Skyvue solutions
Les jumeaux numériques
JUMEAU NUMÉRIQUE : QU’EST-CE QUE C’EST ?
Aussi appelé "digital
twin", le jumeau numérique est la réplique d’un objet, d’un système, d’une
implantation, d’un processus, etc. sous une forme numérique (le plus souvent en
modèle 3D sophistiqué). Reposant sur l’intelligence
artificielle et le développement de l'industrie 4.0, le
jumeau numérique s'appuie sur la collecte puis la diffusion intelligente des données, via des capteurs et l'IOT (Internet of Things ; en français, l’internet des
objets) lire
notre article sur l’IoT). Le jumeau numérique
embarque, virtuellement, l'état de l'objet et sa position dans l'espace, mais
peut agréger bien d'autres indicateurs. Les données captées peuvent être
synchronisées entre l'objet ou l'équipement concerné et son jumeau, puis
visualisées en temps réel via une
interface.
Deux grandes
familles de jumeaux numériques se profilent avec chacune une approche
distincte, L'une dite "bottom up", dans laquelle on part d'un actif
équipé de capteurs pour récupérer les données qui en sont issues. Avec ces
data, on construit des modèles de prédiction, grâce aux techniques
d'intelligence artificielle (IA) comme le machine learning, le deep
learning et les réseaux de neurones. L'autre approche, plus "top
down", mise sur des jumeaux numériques de seconde génération basés sur la
simulation. On part d'équations issues de la physique qu'on nourrit de mesures
et résout numériquement pour prédire des comportements. Ces jumeaux numériques
vont révolutionner les opérations de simulation dans l'usine 4.0. Toute modification du monde
matériel est reflétée sur la représentation numérique (le jumeau) et une
rétroaction similaire s’opère dans l’autre sens.
HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE
DES JUMEAUX NUMÉRIQUES
L'idée de la technologie
des jumeaux numériques a été exprimée pour la première fois en 1991, avec la
publication Mirror Worlds, par David Gelernter. Cependant, le Dr
Michael Grieves (alors professeur à l'Université du Michigan) aurait appliqué
pour la première fois le concept de jumeaux numériques à la fabrication en 2002
et officiellement annoncé le concept de logiciel de jumeaux numériques. En fin
de compte, John Vickers de la NASA a introduit un nouveau terme – « jumeau
numérique » – en 2010
Cependant, l'idée de base
d'utiliser un jumeau numérique comme moyen d'étudier un objet physique peut en
réalité être observée beaucoup plus tôt. En fait, on peut dire à juste titre
que la NASA a été la pionnière de l'utilisation de la technologie des jumeaux
numériques lors de ses missions d'exploration spatiale des années 60, lorsque
chaque vaisseau spatial exploité était reproduit au détail près dans une
version terrestre. Depuis, l’usage
des jumeaux numériques s’est élargi à d’autres domaines, comme la ville, le
bâtiment, la logistique ou la médecine.
COMMENT FONCTIONNE UN
JUMEAU NUMÉRIQUE ?
Un jumeau numérique est un
modèle virtuel conçu pour refléter avec précision un objet physique. Il est
créé à l’aide de logiciels de modélisation ou de conception assistée par
ordinateur. L'objet étudié, par exemple une éolienne, est équipé de divers
capteurs liés à des domaines de fonctionnalité vitaux. Ces capteurs
produisent des données sur différents aspects des performances de l'objet
physique, tels que la production d'énergie, la température, les conditions
météorologiques, etc. Ces données sont ensuite relayées vers un système de
traitement et appliquées à la copie numérique. Une fois informé de ces
données, le modèle virtuel peut être utilisé pour exécuter des simulations,
étudier les problèmes de performances et générer des améliorations possibles, le
tout dans le but de générer des informations précieuses, qui peuvent ensuite
être appliquées à nouveau à l'objet physique d'origine.
