Qu'est-ce que la technologie numérique jumelée?

Un jumeau numérique est une représentation virtuelle d'un objet physique, d'un système ou d'un processus qui est continuellement mis à jour avec des données en temps réel de son homologue réel. Contrairement à un modèle ou une simulation statique 3D, un jumeau numérique est dynamique. Il utilise des capteurs intégrés dans l'actif physique pour recueillir des données sur les performances, les conditions environnementales, les modes d'utilisation, etc. Ces données sont intégrées dans un modèle numérique qui peut être utilisé pour l'analyse, la simulation et la prédiction.

Le concept est né à la NASA dans les années 1960 pour les missions Apollo, mais aujourd'hui les jumeaux numériques tirent parti de l'Internet des objets (IoT), de l'informatique en nuage et de l'analyse avancée pour créer des répliques vivantes et évolutives. Il existe plusieurs types de jumeaux numériques, allant des jumeaux composants (pièces uniques) et des jumeaux actifs (machines entières) aux jumeaux systèmes (actifs interconnectés) et aux jumeaux process (usines entières ou chaînes d'approvisionnement).

Comment ça marche: Un jumeau numérique fonctionne à travers une boucle de rétroaction continue. Les capteurs sur l'actif physique envoient des données au jumeau, qui met à jour son état en temps réel. Les ingénieurs peuvent exécuter des simulations, tester des scénarios -What-if-, et identifier les problèmes avant qu'ils ne se produisent dans le monde physique. Les idées acquises par le jumeau peuvent ensuite être utilisées pour optimiser les opérations, prévoir les besoins de maintenance et améliorer les conceptions futures.

Principaux avantages du cycle de vie des projets d'ingénierie

La technologie numérique à double usage offre de la valeur à chaque étape d'un projet d'ingénierie, depuis le concept et la conception initiaux jusqu'à la construction, l'exploitation et le déclassement éventuel.

Conception et planification améliorées

Pendant la phase de conception, les jumelles numériques permettent aux ingénieurs de créer un prototype virtuel et de réaliser des milliers de simulations sans construire un seul composant physique. Cette capacité leur permet de tester différents matériaux, configurations et conditions d'exploitation pour trouver la solution optimale. Par exemple, un ingénieur automobile peut simuler des essais de choc, de l'aérodynamique et des performances thermiques avant qu'un prototype ne soit construit.

Les ingénieurs peuvent visualiser comment un pont ou un bâtiment interagira avec son environnement, prévoira les besoins en ressources et identifiera les conflits éventuels entre les systèmes, comme la plomberie et les conduites électriques, avant le début de la construction, ce qui réduit les commandes coûteuses de changement et les retards.

Surveillance en temps réel et entretien prédictif

Une fois le projet opérationnel, le jumeau numérique continue de fournir de la valeur par une surveillance continue. Les capteurs intégrés dans les machines, les structures ou les véhicules diffusent des données sur la température, les vibrations, la pression et d'autres paramètres clés.

La maintenance préventive est l'une des applications les plus puissantes. Au lieu de suivre un calendrier fixe ou d'attendre que l'équipement échoue, les ingénieurs peuvent utiliser le jumeau numérique pour prévoir quand un composant est susceptible de se décomposer. Par exemple, un exploitant d'éoliennes peut surveiller les tendances de température de la boîte de vitesses et l'entretien du calendrier seulement lorsque le risque de défaillance dépasse un seuil.

Économies et réduction des déchets

Les jumeaux numériques aident les organisations à économiser de l'argent sur tout le cycle de vie du projet. Au cours de la phase de conception, les essais virtuels éliminent le besoin de prototypes physiques multiples.

De plus, les jumeaux numériques peuvent optimiser la consommation d'énergie. Un jumeau numérique d'usine peut simuler les horaires de production pour minimiser l'utilisation de puissance maximale ou ajuster les paramètres CVC en temps réel en fonction de l'occupation.

Amélioration de la collaboration et de la communication

Les projets d'ingénierie impliquent divers intervenants – concepteurs, entrepreneurs, clients, régulateurs et opérateurs. Un jumeau numérique est une seule source de vérité avec laquelle chacun peut accéder et interagir. Au lieu de s'appuyer sur des rapports statiques ou des chaînes de courriels, les membres de l'équipe peuvent voir le même modèle dynamique, annoter les problèmes et voir des mises à jour en temps réel.

