TSM - Digital Twin

Călin Ilici - Digital Tech Developer Assoc Manager @ Accenture Industrial Software Solutions

Despre Digital Twin s-au scris multe. Fiind o tehnologie emergentă inovativă, i s-a căutat utilizarea în diverse domenii și industrii unde a căpătat înțelesuri diferite. Conceptul de Digital Twin nu este nou. De fapt, au trecut mai bine de 50 de ani de când NASA a început să folosească ideea de Twins pentru vehiculele lor de explorare spațială din anii '60. Datorită modelului "geamăn" de pe Pământ care le-a permis inginerilor de la bază să exploreze posibile soluții, astronauților de pe Apollo 13, în 1970, le-au fost oferite soluții salvatoare. Mulți ani mai târziu, Michael Grieves de la Institutul de Tehnologie din Florida( USA) a aplicat prima dată conceptul de Digital Twin în fabricație și, în 2002, l-a introdus public în timpul unei prezentări la Universitatea din Michigan (USA).

Deși terminologia din jurul Digital Twin a evoluat de-a lungul anilor, ideea de bază, de a crea gemeni fizici-virtuali ca o entitate unică a rămas aceeași încă de la apariția sa.

Procesele și produsele unde Digital Twin are aplicabilitate sunt numeroase. Pe cât de multe sunt acestea, pe atât de multe sunt și definițiile, dintre care majoritatea acoperă doar un punct de vedere îngust, reducând Digital Twin la o simplă reprezentare virtuală.

Din punctul meu de vedere, cea mai bună definiție ar fi aceasta: Digital Twin este o reprezentare virtuală și dinamică a unui proces, produs sau serviciu definit ca un model inteligent care poate schimba date bidirecțional cu lumea reală pentru a prezice, monitoriza sau optimiza performanța componentei sale fizice (physical twin).

Propun această definiție pentru că, așa cum se va vedea în continuarea articolului, Digital Twin este mai mult decât o machetă digitală (Digital Mock-up), se aplică atât pentru produse cât și pentru procese și servicii și, cel mai important, componentele fizice și virtuale comunică și se influențează reciproc.

De ce Digital Twin acum?

O dată cu apariția Internet of Things (IoT), a senzorilor, edge-computing și a tehnologiilor AR/VR și wireless, Digital Twin devine un instrument extrem de valoros și rentabil în mai multe industrii, nu numai viabil din punct de vedere financiar dar și atunci când vine vorba de colectarea și analizarea datelor.

Potrivit Delloite1, se așteaptă ca piața globală pentru Digital Twin să crească cu 38% anual până la o valoare estimată de $16B în 2023. În domeniul industrial, organizațiile cu active multe și costisitoare, precum în sectoarele petrol și gaze, aeronautic și automotive, folosesc deja Digital Twins pentru a-și transforma produsele și procesele proprii. Oportunitățile imense aduse de Digital Twins au fost observate, de asemenea, în sectoare precum retail (vânzarea cu amănuntul), sănătate și orașe inteligente.

Uitându-ne cu atenție la ceea ce reprezintă în esență un adevărat Digital Twin, descoperim datele și fluxul lor (Fig. 1). Colectarea de date operaționale și de mediu de la physical twin devine mai puțin costisitoare cu senzori IoT ieftini, în contextul evoluției continue a tehnologiilor de transmitere wireless (de exemplu, 5G, zigbee etc).

Cu toate acestea, sunt multe cazurile în care volumul de date colectate este enorm de mare. Pentru acești Digital Twins, trebuie stabilită o arhitectură Edge astfel încât toate aceste date să fie analizate și procesate prin dispozitive specifice Edge Computing.

O altă tehnologie de bază care este dezvoltată în zilele noastre este interfața om-computer prin chatbots, recunoașterea vorbirii (speech-recognition), asistenți virtuali și AR/VR, toate acestea facilitând interacțiunea cu Digital Twins.

Din punctul de vedere al dimensiunii organizațiilor, Digital Twin a fost, inițial, restrâns la cele mari din cauza costurilor mari și a efortului de implementare. Dar, pe măsură ce tehnologiile care facilitează crearea unui Digital Twin devin din ce în ce mai rentabile (de exemplu, prețul senzorilor IoT a scăzut cu un ordin de mărime), întreprinderile de astăzi sunt mai susceptibile să exploreze modalități noi, fiind îmbunătățite de a crea și de a valorifica beneficiile acestor avatare digitale.

O privire către piață

În ultimii ani, Accenture2,3, Oracle4, SAP5 și alti furnizori de tehnologie au lansat oferte de Digital Twin. Alți producători de software precum Dassault Systemes6, PTC7, Siemens8 și ANSYS9 au făcut achiziții pentru a-și construi sau întări capabilitățile în zona Digital Twin. Link-urile din dreptul fiecăruia oferă informații suplimentare despre ofertele acestora precum și viziunea lor în ceea ce privește Digital Twin.

