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?

Con l’avanzare della tecnologia dei gemelli digitali, molte organizzazioni stanno iniziando ad abbinare modelli virtuali a dati RTLS, intelligenza spaziale e segnali IoT per comprendere come si comportano i loro ambienti momento per momento. Quando questi modelli virtuali vengono continuamente aggiornati con informazioni RTLS precise, possono simulare operazioni in tempo reale, eseguire semplici scenari ipotetici e rivelare modelli che i sistemi statici spesso non riescono a cogliere. Per una visione più ampia di come queste funzionalità supportano le implementazioni pratiche, è possibile esplorare il loro funzionamento nelle operazioni reali quando combinate con la visibilità continua e la simulazione in tempo reale.

• 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”.

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.

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.

Desing

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.

Fonte

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