Cosa sono i gemelli digitali e dove vengono utilizzati?

Nel 2018, Gartner ha identificato per la prima volta i gemelli digitali come leader nel suo sondaggio annuale sul ciclo tecnologico. Da allora, la tecnologia ha solo preso slancio. Scopriamo come funziona.

Cos’è un gemello digitale

Un gemello digitale è un modello digitale (virtuale) di qualsiasi oggetto, sistema, processo o persona. Riproduce fedelmente la forma e l’azione dell’originale ed è sincronizzato con esso.

È necessario un gemello digitale per simulare ciò che accadrà all’originale in determinate condizioni. Questo aiuta, in primo luogo, a risparmiare tempo e denaro (ad esempio, quando si tratta di attrezzature complesse e costose), e in secondo luogo, ad evitare danni alle persone e all’ambiente.

Il concetto di gemello digitale è stato descritto per la prima volta nel 2002 da Michael Greaves, professore all’Università del Michigan. Nel suo libro, Le origini dei gemelli digitali, li ha scomposti in tre parti principali:

• Un prodotto fisico nello spazio reale.
• Prodotto virtuale nello spazio virtuale.
• Dati e informazioni che uniscono un prodotto virtuale e fisico.

Secondo Greaves, “in condizioni ideali, tutte le informazioni che possono essere ottenute da un prodotto possono essere ottenute dal suo gemello digitale”.

Ufficialmente, il termine “Digital Twin” è stato menzionato per la prima volta nel rapporto di modellazione e simulazione del 2010 della NASA . Si parla di una copia virtuale ultra realistica di un’astronave che riproduce le fasi di costruzione, collaudo e voli.

Un potente impulso nello sviluppo dei gemelli digitali si è verificato grazie allo sviluppo dell’intelligenza artificiale e dell’Internet delle cose . Questo è successo nel 2015, secondo lo studio Gartner Hype Cycle che descrive i cicli di maturità della tecnologia . Nel 2016, i gemelli digitali stessi sono entrati nel Gartner Hype Cycle e nel 2018 erano al loro apice.

Cosa sono i gemelli digitali?

• Prototipo (DTP) – è un analogo virtuale di un oggetto reale che contiene tutti i dati per la produzione dell’originale;
• Istanza (DTI) – contiene dati su tutte le caratteristiche e il funzionamento di un oggetto fisico, incluso un modello tridimensionale, e opera in parallelo con l’originale;
• Aggregated Twin (DTA) – un sistema informatico di gemelli digitali e oggetti reali che possono essere controllati da un unico centro e scambiati dati internamente.

Ad esempio, in Medio Oriente, la tecnologia dei gemelli digitali ha permesso di “raccogliere” 20 raffinerie di petrolio e aziende di produzione di petrolio della società ADNOC in un’unica sala di controllo e unificare tutti i processi.

L’errore ottimale tra il lavoro di un gemello digitale e il suo prototipo fisico è considerato del 5% .

Quali compiti risolvono i gemelli digitali?

• Eseguire un test run di un processo o di una catena di produzione in modo rapido e senza investimenti significativi.
• Rileva un problema o una vulnerabilità prima che inizi la produzione o che la struttura entri in produzione.
• Migliora l’efficienza dei processi o dei sistemi monitorando tutti i guasti prima di iniziare.
• Ridurre i rischi, compresi i rischi finanziari, nonché quelli relativi alla sicurezza per la vita e la salute del personale.
• Aumenta la competitività e la redditività della tua attività.
• Crea previsioni a lungo termine e pianifica lo sviluppo di un’azienda o di un prodotto per gli anni a venire.
• Aumenta la fedeltà dei clienti attraverso previsioni accurate della domanda e delle qualità del prodotto da parte dei consumatori.

Gemelli digitali per lo sviluppo e la personalizzazione dei robot.

Anastasia Perdero, Project Manager per l’Internet of Energy presso l’Energy Center della Moscow School of Management Skolkovo:

I gemelli digitali consentono di modellare realisticamente non solo gli oggetti stessi, ma anche i processi della loro costruzione e funzionamento in varie condizioni. Sono ora attivamente utilizzati per l’infrastruttura critica delle aziende – asset industriali connessi che generano attivamente dati – e possono essere utilizzati in diverse fasi del ciclo di vita degli asset”.

Dove vengono utilizzati i gemelli digitali?

