Gemelo digital e IA: concepto clave para la Industria 4.0

La rápida expansión del mercado de los gemelos digitales indica que ya se utilizan ampliamente en diversos sectores, y se prevé que la demanda siga siendo alta en el futuro. En 2020, el mercado se estimaba en 3.100 millones de dólares y podría crecer hasta alcanzar los 48.200 millones de dólares en 2026 como mínimo, según los expertos del sector. El uso integral de gemelos digitales permite minimizar el tiempo de inactividad operativa y optimizar la producción al mismo tiempo.

Análisis del mercado

El rápido crecimiento del mercado de los gemelos digitales demuestra que ya se utilizan en muchos sectores, pero que la demanda seguirá creciendo con fuerza durante más tiempo. Un análisis del tamaño y la cuota de mercado de los gemelos digitales por Inteligencia de Mordor muestra que el mercado de los gemelos digitales ya estaba valorado en 3 100 millones USD en 2020. Algunos analistas del sector especulan con que podría seguir creciendo hasta alcanzar un valor estimado de 48 200 millones USD al menos en 2026. El sitio Aplicación integral de los gemelos digitales permite a las empresas reducir los tiempos de inactividad de los sistemas y aumentar la producción al mismo tiempo.


¿Qué es un gemelo digital?

¿Qué es un gemelo digital?

Un gemelo digital, a menudo también denominado "mellizo digital", es un modelo informatizado de un objeto físico o no físico que se utiliza de diversas formas. A veces también se utiliza el término "avatar digital".

Explicación de los términos

El gemelo digital es un modelo virtual, por ejemplo de un

  • Proceso
  • Producto
  • un servicio

y vincula el mundo real con el digital. Los gemelos digitales utilizan datos reales procedentes de sensores instalados y registran, por ejemplo, las condiciones de funcionamiento o la posición de las máquinas. Esta combinación de mundos real y virtual permite Análisis de datos y sistemas de supervisión para reconocer y tratar los problemas en una fase temprana, evitar tiempos de inactividad, crear nuevas oportunidades y planificar escenarios futuros con ayuda de simulaciones por ordenador.

Hoy en día, los gemelos digitales que abarcan todo el ciclo de vida de un producto, proceso o modelo de negocio y, por tanto, constituyen la base de los productos y servicios en red, son una necesidad empresarial.

Función

Se necesitan tres componentes para un gemelo digital:

  1. El objeto real.
  2. El gemelo digital en el espacio virtual.
  3. La información que conecta a ambos.

El objeto está equipado con sensores que recogen datos sobre su estado o posición, que luego son recibidos, procesados y analizados por un sistema. Los gemelos digitales mejoran así el rendimiento operativo y financiero de un objeto, como una planta o un servicio. Suelen crearlos expertos especializados, que también utilizan los datos en tiempo real de los objetos.

Beneficio

Un gemelo digital puede ser útil a lo largo de todo el ciclo de vida de un objeto. En la fase inicial de "diseño", ayuda a gestionar los complejos requisitos del producto, los rápidos ciclos de desarrollo y los estrictos requisitos normativos. El gemelo digital ayuda a analizar distintas alternativas de diseño y a realizar simulaciones y pruebas para garantizar que se cumplen los requisitos. En la fase de "producción", el gemelo puede aumentar la eficacia, la calidad y el rendimiento. En la "fase de explotación", un gemelo digital mejora la disponibilidad de objetos como las máquinas. En la "fase de reutilización", el gemelo digital puede utilizarse para planificar piezas de recambio o identificar el potencial de upcycling.

