La technologie des jumeaux numériques évolue pour devenir un lien clé entre le monde physique et le monde numérique. Cela nécessite la création de cartographies virtuelles d’entités physiques ou de processus pour réaliser une analyse simulée, une surveillance en temps réel et une prise de décision optimisée des systèmes réels. Sa valeur fondamentale se reflète dans la suppression des silos de données et l’intégration des données de conception, de fabrication, d’exploitation et de maintenance dans des modèles dynamiques. Il fournit des informations sans précédent sur la maintenance prédictive, l’optimisation des processus et la conception innovante. De la fabrication intelligente aux villes intelligentes, elle change discrètement le mode de fonctionnement industriel et social.
Qu'est-ce que la technologie des jumeaux numériques
Il existe ce qu’on appelle un jumeau numérique. Il ne s'agit pas simplement d'un logiciel ou d'un simple modèle. Il dispose d'un système à plusieurs niveaux. Ce système est composé de données, de modèles et de connexions. La clé qui la distingue de la simulation tridimensionnelle traditionnelle est sa nature en temps réel. Il utilise des capteurs de l'Internet des objets pour collecter en continu les données d'état des objets physiques et s'appuie sur ces données collectées pour piloter des mises à jour synchrones des modèles virtuels. À titre d'exemple, le jumeau numérique d'une éolienne peut non seulement montrer sa forme géométrique, mais également refléter les paramètres dynamiques tels que la contrainte des pales, la température de l'huile de la boîte de vitesses et la production d'électricité en temps réel.
L'architecture technique comprend généralement une couche d'accès aux données, une couche de modèle et une couche d'application fonctionnelle. La couche d'accès aux données est chargée d'intégrer différents types de données provenant d'appareils, de systèmes et d'environnements. La couche modèle crée des corps virtuels haute fidélité en intégrant la géométrie, les règles physiques et les algorithmes basés sur les données. La couche d'application fonctionnelle vise à prendre en charge des scénarios spécifiques tels que la simulation, le diagnostic et la prédiction. Comprendre cette structure hiérarchique est la base pour développer efficacement des jumeaux numériques.
Comment créer une technologie de jumeau numérique
Pour construire une entité numérique valide, nous commençons par des activités de modélisation précises d'objets physiques. Cette activité doit adopter pleinement les méthodes de modélisation physique telles que la modélisation géométrique CAO et l'analyse par éléments finis, et doit être combinée avec l'apprentissage automatique pour extraire des règles de comportement à partir des données passées. L’accent est mis sur le fait que le modèle doit être capable de montrer les caractéristiques clés de l’objet, plutôt que de rechercher aveuglément l’exhaustivité. Par exemple, lors de la construction d'un corps similaire pour une ligne de production, il est nécessaire de se concentrer sur la simulation de la logique de liaison et du rythme de l'équipement, plutôt que de décrire avec précision l'extérieur de chaque vis.
Pendant le processus de construction, le plus grand défi est l'intégration et la synchronisation des données, ce qui nécessite la création d'un pipeline de données stable et fiable pour intégrer les données en temps réel du système OT avec les données métier du système informatique. Dans les opérations réelles, l'informatique de pointe est généralement utilisée pour traiter les données en streaming en temps réel afin de réduire la latence, et l'analyse des données historiques à grande échelle et la formation de modèles sont effectuées dans le cloud pour créer une architecture collaborative Edge-Cloud afin de garantir que les jumeaux sont à la fois sensibles et intelligents.
Dans quels domaines la technologie du jumeau numérique est-elle utilisée ?
Dans le domaine de la fabrication industrielle, les jumeaux numériques sont devenus un équipement standard dans les usines intelligentes. Ils sont utilisés dans le débogage virtuel de nouveaux produits. Ils peuvent vérifier les procédures de processus dans un environnement virtuel avant l'installation de l'équipement physique, raccourcissant ainsi le cycle de débogage de près de moitié. Lorsque la ligne de production est en marche, les jumeaux numériques peuvent simuler les calendriers de production sous différents ordres de production, estimer les goulots d'étranglement potentiels, améliorer l'allocation des ressources et améliorer considérablement l'efficacité globale des équipements (OEE).
Le flux de trafic, la consommation d'énergie, la surveillance de la sécurité et d'autres données peuvent être intégrés par les jumeaux numériques au niveau de la ville pour créer un « tableau de bord » pour les opérations de la ville, faisant ainsi des villes intelligentes une autre étape d'application majeure pour les jumeaux numériques. Les gestionnaires peuvent simuler des plans d'urgence dans le modèle virtuel construit, par exemple en simulant l'impact de fortes pluies sur le réseau de transport, optimisant ainsi la planification du drainage et les plans de détournement du trafic. De plus, dans le domaine de la construction, la gestion complète du cycle de vie, de la conception à la construction en passant par l'exploitation et la maintenance, est également devenue plus collaborative et efficace grâce à la double technologie.