• Estrazione e lavorazione dei minerali

I gemelli digitali aiutano a ridurre i rischi nella produzione e lavorazione di petrolio e gas. Ciò salva la vita dei dipendenti ed evita danni all’ambiente, oltre a enormi risparmi sui costi.

In una raffineria europea, il sistema di analisi predittiva di Schneider Electric ha previsto un grande guasto del compressore 25 giorni prima che si verificasse. Ciò ha consentito all’azienda di risparmiare diversi milioni di dollari.

• Grande produzione

La tecnologia Digital Twin consente di creare singole parti e riprodurre intere catene di produzione, conducendo test virtuali e prevenendo guasti alle apparecchiature.

• Energia

I gemelli digitali vengono utilizzati per ottimizzare il funzionamento delle centrali elettriche, evitare interruzioni di corrente e razionalizzare i consumi energetici.

Grazie ai gemelli digitali, GE ha risparmiato più di 1,5 miliardi di dollari per i suoi clienti.

• Infrastruttura IT

Puoi simulare un singolo dispositivo o servizio, o un’intera rete, calcolando i limiti di carico e considerando la protezione contro le minacce informatiche.

• Costruzione

Con l’aiuto dei gemelli digitali, puoi costruire un modello di un edificio futuro o di un intero blocco e prevedere come si adatterà all’ambiente, resisterà alle condizioni climatiche e ai carichi sulle strutture di supporto.

• Design

I modelli virtuali 3D di oggetti interni o decorazioni aiutano a immaginare come sarà l’oggetto, se qualcosa deve essere cambiato nella sua forma, colore e dettagli.

• Al dettaglio

I gemelli digitali consentono di prevedere il carico delle aree di vendita, il movimento di clienti e dipendenti, il livello ottimale di illuminazione e temperatura.

• Trasporti e logistica

Con l’ausilio dei digital twin è possibile ottimizzare i percorsi di trasporto, il lavoro dei servizi tecnici e i flussi di passeggeri.

Il sistema di smistamento bagagli virtuale per un grande aeroporto ha permesso di calcolare in anticipo che sarebbe necessaria una linea di trasporto aggiuntiva per ridistribuire i flussi in caso di situazioni di emergenza.

• Formazione scolastica

I modelli digitali aiutano a studiare oggetti e processi fisici in un ambiente virtuale, spesso utilizzando la realtà virtuale, aumentata e mista.

• Industria spaziale

Con l’aiuto dei gemelli digitali, astronavi e interi programmi vengono sviluppati, testati e lanciati.

Il gemello digitale Apollo 13 nel 1970 ha permesso a ingegneri e astronauti sulla Terra di salvare una missione da un incidente.

• Medicinale

I gemelli digitali del paziente ti aiutano a scansionare i segni vitali online, selezionare il trattamento più efficace ed eseguire un intervento chirurgico.

• Sport

Puoi elaborare le tattiche del gioco di squadra o condurre una formazione individuale sul gemello digitale.

Le simulazioni digitali vengono utilizzate per migliorare le vetture di Formula 1 , calcolando le prestazioni e le prestazioni ideali per l’autodromo.

• Urbanistica

Esistono gemelli digitali di intere città, ad esempio Singapore o la russa Kronstadt . Monitorano i flussi di traffico, le comunicazioni, lo sviluppo, le condizioni ambientali e il consumo di energia al fine di apportare importanti cambiamenti nel tempo.

• Agricoltura

Grazie ai gemelli digitali, è possibile calcolare le condizioni climatiche e le colture, rendendo l’agricoltura più efficiente.

Come si presenta il processo di creazione di un gemello digitale

I doppi possono essere creati in diversi modi:

• Modello grafico 3D;
• Modello basato sull’Internet of Things (IoT, Internet delle Cose);
• Modelli matematici integrati – come i sistemi CAE (ingegneria assistita da computer, soluzioni per l’analisi ingegneristica, calcoli e simulazioni) per calcoli ingegneristici;
• Varie tecnologie di visualizzazione, inclusi ologrammi, AR e VR.

Le fasi della creazione di un doppio sono le seguenti.

Indagine sull’oggetto

Questa fase precede lo sviluppo solo se il gemello digitale ha un vero prototipo, ad esempio un’impresa funzionante o un sistema di comunicazione. Quindi gli sviluppatori elaborano una mappa prototipo dettagliata, riproducono tutti i processi e le caratteristiche. Allo stesso tempo, è importante studiare l’oggetto in condizioni diverse.