Par exemple, un entrepreneur peut voir comment un changement dans les spécifications du matériel affecte la charge et les coûts structurels, et le client peut approuver les changements plus rapidement. Les jumeaux numériques soutiennent également la collaboration à distance, qui est devenue critique pendant la pandémie de COVID-19 lorsque les voyages et les visites sur place ont été restreints.

Gestion du cycle de vie de la conception à la désaffectation

Un jumeau numérique bien mis en œuvre supporte chaque phase de la vie d'un actif. Pendant la conception, il saisit l'intention et les hypothèses. Pendant la construction, il enregistre les changements tels que construits. Pendant les opérations, il enregistre l'historique de maintenance et les données de performance.

Ce fil numérique continu garantit que les connaissances ne sont jamais perdues lorsque les membres de l'équipe quittent ou que les documents sont égarés. Il permet également aux futurs projets d'apprendre des conceptions passées, créant une boucle de rétroaction qui améliore l'ensemble des capacités d'ingénierie de l'organisation au fil du temps.

Atténuation et sécurité des risques

Les jumelles numériques permettent aux ingénieurs de simuler des scénarios dangereux sans mettre en danger les personnes ou les biens. Par exemple, dans les usines chimiques, un jumelle numérique peut modéliser une fuite ou une explosion pour déterminer l'intervention d'urgence la plus efficace.

En identifiant les risques de façon proactive, les organisations peuvent mettre en place des contrôles plus tôt, former le personnel à l'aide de simulations réalistes et se conformer plus efficacement aux règlements de sécurité, ce qui non seulement protège les travailleurs, mais réduit également les coûts de responsabilité et d'assurance.

Applications du monde réel dans toutes les industries

La technologie numérique à double usage est déployée dans de nombreux secteurs d'ingénierie, chacun avec des cas d'utilisation uniques. Voici quelques-uns des exemples les plus pertinents.

Aérospatiale et défense

Les ingénieurs de compagnies comme Boeing et Airbus utilisent des jumelles numériques pour surveiller la fatigue structurelle, les performances des moteurs et la santé avionique au cours de décennies d'exploitation. L'US Air Force a mis en place des jumelles numériques pour sa flotte F-35, réduisant les heures d'entretien et augmentant la préparation à la mission.

Fabrication et automatisation industrielle

Les fabricants comptent sur des jumelles numériques pour optimiser les lignes de production. General Electric, par exemple, crée des jumelles numériques de turbines à gaz utilisées dans les centrales électriques. Les jumelles analysent les données d'exploitation pour maximiser l'efficacité et prédire quand les pièces doivent être remplacées.

Construction et infrastructures

Le projet Crossrail à Londres utilise un jumeau numérique pour intégrer les données géotechniques, les performances des machines à perçage des tunnels et la gestion des actifs. De même, les urbanistes de Singapour ont développé un jumeau numérique national appelé Virtual Singapore, qui modélise l'utilisation des sols, le trafic et les facteurs environnementaux pour l'urbanisme à long terme.

Énergie et services publics

Les compagnies pétrolières et gazières utilisent des jumelles numériques de plateformes offshore pour surveiller l'intégrité des équipements et optimiser les opérations de forage.En énergie renouvelable, Siemens Gamesa crée des jumelles numériques de parcs éoliens pour prédire la puissance et l'entretien des horaires en fonction des prévisions météorologiques.

Établissements de soins de santé

Les administrateurs hospitaliers utilisent des jumelles numériques pour modéliser le débit des patients, l'utilisation de l'énergie et les systèmes de ventilation, particulièrement après la pandémie. Les équipes d'ingénierie peuvent simuler l'impact de l'ajout d'une nouvelle aile, de l'équipement de déplacement ou de changements de consignes de CVC pour améliorer la qualité de l'air intérieur tout en réduisant les coûts énergétiques.

Défis et considérations

Malgré les avantages indéniables, la mise en oeuvre de la technologie numérique à double usage présente plusieurs obstacles que les organismes d'ingénierie doivent surmonter.

Sécurité des données et confidentialité

Si le jumeau est connecté au cloud, il devient une surface d'attaque potentielle. Les cyberattaques pourraient manipuler le jumeau pour causer des dommages physiques ou exposer des données d'exploitation confidentielles. Les organisations doivent investir dans un cryptage robuste, des contrôles d'accès et une segmentation réseau. Elles devraient également adopter des architectures de confiance zéro et vérifier régulièrement les flux de données.

