Jumeaux numériques, au-delà du Buzzword

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Identifié parmi le Top 10 des tendances technologiques stratégiques selon Gartner en 2018 [1], le concept de jumeau numérique - Digital Twin - suscite de plus en plus d’intérêt dans différents secteurs comme l’industrie, la santé, les smart cities ou encore le transport. Même si aujourd’hui, peu d’entreprises exploitent les jumeaux numériques en production, selon le cabinet Gartner, environ deux tiers des entreprises qui ont déployé de l’IoT devraient mettre en place au moins un jumeau numérique en production d’ici 2022 [2].

Le concept de jumeau numérique n’est pas nouveau. Au début des années soixante-dix, la NASA a été la première à expérimenter l’ancêtre du jumeau numérique – Pairing technology – dans son programme Applo. Le jumeau numérique a été introduit en 2002, par le Dr. Michael Grieves, spécialiste de la gestion du cycle de vie des produits à l’université de Michigan. Le concept s’appelait alors « Conceptual Ideal for Product Lifecycle Management » [3] et comportait en lui les prémisses du jumeau numérique. En 2012, la NASA définie dans son papier « The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles », les éléments clés pour mettre en œuvre un jumeau numérique [4]. Depuis, le jumeau numérique s’est installé dans différents secteurs et offre de nombreuses possibilités pour améliorer la prise de décision, renforcer la performance des produits, optimiser les opérations de maintenance, planifier les activités d’une chaîne de production toute entière, etc.

Qu’est qu’un jumeau numérique ?

Le jumeau numérique est une représentation dynamique virtuelle d’un objet, d’un système (ensemble d’objets) ou d’un processus du monde réel. Le jumeau numérique se base sur les données collectées en temps réel, combinés à la data analytics, la simulation et le Machine Learning pour comprendre, anticiper et mieux décider. Le Digital Twin a un objectif fondamental : modéliser le comportement des systèmes du monde réel pour permettre de meilleures décisions.

Le jumeau numérique n’existe que si les éléments suivants sont réunis :

  • Un objet ou un système physique dans son environnement réel,
  • Son double dans un espace virtuel,
  • Une communication entre le monde physique et le monde virtuel.

Le Digital Twin permet :

  • de comprendre : le double virtuel est alimenté en continu par les données du monde réel. Ces données sont remontées via les capteurs puis analysées et historisées offrant ainsi une vision précise du monde réel.
  • de simuler : le jumeau numérique permet, grâce à la simulation, d’explorer de différents scénarios. Il peut prévoir les modifications auxquelles va être soumis le système physique en se basant sur une évaluation de l’état simulé, sur les modèles établis à partir des données collectées précédemment.
  • d’agir : le jumeau numérique recommande des plans d’actions à mener à court ou moyen terme. L’opérateur peut décider de les mettre en place soit virtuellement (pour évaluer les impacts) soit physiquement.

Le jumeau numérique n’est pas à confondre avec :

  • Le modèle numérique « Digital Model » : le Digital Model est une version numérique d’un objet physique préexistant ou planifié, exemple, la maquette 3D d’un réacteur ou le plan d’un bâtiment. Il n’y a aucun échange automatique de données entre le modèle physique et le modèle numérique. Ce que veut dire, qu’une fois le modèle numérique créé, toute modification apportée au l’objet n’a aucun impact sur le modèle numérique.
  • L’ombre numérique « Digital Shadow » : le Digital Shadow est une représentation numérique d’un objet avec un flux de données à sens unique entre l’objet physique et numérique. Un changement d’état de l’objet physique entraîne un changement dans l’objet numérique mais le contraire est faux.

Dans le Digital Twin, les données circulent entre un objet physique et le double numérique dans les deux sens. Un changement sur l’objet physique entraîne automatiquement une modification sur le double numérique et vice versa. L’avantage principal de cette technologie est d’avoir une liaison en temps réel entre le monde physique et le monde virtuel. Le modèle physique alimente en continu son jumeau virtuel en données. Ces dernières sont recueillies par le biais d’un très grand nombre de capteurs situés sur l’objet ou le système physique. Ce qui va permettre d’obtenir une vision en temps réel de l’état du système.