Modellare una copia digitale di un oggetto

Questa fase può essere la prima se non esiste ancora un vero prototipo e la precede la creazione di un gemello digitale. Ad esempio, nella costruzione o nella progettazione, quando viene creato prima un modello 3D digitale e solo dopo l’originale di un edificio o di un altro oggetto.

Per costruire un modello complesso vengono utilizzati metodi matematici di calcolo e analisi:

• Il metodo degli elementi finiti (FEA – Finite Element Analysis), permette di calcolare il carico operativo. Viene utilizzato, ad esempio, per calcolare la meccanica di un solido deformabile, il trasferimento di calore, l’idrodinamica e l’elettrodinamica.
• I modelli di Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) sono necessari per analizzare l’affidabilità dei sistemi e identificare le fasi più critiche nei processi di produzione.
• I modelli CAD (Computer-aided Design/Drafting) vengono utilizzati per calcolare le caratteristiche esterne e la struttura di oggetti, materiali e processi.

L’incarnazione del modello

Quindi l’architettura precedentemente calcolata del gemello digitale viene trasferita su piattaforme speciali  come Siemens o Dassault Systemes. Combinano modelli matematici, dati e un’interfaccia per controllare un gemello digitale, trasformandolo in un sistema dinamico. Questa fase può essere paragonata alla trasformazione del codice del programma in un programma o in un’applicazione con un’interfaccia visiva comprensibile a qualsiasi utente.

Testare i principali processi di lavoro sul gemello digitale

L’obiettivo principale di questa fase è prevedere come si comporterà un oggetto o un sistema in modalità normale e in situazioni di emergenza al fine di evitare guasti e sovraccarichi dopo l’avvio. Per fare ciò, nel processo sono coinvolti analisti tecnici, che raccolgono una grande quantità di dati durante i test al fine di calcolare algoritmi per eventuali condizioni e situazioni.

Avviamento e messa in servizio

Se la fase precedente è stata eseguita correttamente, durante il funzionamento di un vero prototipo, si possono evitare fino al 90% di guasti e guasti . Tuttavia, alcune situazioni ancora non sono prevedibili e quindi vengono monitorate già in fase di lancio e messa a punto del gemello digitale.

Correzione e sviluppo dell’oggetto o sistema originale

Inoltre, gli ingegneri continuano a lavorare con il gemello digitale come con un oggetto fisico reale fino a quando non viene eseguito il debug di tutti i sistemi e i processi. Come risultato di questo lavoro, vengono apportate modifiche all’oggetto originale al fine di raggiungere la sua massima efficienza.

Prospettive per i gemelli digitali

Secondo Gartner , il 12% delle aziende che utilizzano l’Internet of Things utilizza anche i gemelli digitali e il 62% prevede di farlo. GE Digital nel 2019 ha nominato la cifra di 1,2 milioni di gemelli digitali nel mondo. Secondo altre previsioni, il mercato dei digital twin raggiungerà i 16 miliardi di dollari nei prossimi due anni .

Nel settore, la tecnologia sta già contribuendo a incrementare l’efficienza di almeno il 10%, e nel settore petrolifero – per salvare dal 5% al 20% degli investimenti di capitale. Nei prossimi anni, le grandi aziende passeranno al monitoraggio e alla gestione da remoto di interi settori e di tutti i reparti attraverso sistemi virtuali.

Lo stesso accadrà con le città : acquisiranno gemelli digitali che uniranno tutti i più importanti sistemi, quartieri e infrastrutture urbane. Il monitoraggio online sarà effettuato utilizzando sensori IoT, scanner e droni di machine learning e gli stessi sistemi virtuali saranno ospitati nel cloud. Allo stesso tempo, le autorità federali avranno accesso anche al doppio. Ciò consentirà, in particolare, di rispondere con urgenza alle emergenze e di prevenirle anche nelle regioni più remote.

Le controparti digitali saranno ispolzovat s e nella vita di tutti i giorni : ad esempio, per monitorare i parametri vitali o migliorare le prestazioni di un dispositivo. Con l’aiuto dell’Internet of Things, saremo in grado di combinare tutte le comunicazioni e la tecnologia della casa in un unico sistema e gestirle utilizzando il gemello digitale della casa.

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