Intégration avec les systèmes existants

La plupart des firmes d'ingénierie utilisent déjà un mélange de logiciels existants pour la conception, la simulation, l'ERP et la gestion de la maintenance. La création d'un jumeau numérique qui s'intègre parfaitement à ces systèmes est techniquement difficile. Des normes communes comme Open Twin (du Consortium Digital Twin) ou l'Asset Administration Shell (AAS) peuvent aider, mais de nombreuses organisations font toujours face à des silos de données et à des formats de données incompatibles.

Coût initial et complexité élevés

Pour les petites et moyennes entreprises, le coût initial peut être prohibitif. Cependant, le coût total de la propriété diminue à mesure que les plateformes cloud et le matériel IoT deviennent moins chers. Certains fournisseurs offrent maintenant des modèles ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Lacunes dans les compétences et résistance organisationnelle

Les projets numériques à double cycle exigent une expertise en sciences des données, simulation, génie de domaine et TI. De plus, les équipes habituées aux flux de travail traditionnels peuvent résister à la transparence et au changement associés à un jumeau numérique unifié. Pour surmonter cela, les organisations devraient investir dans la formation, créer des équipes interfonctionnelles et faire des champions pour gagner rapidement en matière de développement.

Qualité des données et fidélité

Un jumeau numérique n'est bon que pour les données qui le alimentent. Des données incomplètes, inexactes ou retardées entraînent de mauvaises prédictions et décisions. Les ingénieurs doivent s'assurer que les capteurs sont correctement étalonnés et que des règles de validation des données sont en place.

L'avenir de la technologie numérique jumelée

L'évolution des jumeaux numériques s'accélère, mue par les avancées de l'intelligence artificielle, de l'informatique de pointe et du concept de fil numérique. Voici les principales tendances qui façonnent la prochaine décennie.

Intégration de l'IA et de l'apprentissage automatique

Les modèles numériques sont traditionnellement basés sur la physique, mais l'IA permet maintenant aux modèles basés sur les données qui tirent des enseignements de données opérationnelles sans règles explicites. Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent identifier les modèles que les humains pourraient manquer, comme les signes précurseurs subtils de défaillance de l'équipement. Cette approche hybride – combinant la physique et l'IA – permet d'accroître encore la précision et l'adaptabilité.

Calcul des bords pour les jumeaux en temps réel

Les contraintes de latence et de bande passante rendent impossible l'envoi de toutes les données de capteur dans le cloud. L'informatique de bord traite les données à l'actif physique ou à proximité, permettant des mises à jour quasi instantanées du jumeau numérique. Ceci est crucial pour des applications critiques en matière de sécurité comme les véhicules autonomes ou la chirurgie robotique, où les décisions doivent être prises en millisecondes.

Le fil numérique et le design en boucle fermée

Le fil numérique est le flux de données sans faille sur tout le cycle de vie du produit, de la conception à la fabrication au service. Les jumeaux numériques agissent comme nœuds dans ce fil. À l'avenir, les idées du jumeau opérationnel se réinjecteront directement dans le logiciel de conception, créant une boucle fermée. Un composant qui échoue fréquemment sur le terrain déclenchera automatiquement une refonte ou un changement de matériau.

Durabilité et génie vert

Les jumelles numériques deviennent des outils essentiels pour atteindre les objectifs de durabilité. En simulant la consommation d'énergie, les émissions et l'utilisation des ressources, les ingénieurs peuvent identifier des possibilités de réduire l'impact environnemental. Par exemple, un jumelle numérique d'un centre de données peut optimiser le refroidissement pour réduire l'utilisation de l'énergie de 20%.

Normalisation et écosystèmes

À mesure que les jumeaux numériques deviennent plus répandus, des normes industrielles émergent pour assurer l'interopérabilité.Le Consortium Twin numérique, de concert avec des organisations comme l'ISO et le Consortium Internet industriel, jette les bases de modèles de données et d'API communs, ce qui permettra aux organisations de combiner et d'apparier des composants jumelés numériques de différents fournisseurs, de réduire le verrouillage et d'accélérer l'adoption.

En fournissant une seule source de vérité qui évolue avec l'actif physique, il permet de meilleures décisions, de réduire les coûts et de rendre les projets plus sûrs. Bien que les défis demeurent en matière de sécurité, d'intégration et d'investissement initial, la trajectoire est claire : les jumeaux numériques deviendront un outil standard pour la gestion du cycle de vie des projets.