Le jumeau numérique est-il un atout pour l’industrie 4.0 ?

Représenter virtuellement en temps réel des objets, des processus ou des systèmes est devenu possible grâce au jumeau numérique. Si ceux-ci peuvent représenter des objets purement numériques, ils servent le plus souvent de passerelle entre les domaines physique et numérique. Par exemple, un jumeau numérique peut fournir une vue numérique des opérations d’une usine, d’un réseau de communication ou du flux de colis dans un système logistique.

« La mise en œuvre d’un jumeau numérique est un objet ou un modèle logiciel encapsulé qui reflète un objet physique unique, un processus, une entreprise, une personne ou toute autre abstraction », selon Gartner. « Les données de plusieurs jumeaux numériques peuvent être agrégées pour obtenir une vue composite sur un certain nombre d’entités du monde réel, telles qu’une centrale électrique ou une ville, et leurs processus connexes ».

Simulation : des avantages multiples

Ces clones virtuels d’opérations physiques peuvent aider les entreprises à surveiller les opérations, à effectuer une maintenance prédictive et à fournir un aperçu pour les décisions d’achat de capital. Ils peuvent également aider à simuler des scénarios qui seraient trop longs ou trop coûteux à tester avec des actifs physiques, à créer des plans d’affaires à long terme, à identifier de nouvelles inventions et à améliorer les processus. Selon la société GlobalLogic, spécialisée dans l’ingénierie des produits numériques, les jumeaux numériques offrent cinq avantages clés :

– Accélération de l’évaluation des risques et du temps de production. Les jumeaux numériques peuvent aider les entreprises à tester et à valider leurs produits virtuellement avant qu’ils n’existent dans le monde réel. Ils peuvent être utilisés par les ingénieurs pour identifier les défaillances des processus.

– Maintenance prédictive. Les entreprises peuvent utiliser les jumeaux numériques pour surveiller de manière proactive les équipements et les systèmes afin de programmer leur maintenance avant qu’ils ne tombent en panne, ce qui améliore l’efficacité de la production.

– Surveillance à distance en temps réel. Les utilisateurs peuvent surveiller et contrôler les systèmes à distance.

– Meilleure collaboration entre les équipes. GlobalLogic note que l’automatisation des processus et l’accès 24×7 aux informations sur les systèmes permettent aux techniciens de consacrer davantage de temps à la collaboration.

– Meilleure prise de décision financière. En intégrant les données financières, les entreprises peuvent utiliser les jumeaux numériques pour prendre des décisions plus judicieuses et plus rapides en matière d’ajustements.

L’usage des jumeaux numériques se développe rapidement, mais la technologie de mise en réseau et d’interconnexion sous-jacente doit suivre, notamment en matière d’interopérabilité. (Crédit Dassault Systèmes)

Une technologie basée sur des données en temps réel

Les jumeaux numériques se composent de trois éléments principaux, selon l’intégrateur de systèmes SL Controls :

– Les données historiques. Données sur les performances passées des machines, des processus et des systèmes.

– Les données en temps réel. Les jumeaux numériques reçoivent des mises à jour continues des capteurs de l’équipement et des sorties des plateformes et des systèmes, comme l’équipement de fabrication, le service à la clientèle et les achats.

– Les données futures. Elles comprennent l’apprentissage automatique et les données fournies par les ingénieurs.

4 domaines d’application

Selon IBM, les différents types de jumeaux numériques utilisés aujourd’hui se distinguent essentiellement par leur domaine d’application :

– Jumeaux de composants/jumeaux de parties : il s’agit de l’unité de base des jumeaux numériques. Le jumeau représente ici les caractéristiques physiques, mécaniques et/ou électriques d’un composant ou d’une pièce.

– Jumeaux d’actifs : les actifs sont deux ou plusieurs composants qui fonctionnent ensemble. Ces jumeaux représentent l’interaction des composants pour créer des données de performance.

– Jumeaux de système ou d’unité : ces jumeaux reflètent l’interaction des actifs qui forment un système ou une unité.

– Jumeaux de processus : ces jumeaux représentent la façon dont les systèmes fonctionnent ensemble. Par exemple, un jumeau de processus peut représenter une installation de production entière.

La simulation, un atout des jumeaux numériques

Les jumeaux numériques peuvent être considérés comme des simulations d’objets et de processus physiques, mais ce qui les distingue, ce sont les mises à jour en temps réel. Selon l’intégrateur de systèmes SL Controls, les simulations permettent aux ingénieurs d’effectuer des tests et des évaluations d’un bien physique, mais la simulation est statique. Elle dépend de l’entrée de nouveaux paramètres par l’ingénieur. Les jumeaux numériques reçoivent des mises à jour en temps réel de l’actif physique, du processus ou du système, ce qui permet aux ingénieurs d’effectuer des tests, des évaluations et des analyses dans des conditions réelles.

Une solution adoptée par Rolls-Royce et Mars

Des entreprises utilisent déjà les jumeaux numériques pour améliorer leurs activités. Par exemple, Rolls-Royce améliore l’efficacité des moteurs à réaction. La multinationale de l’aérospatiale et de la défense Rolls-Royce a déployé la technologie des jumeaux numériques pour surveiller les moteurs qu’elle produit. L’entreprise peut surveiller le fonctionnement de chaque moteur, les conditions dans lesquelles il vole et la façon dont le pilote l’utilise. Rolls-Royce utilise le jumeau numérique pour proposer des plans de service adaptés à des moteurs spécifiques.

La Cité de l’architecture & du patrimoine et la direction régionale des affaires culturelles de Nouvelle-Aquitaine (DRAC) ont collaboré avec l’éditeur Dassault Systèmes pour construire un jumeau virtuel à l’échelle 1/1 de la grotte de Lascaux, fermée au grand public depuis 1963.