Quelles sont les valeurs fondamentales de la technologie des jumeaux numériques ?
Sa valeur première réside dans la réalisation de maintenance prédictive et d’optimisation des actifs. En simulant et en analysant en permanence l'état de fonctionnement des équipements, les jumeaux numériques peuvent émettre des alertes précoces de défauts potentiels des heures, voire des jours à l'avance, par exemple en prédisant la durée de vie restante des roulements de broches de machines-outils, organisant ainsi une maintenance planifiée et évitant d'énormes pertes causées par des temps d'arrêt imprévus. Cela modifie le modèle traditionnel de maintenance passive ou planifiée et réduit considérablement les coûts de maintenance.
Il existe une valeur fondamentale qui consiste à soutenir l’optimisation et l’innovation en boucle fermée. Les jumeaux numériques fournissent un « environnement bac à sable » sécurisé, qui permet aux ingénieurs d'effectuer de nombreuses « analyses de simulation » sans affecter la production réelle. Par exemple, dans le processus chimique, les combinaisons de paramètres peuvent être ajustées en continu pour le jumeau afin de trouver l’efficacité énergétique et le point d’équilibre de production optimaux, puis de déployer la solution la mieux vérifiée dans l’usine physique. Une telle itération d’interaction virtuelle et réelle accélère le processus d’innovation des processus et d’amélioration continue.
Quels sont les défis liés à la mise en œuvre de la technologie des jumeaux numériques ?
Le premier obstacle est l’intégration technologique et la qualité des données. De nombreuses entreprises disposent d’équipements de marques différentes et de protocoles de communication différents, ce qui rend la collecte de données difficile. De plus, il peut y avoir beaucoup de manquants ou de bruit dans les données historiques, ce qui affectera la précision du modèle. La solution consiste à formuler dès le début des normes de données unifiées et des spécifications d'interface, et à investir des ressources pour effectuer les travaux de gouvernance et de nettoyage des données nécessaires, afin de construire une base de données solide pour les jumeaux.
Le développement de jumeaux numériques haute fidélité repose sur une équipe interdisciplinaire d’experts. Le maintien de jumeaux numériques haute fidélité nécessite un investissement IT/OT continu, et le coût initial n’est pas faible. Il s’agit d’une situation au niveau des coûts d’investissement. Lorsqu’il s’agit de mesurer le retour sur investissement, la direction est généralement préoccupée par la question des coûts et du retour sur investissement. Les entreprises doivent clairement donner la priorité aux aspects commerciaux tels que la réduction des pertes dues aux temps d'arrêt et l'amélioration de l'efficacité de la conception pour rechercher des percées. Ils doivent également élaborer des indicateurs de performance clés quantifiables pour suivre le retour sur investissement. Ils doivent commencer par des projets pilotes à plus petite échelle et les promouvoir progressivement après avoir prouvé leur valeur.
Quelle est la future tendance de développement de la technologie des jumeaux numériques ?
À l’avenir, les jumeaux numériques et l’intelligence artificielle seront intégrés de manière plus approfondie. L'IA n'est pas seulement utilisée pour analyser les données des jumeaux, mais participe également à la construction et à la mise à jour automatique des modèles, afin que les jumeaux disposent de capacités d'auto-apprentissage et d'auto-évolution. Par exemple, l'algorithme d'IA peut ajuster automatiquement les paramètres du modèle d'usure dans le jumeau sur la base des données d'exploitation nouvellement générées, afin que ses prédictions puissent évoluer dans une direction plus précise et conduire finalement à une prise de décision et à une optimisation indépendantes.
On note également une tendance au développement de « réseaux de jumeaux numériques » ou de « systèmes de systèmes ». L’accent principal à l’avenir passera des jumeaux d’un seul appareil ou d’une seule ligne de production à la connexion de plusieurs jumeaux pour simuler l’ensemble de la chaîne d’approvisionnement ou de l’écosystème. Par exemple, en connectant des usines jumelles de fournisseurs, des réseaux logistiques et nos propres usines, nous pouvons entièrement simuler l’impact des interruptions de la chaîne d’approvisionnement, tester des stratégies de réponse et parvenir à une gestion de la résilience et à une optimisation collaborative véritablement systématiques.
Les jumeaux numériques évoluent vers des applications d’ingénierie à grande échelle. Ce ne sont pas de simples outils techniques, mais une façon de penser qui peut changer les modèles économiques. En ce qui concerne votre secteur actuel, quel est le problème spécifique ou le défi commercial qui, selon vous, est le plus susceptible d'être résolu par la technologie des jumeaux numériques ? Vous êtes invités à partager vos idées personnelles dans la zone de commentaires. Si cet article vous a inspiré, aimez-le et partagez-le avec davantage de pairs.
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