Ventajas del gemelo digital en la industria manufacturera

Desde la mejora del control y la optimización de productos hasta la supervisión de procesos: Las empresas utilizan datos relacionados con los productos y simulaciones predictivas para aumentar la eficiencia de la producción y la calidad de los productos, al tiempo que reducen los costes de fabricación y servicio. Esto crea capacidad para afrontar los retos futuros de forma competitiva:

  • Desarrollo de productos - Un gemelo digital de un producto se utiliza para pruebas y simulaciones virtuales con el fin de mejorar el diseño, predecir el rendimiento e identificar los defectos del producto en una fase temprana. Esto reduce los costes de desarrollo y acelera la comercialización.
  • Mantenimiento y revisión - El gemelo digital proporciona información en tiempo real sobre el estado y el rendimiento de un producto. Los análisis de datos pueden utilizarse para detectar anomalías o desgaste e iniciar tareas de mantenimiento. Así se reducen los tiempos de inactividad y se alarga la vida útil de los productos.
  • Optimización de procesos - Los gemelos digitales se utilizan para optimizar los procesos de fabricación y empresariales. El análisis de los datos de producción permite detectar cuellos de botella y mejorar los procesos, lo que se traduce en una reducción de costes y un aumento de la productividad.
  • Puesta en servicio virtual - Con la ayuda de un gemelo digital, es posible probar sistemas y líneas de producción virtualmente antes de que se construyan. Esto permite detectar y corregir los puntos débiles en una fase temprana, ahorrando tiempo y dinero.
  • Educación y formación - Los gemelos digitales también se utilizan para formar a los empleados. Se pueden aprender tareas complejas y practicar escenarios específicos en un entorno virtual. Esto reduce los costes de formación y aumenta la eficacia de las sesiones de formación.

Submodelos en producción industrial e ingeniería

  • Autodescripciones basadas en modelos - Su objetivo es permitir la autoidentificación y la autoconfiguración para que, por ejemplo, las máquinas y sus componentes puedan registrarse de forma independiente en el sistema MES o el sistema IoT con sus capacidades y servicios utilizando la información del conductor proporcionada.
  • Descripción de las capacidades (competencias) de los sistemas de producción - Entre ellos se incluyen procesos de fabricación específicos como el torneado o la soldadura MAG, así como funciones de flujo de materiales como la elevación o el transporte continuo. También se incluyen los atributos y sus rangos de valores admisibles, así como la lógica en algunos casos. Esta información puede utilizarse para montar, configurar y poner en marcha de forma eficiente equipos de producción para crear nuevos sistemas para tareas de fabricación específicas.
  • Modelos de comportamiento normal basados en datos - Estos modelos se basan en los datos de funcionamiento de una máquina, una línea o todo un proceso de producción, que se registran a partir de operaciones reales a través de un MES, por ejemplo, y se analizan mediante aprendizaje automático.
  • Simulaciones en línea y fuera de línea - Esto incluye simuladores especializados, como los de elementos finitos, puesta en servicio virtual o simulación de procesos físicos. Lo ideal es que estos modelos de simulación interactúen entre sí. Aunque el término gemelo digital suele equipararse al de simulación, esta definición es demasiado estrecha, según Fraunhofer IOSB.
  • La fábrica digital - Esto comprende una amplia red de modelos digitales, métodos y herramientas que se integran a través de la gestión de datos de extremo a extremo, por ejemplo, para los sistemas de producción y flujo de materiales, así como edificios y equipos técnicos de construcción (de acuerdo con VDI 4499, Hoja 1).

Un gemelo digital completo también incluye aspectos como la seguridad informática, los derechos de acceso, la gestión de certificados, la gestión de versiones y las pruebas de compatibilidad de las distintas versiones de los gemelos digitales.

Conexión entre el gemelo digital y la Industria 4.0

El gemelo digital se utiliza en la producción combinando datos del producto con modelos y datos de funcionamiento y proceso para crear una imagen virtual completa y dinámica de un producto real. Esta combinación constituye la base de análisis retrospectivos y predicciones prospectivas sobre el producto.