Le concept de jumeau numérique exige
trois éléments : le produit physique dans son espace réel, son jumeau numérique
dans un espace virtuel, et les informations qui relient les deux. Des capteurs connectés à l’éolienne collectent
des données et les envoient au jumeau numérique. C'est cette interaction qui
permet d'optimiser les performances du produit. Une image se superpose alors au
jumeau numérique afin de transmettre cette information, qui peut s'afficher sur
le smartphone du propriétaire ou sur le système PLM du fabricant. Les images
sur lesquelles se superposent les données du capteur en temps réel peuvent
également être utilisées dans des applications de réalité augmentée (RA ou AR, Augmented Reality), à des fins
de maintenance et d'assistance sur le terrain. En réalité augmentée, le jumeau
numérique doit pouvoir suivre la localisation et les déplacements du produit.
APPORTS DES JUMEAUX NUMÉRIQUES INTELLIGENTS
Le jumeau numérique change radicalement la phase de développement d’un produit. Au lieu de créer un objet et de le tester pour ensuite y apporter des améliorations, la visualisation progressive de la construction d’un objet sur son modèle numérique offre l’intérêt de comparer en temps réel ce développement avec la cible finale, pour s’assurer de son bon déroulement, et faire les bons choix en matière d’ergonomie, de matière et de design.
Mais au-delà de cette étape de création, l’un des défis majeurs des entreprises qui ont à gérer de nombreux actifs physiques reste la question de la maintenance prédictive. A cet effet, le jumeau numérique peut aussi se révéler très utile pour comprendre, anticiper et optimiser les performances d’un objet ou d’un système, sans avoir à embarquer un logiciel dans la machine. En combinant une vision en continu d’un objet et en ajoutant des données de contrôle de la performance, le jumeau numérique permet de mener des analyses et d’identifier en amont un risque de défaillance.
L’apport du jumeau numérique est indéniable lorsque l’on cherche à améliorer la performance d’un objet. Cependant, ses applications dépassent la notion de performance pour venir révolutionner la culture de l’entreprise et la façon même d’envisager la création.
L’intérêt
pour les entreprises
Pour les entreprises, et en particulier le secteur industriel,
les applications sont multiples et offrent de nombreux bénéfices, dans un
environnement où les acteurs économiques sont contraints de s’adapter toujours
plus vite, de réduire leurs coûts, de faire preuve d’une grande réactivité et
capacité à anticiper l’évolution de leur marché. Les secteurs les plus
développés en la matière sont l’aéronautique ou la défense. Les apports des
jumeaux numériques peuvent s’appliquer à plusieurs niveaux : en partant d’un
l’objet, à un processus de fabrication, à une usine, voire à une ville toute
entière, ce qui permet d’imaginer de très nombreuses possibilités
d’applications.
Simuler et co-créer grâce
au jumeau numérique
Un autre apport du jumeau
numérique est la possibilité de co-créer tout objet ou tout équipement, par le
biais de la réalité virtuelle. Le travail collectif peut se faire à distance, et
dans les mêmes conditions que dans un environnement physique, réel. L'apport du jumeau numérique est
également prégnant en matière de simulation
virtuelle, et s'impose désormais
comme une aide à la décision de plus en plus incontournable.
Contrôler et prédire
l'évolution de l'outil industriel
Les apports des jumeaux
numériques sont de différentes natures. Ils offrent globalement des
possibilités pour renforcer la performance des produits et anticiper les étapes de leur
cycle de vie. Ces
derniers permettent aussi aux industriels de planifier les activités d'une
chaîne de production toute entière, et un monitoring temps réel affiné.
D'autres apports sont
encore plus cruciaux, notamment dans les domaines de la sécurité et de la
fiabilité des équipements. En combinant une vision en continu d'un objet et en
ajoutant des indicateurs de contrôle de la performance, le jumeau numérique
permet de mener des analyses et d'identifier en amont un risque de défaillance.
Tout industriel, en construisant des jumeaux numériques miroirs de leurs process, peuvent ainsi gagner
sur la maintenance
prédictive et
détecter les faiblesses à venir... pour mieux les résoudre. Grâce à ce levier
majeur, les coûts de maintenabilité sont optimisés.
