoT), os gêmeos digitais se tornaram mais acessíveis e podem moldar o futuro da indústria de manufatura. Uma vantagem para os engenheiros é o uso no mundo real de produtos projetados virtualmente usando o gêmeo digital. Métodos avançados de manutenção e gestão de produtos e instalações estão se tornando mais acessíveis, graças à disponibilidade de um gêmeo digital do produto real com recursos em tempo real.

Os gêmeos digitais oferecem um potencial de negócios significativo porque preveem o futuro em vez de analisar o passado do processo de fabricação . A representação da realidade criada pelos gêmeos digitais permite que os fabricantes evoluam para práticas de negócios ex-ante. O futuro da manufatura se baseia nos seguintes seis aspectos:

• Escalabilidade,
• Modularidade,
• flexibilidade
• Autonomia,
• Conectividade
• e gêmeo digital.

Com a crescente digitalização das fases individuais de um processo de fabricação, surgem oportunidades para alcançar maior produtividade. Isso começa com a modularidade e leva a uma maior eficiência no sistema de produção. Além disso, a autonomia permite que o sistema de produção reaja de forma eficiente e inteligente a eventos inesperados. Por fim, a conectividade, como a Internet das Coisas (IoT), fecha o ciclo de digitalização, permitindo que o ciclo subsequente de design e marketing do produto seja otimizado para um desempenho superior. Isso pode levar a uma maior satisfação e fidelização do cliente, caso os produtos consigam detectar um problema antes que ele ocorra. À medida que os custos de armazenamento e processamento de dados continuam a diminuir, as aplicações potenciais dos gêmeos digitais também se expandem.

O gêmeo digital tem uma importância particular para a indústria. Sua existência e utilização nos processos de criação de valor industrial podem proporcionar às empresas uma vantagem competitiva decisiva. Isso se tornou especialmente verdadeiro desde o início da década de 2010, quando a Internet das Coisas (IoT) possibilitou a produção de produtos de todos os tipos controlados digitalmente e interconectados, juntamente com serviços integrados.

Na indústria, os gêmeos digitais existem para produtos, instalações de produção, processos e serviços, por exemplo. Eles podem até existir antes do gêmeo físico, como modelos de projeto de produtos futuros. E podem ser usados ​​para analisar e avaliar dados provenientes do uso dos gêmeos físicos. Eles servem a uma ampla variedade de propósitos e funções.

Seu valor específico para a indústria deriva da eliminação de protótipos físicos e da capacidade de simular o comportamento, a funcionalidade e a qualidade do equivalente real em todos os aspectos relevantes. Esse valor pode ser aproveitado em todas as etapas da cadeia de valor, ao longo de todo o ciclo de vida de produtos, sistemas e serviços.

Um gêmeo digital pode assumir muitas formas diferentes. Por exemplo, pode ser baseado em um modelo comportamental do desenvolvimento do sistema, um modelo 3D ou um modelo funcional que descreva de forma realista e abrangente as propriedades mecânicas, eletrônicas e outras características de desempenho do gêmeo real durante um processo de projeto baseado em modelo.

Os diversos gêmeos digitais podem ser interligados e permitem ampla comunicação e interação com suas contrapartes físicas. Isso também é conhecido como fio digital, que percorre todo o ciclo de vida do produto e pode incluir informações adicionais relevantes. Uma empresa obtém o máximo benefício desse fio digital contínuo, que possibilita a otimização de diversos processos de criação de valor e a exploração de uma ampla gama de modelos de negócios digitais para os produtos ou serviços oferecidos.

A engenharia de produção é apenas uma das muitas aplicações industriais. Os gêmeos digitais mapeiam os sistemas ao longo de todo o seu ciclo de vida (projeto, construção, operação e reciclagem). Mesmo durante a fase de planejamento, os engenheiros podem usar modelos de simulação para otimizar processos. Uma vez que o sistema esteja operacional, os mesmos modelos de simulação podem ser usados ​​para otimizar ainda mais os processos e transformar a produção.

Nos setores de transporte e armazenagem, empresas de logística internacional como DHL e UPS estão continuamente desenvolvendo novas aplicações para gêmeos digitais, como rastreamento e localização ou o controle inteligente de armazéns e instalações portuárias inteiras. Fabricantes de software como SAP e Oracle estão expandindo seus sistemas ERP e oferecendo novas soluções de TI, como cadeias de suprimentos digitais para a gestão da cadeia de suprimentos.

O conceito de gêmeo digital está sendo cada vez mais aplicado no controle de produção, logística e compras. Isso permite que o conceito seja intimamente vinculado aos métodos e ferramentas da engenharia de controle e da tecnologia de automação.

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

Tecnologias de visualização, como sistemas de realidade aumentada (RA), são utilizadas tanto como ferramentas colaborativas para o projeto e planejamento do ambiente construído quanto para a integração de dados provenientes de sensores embutidos em cidades e serviços de API, criando gêmeos digitais. Por exemplo, a RA permite que mapas, edifícios e dados em realidade aumentada sejam projetados em mesas para visualização colaborativa por profissionais da construção civil.