Din punctul de vedere al pieței pentru Digital Twin, aceasta se poate împărți după mai multe criterii:

A. Formula 1

Dr. Peter van Manen, fostul director executiv și vice-președinte al McLaren Applied Technologies, o subsidiară a McLaren Group, explică: "Digital Twins nu vor fi perfecți de la început - sunt precum un cățeluș primit cadou de Crăciun - este minunat dar trebuie să ai grijă continuă de el dacă vrei să ai parte de ceea ce aduce el bun." Și continuă: "Noi, cei din echipa tehnică, primim o mulțime de date precum cele despre cum se comportă anvelopele, cum lucrează mașina sau despre ce trebuie să facem ca să avem cea mai scurtă oprire la boxe, împreună cu multe alte date telemetrice. În esență, Digital Twin colectează date pe care noi le putem folosi pentru a face mașinile noastre să concureze mai bine."

B. Orașe inteligente

La începutul lui 2018, compania europeană de software Dassault Systemes a terminat construirea unui Digital Twin a orașului Singapore10, cunoscut acum ca 3DEXPERIENCECity.

A dispune de o copie digitală a orașului aduce beneficii precum faptul că permite celor care administrează orașul să optimizeze consumul de energie sau să ajusteze și mai bine traficul prin sistemul de semaforizare în timp ce, proprietarilor de magazine, de exemplu, le permite să-și adapteze orele în care sunt deschise în funcție de diferite evenimente publice (de exemplu, concerte, meciuri de fotbal etc.).

Alte exemple de Digital Twins pentru orașe și/sau infrastructura lor ar fi sistemul de transport al orașului New York, SUA, sau cel implementat la Land Use Victoria, Australia.

C. Sisteme de sănătate

După cum a fost demonstrat de studii științifice, medicația poate fi ineficientă în cazul a 40%-70% dintre pacienți făcând astfel tratarea bolilor din ce în ce mai problematică. Prin secvențierea RNA și transpunerea lui în digital, Linköping University in Sweden11 a creat Digital Twins al cobailor cu artrită reumatoidă. Apoi, cu ajutorul simulărilor pe calculator, oamenii de știință au fost capabili să determine care medicamente ar fi cele mai eficiente în tratarea fiecărui cobai în parte. Mergând mai departe, această tehnologie ar putea să înlăture nevoia de studii clinice periculoase și costisitoare pe oameni.

Dassault Systemes12 construiește o librărie de simulări realiste ale inimii umane pe care medicii o pot consulta pentru a înțelege mai bine boala unui pacient în timp real.

Philips13 lucrează la construirea de modele bio-fizice folosind chiar datele pacientului. Cu ajutorul Digital Twin al fiecărui pacient, un medic poate relaționa cu date din cazuri similare pentru a determina ce terapie ar putea avea cel mai bun rezultat pentru pacient. Pentru o precizie și mai mare, înainte ca operația să înceapă, chirurgul poate simula diverse proceduri pe Digital Twin și alege astfel abordarea care va avea rezultatul optim. În timpul operației în sine, procedura și situațiile neprevăzute sunt analizate în timp real în cadrul Digital Twin astfel încât eventualele probleme să fie abordate imediat.

D. Retail

Intermarché: Compania franceză care acționează în domeniul supermarketurilor folosește datele de la rafturi dotate cu senzori IoT pentru a crea un Digital Twin al magazinelor fizice care le permite managerilor să primească informații importante în timp real despre stocuri și le permite, de asemenea, să testeze eficacitatea diferitelor sisteme de aranjare a mărfii pe rafturi.

E. Producție

Unilever14 are, acum, opt centre de producție în toată lumea care au dezvoltat Digital Twins. În aceste unități, datele de la sistemele IoT sunt introduse în modele digitale ale fiecărei fabrici. Aceste date sunt apoi procesate de algoritmi care pot fi folosiți pentru a îmbunătăți procesul de fabricație în ansamblul lui. Rezultatul procesării este apoi trimis înapoi la fabrica fizică pentru a optimiza procesul real. Unilever a înregistrat un succes semnificativ prin implementarea acestor Digital Twins în ceea ce privește consistența producției de săpunuri și detergenți. Prin utilizarea AI, compania a fost, de asemenea, capabilă să reducă numărul de alerte false care necesitau intervenția operatorilor în fabrici. Înainte, compania înregistra 3.000 de astfel de alerte în fiecare zi dar, acum, numărul acestora a fost redus cu 90%.

Maserati15 a creat un Digital Twin al modelului Ghibli care este identic 100% cu originalul, până la ultimul șurub. Acest Twin a jucat un rol important pe durata dezvoltării mașinii când datele din sistemul fizic și cele din modelul virtual au fost folosite simultan pentru a optimiza procesele. Ca rezultat, costurile au fost reduse iar durata dezvoltării a fost îmbunătățită cu 30%.