El enriquecimiento continuo del gemelo digital con datos de medición actuales crea una imagen digital detallada que permite realizar declaraciones y previsiones fiables. Esto respalda el desarrollo de servicios como el seguimiento de productos, la realización de análisis de uso o la creación de estrategias de mantenimiento predictivo para planificar el mantenimiento de forma eficiente y a tiempo.

Por tanto, los gemelos digitales desempeñan un papel decisivo en la Industria 4.0 y la digitalización de la producción.

El "concepto de gemelo digital"

A principios del siglo XXI, M. Grieves y J. Vickers desarrollaron el concepto básico de gemelo digital tal y como se utiliza hoy en día (véase Función de un gemelo digital). El concepto consta de tres elementos principales: Los productos físicos en el espacio real, los productos virtuales en el espacio digital y los flujos de datos e información que los conectan.

Este concepto ampliado permite la comunicación entre el objeto real y el virtual, por lo que los datos del objeto real al virtual se denominan "sombra digital" y la información de retorno, "impulso digital".

Esta interacción permite personalizar objetos reales a partir de modelos virtuales, lo que repercute positivamente en un control más eficaz de los procesos y en la adopción de medidas preventivas gracias a los datos en tiempo real. Por tanto, la definición de gemelo digital también incluye varios arquetipos, que van desde una simple representación digital hasta sistemas interactivos controlados de forma autónoma. Arquetipos de gemelos digitales:

  • Gemelo digital básico - Representación digital sencilla con procesamiento interno de datos.
  • Gemelo digital enriquecido - Inclusión de flujos de datos vecinos.
  • Control autónomo Twin - Sistema autónomo con interfaz hombre-máquina.
  • Control autónomo mejorado Twin - Control autónomo avanzado con bajada de datos.
  • Gemelo exhaustivo - Gemelo digital completamente integrado que incorpora todos los datos y procesos relevantes.

Tipos de gemelos digitales

En función del nivel de detalle, existen varios tipos de gemelos digitales, que se diferencian principalmente por su ámbito de aplicación. Es habitual que en un sistema o proceso se utilicen simultáneamente varios tipos de gemelos digitales. A continuación se describen detalladamente los distintos tipos de gemelos digitales y sus diferencias y ámbitos de aplicación específicos:

Mellizos componentes/mellizos parciales
Constituyen la unidad básica de un gemelo digital y representan el ejemplo más pequeño de componente funcional. Los gemelos parciales se diseñan de forma similar, pero se refieren a componentes menos críticos.

Activos gemelos
Cuando dos o más componentes interactúan, se crea lo que se denomina un activo. Los gemelos de activos permiten que estos componentes interactúen analizando y generando una gran cantidad de datos de rendimiento que pueden procesarse y transformarse en información útil.

Gemelos del sistema o de la unidad
Representan un nivel ampliado y permiten seguir cómo los distintos activos forman un sistema global que funciona. Los gemelos del sistema ofrecen una visión clara de las interacciones entre los activos y pueden proporcionar recomendaciones para mejorar el rendimiento.

Gemelos de proceso
Situados a nivel macro, los gemelos de proceso revelan cómo funcionan conjuntamente los distintos sistemas para hacer funcionar una planta de producción completa. Comprueban si estos sistemas están sincronizados y funcionan con la máxima eficacia, o si los retrasos en un sistema repercuten en otros. Los gemelos de proceso son útiles para elaborar programas precisos que repercuten en la eficacia general de la fabricación.

Mercado y sectores para el gemelo digital

Los gemelos digitales se valoran por su rendimiento, pero su uso no tiene sentido para todos los fabricantes o todos los productos. Algunos objetos no son lo suficientemente complejos como para justificar el flujo intensivo y continuo de datos de sensores que requieren los gemelos digitales. Además, crear un gemelo digital puede suponer un reto desde el punto de vista financiero, ya que replicar con precisión un objeto físico es potencialmente costoso.