Na indústria da construção, as atividades de planejamento, projeto, construção, operação e manutenção estão se tornando cada vez mais digitalizadas – em parte pela introdução de processos BIM (Modelagem da Informação da Construção) – e os gêmeos digitais de edifícios são vistos como uma extensão lógica, tanto no nível de edifícios individuais quanto no nível nacional. No Reino Unido, por exemplo, o Centro para a Construção Digital da Grã-Bretanha publicou os Princípios Gemini em novembro de 2018, que delineiam os princípios para o desenvolvimento de um “gêmeo digital nacional”.

Um dos primeiros exemplos de um “gêmeo digital” funcional foi implementado em 1996 durante a construção das instalações do Heathrow Express no Terminal 1 do Aeroporto de Heathrow. A consultoria Mott MacDonald e o pioneiro do BIM, Jonathan Ingram, conectaram sensores de movimento na ensecadeira e nos furos de sondagem ao modelo digital do objeto para exibir o movimento dentro do modelo. Um objeto digital de injeção foi criado para monitorar os efeitos da injeção de calda de cimento no solo para estabilizar os movimentos do solo.

A área da saúde é considerada um setor em transformação pela tecnologia de gêmeos digitais. O conceito de gêmeos digitais na saúde foi originalmente proposto e implementado para análises preditivas de produtos ou dispositivos. Com um gêmeo digital, vidas na medicina, nos esportes e na educação podem ser aprimoradas com a adoção de uma abordagem mais orientada por dados. A disponibilidade dessa tecnologia possibilita a criação de modelos personalizados de pacientes que podem ser continuamente atualizados com base em parâmetros de saúde e estilo de vida coletados. Isso pode levar, em última análise, a um paciente virtual que descreve detalhadamente o estado de saúde de um indivíduo, em vez de depender apenas de registros anteriores. Além disso, o gêmeo digital permite comparar os registros de um indivíduo com os da população para identificar padrões com maior precisão. O maior benefício dos gêmeos digitais para a saúde é a capacidade de personalizar o atendimento de acordo com as respostas individuais de cada paciente. Os gêmeos digitais não apenas levarão a definições mais precisas da saúde de um paciente, mas também mudarão a percepção do que é um paciente saudável. Anteriormente, "saudável" era definido como a ausência de quaisquer sinais de doença. Agora, pacientes "saudáveis" podem ser comparados com o restante da população para definir a verdadeira saúde . No entanto, o advento dos gêmeos digitais na área da saúde também traz algumas desvantagens. Os gêmeos digitais podem levar à desigualdade, uma vez que a tecnologia pode não ser acessível a todos e pode ampliar a distância entre ricos e pobres. Além disso, os gêmeos digitais podem detectar padrões em uma população que podem levar à discriminação.

O conceito de gêmeo digital também está ganhando força na medicina, onde uma representação virtual de um paciente é criada para simular procedimentos médicos. Isso permite que os médicos se familiarizem com a situação específica do paciente antes do tratamento e, em cirurgias, implantes personalizados (como próteses articulares) podem ser pré-fabricados e inseridos com precisão, resultando em melhores resultados cirúrgicos e recuperação mais rápida.

A indústria automotiva tem sido aprimorada pela tecnologia de gêmeos digitais. Os gêmeos digitais na indústria automotiva são implementados aproveitando dados existentes para simplificar processos e reduzir custos marginais. Atualmente, os engenheiros automotivos estão ampliando a materialidade física existente incorporando recursos digitais baseados em software. Um exemplo concreto da tecnologia de gêmeos digitais na indústria automotiva é o uso dessa tecnologia em conjunto com as ferramentas de análise da empresa para analisar como um determinado carro é conduzido. Isso permite que os engenheiros proponham novos recursos para o carro que podem reduzir o número de acidentes nas estradas, algo que antes era impossível de se alcançar em tão pouco tempo.

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

Conectividade

Uma das principais características da tecnologia de gêmeos digitais é a sua conectividade. O recente desenvolvimento da Internet das Coisas (IoT) está dando origem a inúmeras novas tecnologias. O desenvolvimento da IoT também impulsiona o desenvolvimento da tecnologia de gêmeos digitais. Essa tecnologia compartilha muitas características com a natureza da IoT, principalmente a sua conectividade. Primordialmente, a tecnologia permite a conectividade entre o componente físico e sua contraparte digital. Essa conexão forma a base do gêmeo digital, sem a qual a tecnologia de gêmeos digitais não existiria. Como descrito na seção anterior, essa conectividade é estabelecida 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 de gêmeos digitais permite uma conectividade aprimorada entre empresas, produtos e clientes. Por exemplo, a conectividade entre parceiros em uma cadeia de suprimentos pode ser aumentada permitindo que esses parceiros verifiquem o gêmeo digital de um produto ou ativo. Esses parceiros podem então verificar o status desse produto simplesmente acessando o gêmeo digital.