Des technologies qui ont permis le développement des jumeaux numériques

Trois technologies émergentes ont permis le développement des jumeaux numériques :

  • Les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) et de modélisation 3D : le jumeau numérique trouve ses fondations dans la conception assistée par ordinateur (CAO), qui permet la conception et la représentation d’objets statiques en 3D. Aujourd’hui, ces outils sont devenus plus performants et permettent de représenter et simuler les performances des produits et des systèmes complexes.
  • Le développement rapide de l’IoT : la maturité du secteur de l’IoT, le faible coût des capteurs et le développement des réseaux permettent de collecter, en temps réel, un grand volume de données à partir de n’importe quel ensemble d’actifs physiques.
  • La puissance des algorithmes IA et des outils d’analyse prédictive : le développement des algorithmes de Machine Learning et des outils d’analyse de données nous offrent de nouvelles capacités pour mieux comprendre, mieux anticiper et mieux décider en analysant le grand volume des données remontées par les capteurs.

Le jumeau numérique est le fruit de la convergence de ces technologies et permet d’en tirer un maximum de valeur.

Quels bénéfices aux jumeaux numériques ?

Dans un environnement où les entreprises sont contraintes de réduire leurs coûts, de s’adapter toujours plus vite, de faire preuve d’une grande réactivité et capacité à anticiper les évolutions du marché, les applications du jumeau numérique sont multiples et offrent de nombreux bénéfices :

  • Des produits (et systèmes) mieux conçus : la visualisation de la progression de la construction d’un objet ou d’un système sur son jumeau numérique permet de comparer en temps réel les développements avec la cible finale. Le Digital Twin peut ainsi garantir que les exigences capturées au cours des premières phases du cycle de vie d’un produit sont maintenues, vérifiées et validées dès la conception et au fur et à mesure que le produit évolue.

  • Surveillance et contrôle à distance en temps réel : il est très difficile d’avoir une vue approfondie d’un grand système, physiquement et en temps réel. Par sa nature même, le jumeau numérique peut être accessible, n’importe quand et n’importe où, pour donner une vue précise et en temps réel d’un objet ou d’un système. Les performances du système peuvent non seulement être surveillées mais également contrôlées à distance.

  • Maintenance prédictive et planification : grâce aux quantités de données remontées par les capteurs, le jumeau numérique permet de mener des analyses et d’identifier en amont un risque de défaillance. Ce qui permet une meilleure planification de la maintenance.

  • Formation : alors que les systèmes deviennent de plus en plus complexes et que les experts se rapprochent de la retraite, l’utilité d’un jumeau numérique comme outil de formation prend de l’ampleur. Pour un nouvel utilisateur, toutes les informations sont disponibles dans le jumeau numérique (documentation technique, modèle 3D, processus, historiques, etc.). Il peut aussi simuler différentes situations, ce qui accélère le processus d’acquisition de connaissances.

  • Un système d’aide à la décision plus efficace et mieux informé : la disponibilité de données quantitatives et d’analyses avancées en temps réel permet aux organisations d’être mieux informées et de prendre rapidement les décisions.

  • Mieux collaborer : le Digital Twin ouvre de nouvelles possibilités pour la co-création et la collaboration intra et inter équipes. En effet, toutes les parties prenantes peuvent collaborer à distance et dans les mêmes conditions que dans le monde réel.

  • Meilleures documentation et communication : des informations disponibles facilement et en temps réel, combinées à du reporting automatique, permettent de garder toutes les parties prenantes bien informées améliorant ainsi la transparence.

Ces nouvelles possibilités, qu’offrent le Digital Twin, en termes d’optimisation des performances, ont des impacts positifs en matière de sécurité et de fiabilité, ce qui contribue à terme à renforcer la confiance des consommateurs dans l’entreprise, mais aussi en termes de réduction des coûts liés aux réparations ou défaillances des produits. Ces capacités, qui peuvent maintenant être appliquées à tout, des centrales électriques aux véhicules autonomes tout au long de leur cycle de vie, ont le potentiel de débloquer des milliards de dollars en valeur économique dans les décennies à venir.

Pour aller plus loin

Dans notre prochain article, nous aborderons les jumeaux numériques d’un point de vue technique à travers une revue des quelques plateformes du marché ainsi que des recommandations pour la mise œuvre.

Références

  1. https://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartner-top-10-strategic-technology-trends-for-2018/
  2. https://www.gartner.com/smarterwithgartner/prepare-for-the-impact-of-digital-twins/
  3. Michael Grieves, « Conceptual Ideal for PLM », Cours Université du Michigan, 2002
  4. Glaessgen Edward H., Stargel, D. S., « The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles », 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference - Special Session on the Digital Twin, 2012.

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Sami KHALFAOUI

Directeur de l'innovation