La direction de la recherche technologique du CEA dévoile progressivement trois jumeaux numériques logistiques. À partir des expériences de terrain de ses 6 partenaires métier, il a conçu trois modèles fictifs d’entreprise pour simuler des scénarios dans l’activité portuaire, l’entreposage et la massification des flux. 

L’entreprise de confiserie, de soins pour animaux et d’alimentation Mars a créé un jumeau numérique de sa chaîne d’approvisionnement manufacturière pour soutenir ses activités. L’entreprise utilise la technologie pour améliorer la capacité et les contrôles de processus, notamment en augmentant le temps de fonctionnement des machines par le biais de la maintenance prédictive et en réduisant les déchets associés aux machines qui emballent des quantités incohérentes de produits.

TIAA réduit la complexité du service client. La Teachers Insurance and Annuity Association of America-College Retirement Equities Fund (TIAA) utilise un jumeau numérique pour réduire la complexité de l’accueil des nouveaux clients institutionnels. Le jumeau de TIAA utilise les métadonnées des produits, les flux opérationnels, les interdépendances superposées et les règles commerciales pour valider les sélections de plans de service des opérateurs de plans.

Bayer Crop Science remodèle sa stratégie grâce à des usines virtuelles. L’entreprise a créé des « usines virtuelles » pour chacun de ses neuf sites de fabrication de semences de maïs en Amérique du Nord. Ces usines virtuelles sont des représentations numériques dynamiques de l’équipement, des caractéristiques du processus et du flux de produits, de la nomenclature et des règles de fonctionnement de chacun des neuf sites. En plus de fournir une vue en temps réel des opérations, les usines virtuelles permettent à Bayer d’effectuer des analyses de simulation qu’elle utilise pour analyser de nouvelles stratégies, prendre des décisions d’achat de capital, créer des plans d’affaires à long terme et améliorer les processus.

Des plateformes logicielles complètes

Les plateformes logicielles jumelles numériques intègrent les données des capteurs IoT et d’autres données pour surveiller les performances des actifs et effectuer des simulations. Ian Skerrett, consultant, explique que les plateformes de jumeaux numériques évolutives présentent six caractéristiques essentielles. Tout d’abord, elles permettent de gérer le cycle de vie des jumeaux numériques. Ian Skerrett explique que les jumeaux numériques sont les instanciations des « fils numériques » ou des « maîtres numériques », c’est-à-dire les exigences, les pièces et les systèmes de contrôle qui constituent un actif physique. Par exemple, le maître numérique d’une éolienne est constitué des schémas d’ingénierie, des nomenclatures, des versions logicielles et d’autres artefacts utilisés pour créer une éolienne. Une plateforme de jumeau numérique pour les éoliennes doit tirer parti de ce maître numérique et fournir des outils pour tester, déployer et gérer le jumeau numérique sur la base du maître numérique. Ces outils doivent être capables de s’adapter à des centaines de maîtres numériques et à des milliers de jumeaux numériques.

Elles sont également une source unique de vérité. Les plateformes doivent être en mesure de mettre à jour et de fournir l’état exact de chaque jumeau numérique. Par exemple, une maintenance de routine peut conduire à ce qu’un actif ait une pièce ou une version de micrologiciel différente de celle d’un autre actif. Une plateforme doit être capable de mettre à jour l’état exact de chaque objet et actif dès qu’il change. En tant qu’interface et point d’intégration d’une solution IoT industrielle, la plateforme doit fournir une API ouverte qui permet à tout système d’interagir avec elle. La plateforme doit par ailleurs aider l’entreprise de créer des visualisations, des tableaux de bord et des analyses approfondies des données en direct provenant du jumeau numérique. Les données en direct doivent être liées au jumeau numérique.

La plateforme doit également donner aux utilisateurs les moyens de créer des événements et des processus métier qui peuvent être exécutés sur la base des données de la plateforme. Enfin, la plateforme doit permettre la collaboration entre les parties prenantes d’un jumeau numérique. Elle doit refléter quelle entreprise possède ou exploite chacun d’eux et quels utilisateurs sont autorisés à accéder aux données.

De nombreux fournisseurs

De nombreuses entreprises construisent leurs propres jumeaux numériques, mais il existe quelques fournisseurs de plateformes populaires. Voici quelques-unes des offres les plus populaires :

– Dassault Systèmes avec 3Dexperience

– aPriori Digital Manufacturing Simulation Software

– Autodesk Digital Twin

– Ayla Plateforme IoT 

– AWS IoT

– Interfacing Technologies Enterprise Process Center (EPC)

– Oracle IoT Production Monitoring Cloud

– GEDexperience Plateforme Predix

– SAP Leonardo Internet of Things

– PTC et Ansys avec Creo Ansys Simulation

Un marché en pleine expansion

Le marché des jumeaux numériques croît à un rythme rapide. Selon le cabinet d’études MarketsandMarkets, le marché mondial du jumeau numérique représentait 3,1 milliards de dollars en 2020 et devrait atteindre 63,5 milliards de dollars d’ici 2027. Il considère le jumeau numérique comme un élément clé de la quatrième révolution industrielle (ou « industrie 4.0 »). « Dans l’industrie 4.0, le jumeau numérique est considéré comme intégrant les techniques de fabrication avec une technologie avancée comme l’IoT qui aide à développer des systèmes de fabrication interconnectés », indique le cabinet d’études dans son rapport.

« Ainsi, la technologie du jumeau numérique semble être une solution idéale qui facilite la réalisation des normes de l’industrie 4.0 par les entreprises ». Le cabinet estime que l’automobile et les transports, l’énergie et l’électricité, ainsi que l’aérospatiale et la défense sont les principaux utilisateurs finaux de la technologie de jumeau numérique.