A conectividade com os clientes também pode ser aumentada.

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

Servitização

A servitização é uma inovação em modelos de negócios relevante para empresas manufatureiras, que se refere à mudança em seu portfólio de produtos, passando de uma abordagem exclusivamente focada em bens tangíveis para uma combinação de bens e serviços. Dessa forma, reflete a tendência econômica geral em direção a uma sociedade baseada em serviços, no âmbito empresarial.

Exemplos de servitização existem há mais de 100 anos. No entanto, o tema ganhou importância rapidamente nos últimos 20 anos, aproximadamente, porque, devido à globalização, empresas em países com altos salários, como a Alemanha, veem isso como uma forma de se protegerem da concorrência de países com baixos salários. No meio acadêmico, a servitização se consolidou como um tópico de pesquisa independente graças a um artigo de Sandra Vandermerwe e Juan Rada.

Homogeneização

Os gêmeos digitais podem ser caracterizados como uma tecnologia digital que é tanto consequência quanto facilitadora da homogeneização de dados. Como qualquer tipo de informação ou conteúdo agora pode ser armazenado e transmitido no mesmo formato digital, uma representação virtual do produto (na forma de um gêmeo digital) pode ser criada, dissociando assim a informação de sua forma física. A homogeneização de dados e a dissociação da informação de seu artefato físico possibilitaram, portanto, o surgimento dos gêmeos digitais. Os gêmeos digitais também permitem armazenar digitalmente quantidades crescentes de informações sobre produtos físicos e dissociá-las do próprio produto.

Com a crescente digitalização dos dados, sua transferência, armazenamento e processamento tornam-se mais rápidos e econômicos. De acordo com a Lei de Moore, o poder computacional continuará a aumentar exponencialmente nos próximos anos, enquanto o custo do processamento de dados diminuirá significativamente. Isso levará a custos marginais mais baixos para o desenvolvimento de gêmeos digitais, tornando comparativamente muito mais barato testar, prever e resolver problemas usando representações virtuais, em vez de testá-los em modelos físicos e esperar que os produtos físicos apresentem defeitos antes de tomar qualquer providência.

Outra consequência da homogeneização e do desacoplamento da informação é a convergência da experiência do usuário. À medida que a informação proveniente de objetos físicos é digitalizada, um único artefato pode oferecer uma infinidade de novas possibilidades. A tecnologia de gêmeos digitais permite que informações detalhadas sobre um objeto físico sejam compartilhadas com um número maior de agentes, independentemente da localização ou do horário. Em seu artigo sobre a tecnologia de gêmeos digitais na indústria manufatureira, Michael Grieves observa o seguinte a respeito das consequências da homogeneização possibilitada pelos gêmeos digitais:

Antigamente, os gerentes de fábrica tinham seus escritórios com vista para a fábrica, o que lhes permitia ter uma noção do que acontecia no chão de fábrica. Com o gêmeo digital, não apenas o gerente de fábrica, mas todos os envolvidos na produção da fábrica podem ter a mesma visão virtual, não apenas de uma única fábrica, mas de todas as fábricas do mundo.

Reprogramável e inteligente

Como mencionado anteriormente, um gêmeo digital permite que um produto físico seja reprogramado de uma maneira específica. Além disso, o gêmeo digital também pode ser reprogramado automaticamente usando sensores no produto físico, tecnologias de inteligência artificial e análises preditivas. Uma consequência dessa reprogramabilidade é o surgimento de novas 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, ajustá-lo e criar uma versão mais recente do produto. A servitação também pode ser vista como uma consequência da reprogramabilidade. Os fabricantes podem ser responsáveis ​​por monitorar o gêmeo digital, fazer ajustes ou reprogramá-lo conforme necessário, e podem oferecer isso como um serviço adicional.

Vestígios digitais

Outra característica é o fato de as tecnologias de gêmeos digitais deixarem rastros digitais. Esses rastros podem ser usados ​​por engenheiros para, por exemplo, verificar o histórico do gêmeo digital em caso de mau funcionamento da máquina, a fim de diagnosticar a origem do problema. No futuro, esses diagnósticos também poderão ser usados ​​pelos fabricantes dessas máquinas para aprimorar seus projetos, reduzindo assim a frequência das mesmas falhas.

Modularidade

No contexto da indústria de manufatura, a modularidade pode ser descrita como o projeto e a adaptação de produtos e módulos de produção. Ao adicionar modularidade aos modelos de manufatura, os fabricantes ganham a capacidade de otimizar modelos e máquinas. A tecnologia de gêmeos digitais permite que os fabricantes rastreiem as máquinas em uso e identifiquem áreas potenciais de melhoria. Com máquinas modulares, os fabricantes podem usar a tecnologia de gêmeos digitais para identificar quais componentes estão impactando o desempenho da máquina e substituí-los por componentes mais adequados para aprimorar o processo de fabricação.