Chez SkyVue Solutions les jumeaux numériques sont utilisés pour recréer des actifs et les rendre accessibles aux clients. A travers des solutions puissantes, notamment sur des projets de construction, de télécommunications, des inspections et des sinistres, SkyVue amène la documentation de site à un niveau supérieur en faisant évoluer le suivi des projets, de simples mises à jour quotidiennes vers des métriques avancées de suivi de production.
C’est dans cette optique
que nous avons mis sur pieds des produits tel que Capture, Individual, Expound
et Reckon qui permettent respectivement de collecter des données, suivre un
chantier de n’importe où, faire un suivi intelligents des projets et
automatiser l’inspection des tours cellulaires et gestions des actifs afin
de tirer le meilleur parti des jumeaux
numériques.
QUELQUES DOMAINES D’APPLICATIONS
Les digital twins en santé
La santé est un
secteur d'activité directement impacté par l'émergence des jumeaux numériques.
Il s'agit principalement ici de :
·Tester des
traitements sur un patient virtuel (ou jumeau numérique) avant leur administration
au patient réel
·Développer la
simulation d'opérations complexes
·Améliorer la
qualité des dispositifs médicaux tels que les prothèses
·Tester
l'efficacité d'une molécule sur l'organisme
·etc.
Les jumeaux numériques dans l’industrie
Avec le jumeau
numérique, les données recueillies sur l’évolution de l'objet permettent d’en
anticiper et d'en optimiser les performances. Pour les entreprises ils
permettent de:
·Gagnent en
fiabilité pour leurs produits
·Améliorent le
niveau de sécurité de leurs produits
·Renforcent la
confiance des consommateurs en leurs produits
·Réduisent les
coûts de réparation en anticipant les défaillances à venir.
MARCHÉ ET INDUSTRIES DU
JUMEAU NUMÉRIQUE
Alors que les jumeaux
numériques sont appréciés pour ce qu'ils offrent, leur utilisation n'est pas
garantie pour chaque fabricant ou chaque produit créé. Tous les objets ne sont
pas assez complexes pour nécessiter le flux intense et régulier de données de
capteurs dont les jumeaux numériques ont besoin. D'un point de vue financier,
cela ne vaut pas non plus toujours la peine d'investir des ressources
importantes dans la création d'un jumeau numérique. (Gardez à l'esprit qu'un
jumeau numérique est une réplique exacte d'un objet physique, ce qui pourrait
rendre sa création coûteuse.)
En revanche, de nombreux types de projets bénéficient spécifiquement de l'utilisation de maquettes numériques :
- Projets physiquement importants Bâtiments, ponts et autres structures complexes liés par des règles d'ingénierie strictes.
- Projets mécaniquement complexe Turbines à réaction, automobiles et avions. Les jumeaux numériques peuvent aider à améliorer l'efficacité des machines complexes et des moteurs gigantesques.
- Équipements électriques Cela comprend à la fois les mécanismes de production et de transmission de l'énergie.
- Projets de fabrication Les jumeaux numériques sont idéaux pour aider à rationaliser l'efficacité des processus, comme ceux que l'on peut trouver dans les environnements industriels avec des systèmes de machines fonctionnant conjointement.
Par conséquent, les industries qui obtiennent le plus de succès avec les jumeaux numériques sont celles impliquées dans des produits ou des projets à grande échelle :
- Ingénierie (systèmes)
- Fabrication automobile
- Production d'avions
- Conception d'autorail
- Construction de bâtiments
- Fabrication
- Services publics d'électricité
Marché
du jumeau numérique : prêt pour la croissance
L'expansion rapide du marché des jumeaux numériques indique que même si les jumeaux numériques sont déjà utilisés dans de nombreux secteurs, la demande de jumeaux numériques continuera de s'intensifier pendant un certain temps. En 2020, le marché des jumeaux numériques était évalué à 3,1 milliards de dollars. Certains analystes du secteur pensent qu'il pourrait continuer à augmenter fortement jusqu'en 2026 au moins, pour atteindre un montant estimé à 48,2 milliards de dollars.