Bausch + Ströbel16 plănuiesc să facă ingineria cu cel puțin 30% mai eficientă pana în 2020 prin digitalizare, bazându-se pe o platformă PLM și sisteme de automatizare de la Siemens. Digital Twin va permite punerea în funcțiune virtuală, relevând defectele care pot fi corectate astfel încât punerea în funcțiune fizică, reală, să fie semnificativ mai rapidă. Ajustările necesare în timpul construcției și acceptanța clientului sunt trimise înapoi în Teamcenter atfel încât Digital Twin este întotdeauna o imagine fidelă a mașinii fizice. Aceasta permite companiei să producă rezultate de business și în zona serviciilor.

F. Servicii

Stara: Producătorul brazilian de tractoare folosește Digital Twins pentru a moderniza agricultura. Prin echiparea tractoarelor sale cu senzori IoT, compania poate să mărească eficiența echipamentelor. Pentru că are vizibilitate în timp real despre cum operează tractoarele sale, Stara poate preveni, în mod proactiv, disfuncționalitățile și să îmbunătățească perioada în care produsele sale operează fără probleme. Compania folosește Digital Twins și pentru a crea noi modele de business: având o multitudine de date de la senzorii IoT, Stara a lansat un nou serviciu profitabil care oferă fermierilor informații detaliate în timp real despre condițiile optime de plantare a culturilor care să ducă la o creștere a producției. Astfel, fermierii au redus necesarul de semințe cu 21% și utilizare de fertilizatori cu 19% datorită informațiilor primite de la Stara.

Kaeser: Producătorul American de compresoare cu aer a folosit Digital Twins pentru a face trecerea de la un vânzător doar de produse la unul de servicii. În loc să instaleze echipamentul la adresa clientului și să-l lase pe el să-l opereze, Kaeser gestionează produsul pe toată durata sa de viată și încasează venituri pe baza consumului de aer în locul unei taxe fixe. O rețea de Digital Twins permite companiei să monitorizeze condiția fiecărui echipament 24/7 și să măsoare consumul de aer pentru fiecare client în parte. Datele primite în timp real de la fiecare produs au ajutat Kaeser să mărească durata de funcționare a echipamentelor precum și să emită facturi bazate pe date corecte și reale. În plus, compania și-a redus costurile cu comoditățile cu 30%.

G. Centrale energetice

În acest domeniu, GE17 a creat cel mai avansat Digital Twin care integrează modelele analitice ale diverselor componente ale unei centrale energetice și măsoară astfel integritatea, uzura și performanța activelor în funcție de diferiți indicatori și obiective de business personalizate. Digital Twins rulează pe o platformă industrială IoT (IIoT) numită Predix™ proiectată să ingereze volume mari de date de la senzori, să gestioneze și să execute modele analitice și, de asemenea, să ruleze programe de funcționare bazate pe reguli de business.

Ce urmează?

Gartner publică anual un studiu în care plasează tehnologiile emergente într-una dintre cele cinci faze ale ciclului lor de viață. Practic, Gartner consideră că o tehnologie nouă, o dată ce apare ca idee inovativă, va trece printr-o fază în care așteptările vor crește și apar poveștile de succes dar și eșecurile, urmată de o perioadă de dezamăgire când piața înțelege care sunt capabilitățile reale și aplicabile pentru ca, într-un final, după câteva iterații, noi generații ale tehnologiei vor apărea și aceasta poate intra în perioada de utilizare în masă și productivitate.

Studiul Gartner Hype Cycle for Emerging Technology (2018)18 arată unde se află Digital Twin, ca tehnologie emergentă, în cadrul ciclului său de viață (Fig. 2).

Se poate observa că Digital Twin și-a atins nivelul maxim de așteptări dar încă nu a livrat în aceeași măsură și încă are nevoie de maturizare. Sigur, se poate argumenta că Digital Twin abia și-a atins nivelul de promovare maximă și că vom intra, sau am intrat deja, în "zona de dezamăgire" dar am putea, la fel de bine, să mai vedem Digital Twin încă ani buni la acest vârf al curbei așteptând maturizarea altor tehnologii precum 5G, IoT, Edge Computing, Digital Factories etc. și adoptarea lor pe o scară mai largă.

La fel ca aproape toate celelalte tehnologii emergente, Digital Twin va avea nevoie în continuare de suport de la alte tehnologii care acum se fundamentează precum și de integrarea în ecosisteme mai dinamice. O dată ce acestea se vor maturiza, Digital Twin va intra în era de productivitate și adopția pe scară largă, iar concepte noi, precum Digital Triplets (câte un Digital Twin pentru fiecare produs fabricat) vor deveni fezabile și vor aduce noi oportunități de business.