No obstante, ciertos tipos de proyectos se benefician considerablemente del uso de modelos digitales:

  • Proyectos a gran escala con dimensiones físicas - Por ejemplo, edificios, puentes y otras estructuras complejas sujetas a estrictas normas de ingeniería.
  • Proyectos mecánicamente complejos - Por ejemplo, en turbinas a reacción, coches y aviones, donde los gemelos digitales pueden ayudar a aumentar la eficiencia de las máquinas.
  • Sistemas de alimentación - Incluyen mecanismos de generación y transmisión de energía.
  • Proyectos de fabricación - Los gemelos digitales ayudan a optimizar la eficacia de los procesos, especialmente en entornos industriales con sistemas de máquinas que cooperan entre sí.

Entre las industrias que han logrado un éxito significativo con los gemelos digitales se incluyen:

  • Ingeniería
  • Ingeniería de automoción
  • Construcción de aviones
  • Construcción de vehículos ferroviarios
  • Construcción
  • Fabricación
  • Empresa de suministro energético

Estos sectores se benefician de la simulación digital y de la mejora del funcionamiento mediante el uso de gemelos digitales.

Más información sobre aplicaciones industriales en la sección: Ámbitos de aplicación de los sistemas de gemelos digitales

Ventajas de los gemelos digitales

Mejora de la investigación y el desarrollo (I+D)
El uso de gemelos digitales aumenta la eficacia de la investigación y el desarrollo de productos. Proporcionan datos exhaustivos sobre el rendimiento previsto de los productos, lo que permite a las empresas obtener información importante. Esta información ayuda a las empresas a aplicar las mejoras necesarias en los productos antes de iniciar la producción.

Aumentar la eficacia de la producción
Una vez transferidos los productos a la producción, los gemelos digitales permiten reflejar y supervisar los sistemas de producción. Esto ayuda a lograr y mantener la mayor eficiencia posible en todo el proceso de fabricación.

Apoyo durante todo el ciclo de vida del producto
Los gemelos digitales también ayudan a las empresas a tomar decisiones sobre el tratamiento posterior de los productos al final de su ciclo de vida, ya sea mediante reciclaje u otras medidas. Permiten determinar qué materiales pueden reutilizarse y contribuyen así a la utilización eficiente de los recursos.  

Ámbitos de aplicación de los sistemas de gemelos digitales

Aplicaciones del gemelo digital

Áreas de aplicación de los sistemas de gemelos digitales y cómo Konfuzio proporciona un apoyo eficaz para su implantación:

Fabricación industrial y control de la producción

Como se ha mencionado en las secciones anteriores, los gemelos digitales desempeñan un papel central en la fabricación industrial al optimizar los procesos de diseño y producción mediante simulaciones y análisis. Apoyan a las empresas a lo largo de todo el ciclo de vida de los productos, sistemas y servicios, mejoran la creación de valor y permiten la fabricación de productos en red. Se utilizan cada vez más en la producción y la gestión de pedidos para optimizar los procesos e integrarlos con las tecnologías de control y regulación.

Apoyo de Confucio
Konfuzio ofrece soluciones avanzadas basadas en IA que analizan y procesan datos en tiempo real para aumentar la eficiencia de la producción y optimizar todo el proceso productivo. Esto incluye la Automatización y un control preciso de los procesos de producción.

Industria del transporte y logística

En el sector del transporte, las grandes empresas de logística utilizan gemelos digitales para funciones como el seguimiento y localización y el control inteligente de almacenes o instalaciones portuarias. Estas tecnologías también se están integrando en Sistemas ERPpara Cadena de suministro digital y optimizar la gestión de la cadena de suministro.

Apoyo de Confucio
Con sus soluciones basadas en IA, Konfuzio permite una logística más eficiente y mejora el seguimiento y la gestión de las mercancías mediante análisis precisos de los datos y las previsiones resultantes.

Medicina y servicios sanitarios

Los gemelos digitales también se utilizan en medicina creando imágenes virtuales de pacientes para simular intervenciones médicas y planificar tratamientos. Además, favorecen la elección individualizada de medicamentos y mejoran la atención al paciente mediante planes de tratamiento personalizados.

Apoyo de Confucio
Konfuzio utiliza tecnologías avanzadas de IA para extraer con precisión datos médicos de documentos. Los valores obtenidos de las extracciones de datos pueden utilizarse después para simulaciones de procedimientos médicos, lo que ayuda a los profesionales de la medicina a planificar y llevar a cabo tratamientos con mayor precisión.

Planificación urbana e iniciativas de ciudades inteligentes

Los gemelos digitales ayudan a los urbanistas proporcionándoles datos espaciales 3D y 4D en tiempo real e integrando sistemas de realidad aumentada para hacer más eficiente el desarrollo urbano. Están estrechamente vinculados a los esfuerzos de las ciudades inteligentes, ya que reúnen información geográfica sobre infraestructuras y ayudan a los planificadores urbanos a aplicar medidas más eficientes y adaptadas a los ciudadanos.

Apoyo de Confucio
Konfuzio ofrece soluciones de software que procesan datos urbanos y para su posterior visualización con sistemas de terceros con el fin de optimizar los procesos de planificación y mejorar la participación ciudadana proporcionando información transparente.

Aviación

Los gemelos digitales se utilizan en la industria aeronáutica para reducir los plazos de desarrollo y los costes de producción. Permiten realizar simulaciones y análisis precisos de la producción de turbomaquinaria, lo que puede aumentar la eficiencia y evitar costosos errores de fabricación. Los gemelos digitales también facilitan el mantenimiento y la optimización de los componentes de las aeronaves a lo largo de todo su ciclo de vida.

Apoyo de Confucio
Konfuzio ofrece soluciones avanzadas basadas en IA para la industria aeronáutica que ayudan a supervisar y optimizar los procesos de fabricación. El análisis de datos en tiempo real ofrece una planificación más eficaz de los ciclos de mantenimiento y una identificación temprana de posibles fallos, lo que mejora la seguridad y la eficiencia operativas.

Industria del automóvil

En la industria del automóvil, los gemelos digitales permiten analizar en profundidad y optimizar los procesos de diseño y fabricación de vehículos. Ofrecen a los fabricantes la oportunidad de simular el rendimiento de los vehículos y aumentar la eficiencia del proceso de producción incluso antes de crear prototipos físicos. Esto reduce los costes de desarrollo y acelera el lanzamiento al mercado de nuevos modelos al permitir que el sistema de gemelos haga predicciones precisas sobre las características de rendimiento y los posibles retos de fabricación.

Apoyo de Confucio
Konfuzio se especializa en extraer información valiosa de las grandes cantidades de datos generados por un gemelo digital en la industria del automóvil. El software de Konfuzio, basado en IA, puede analizar e interpretar datos de distintas fases del ciclo de vida del vehículo para identificar patrones y tendencias cruciales para el desarrollo de productos y el control de calidad. Esto permite mejorar continuamente la calidad de los productos y la eficiencia de los procesos mediante decisiones basadas en datos.

Gemelos digitales frente a simulaciones

Tanto las simulaciones como los gemelos digitales utilizan modelos digitales para reproducir los procesos del sistema, pero el gemelo digital proporciona información más amplia con fines de investigación. La principal diferencia entre una simulación y un gemelo digital radica en su ámbito de actuación. Mientras que las simulaciones suelen analizar procesos individuales, un gemelo digital puede simular varios procesos simultáneamente. Además, las simulaciones no suelen basarse en datos en tiempo real, mientras que los gemelos digitales utilizan un flujo bidireccional de información: Reciben datos en tiempo real de los sensores del objeto real, que un procesador del sistema procesa y devuelve al objeto. Con acceso a datos actuales de distintas áreas y la capacidad informática adicional de un entorno virtual, los gemelos digitales pueden analizar problemas más completos y ofrecen un mayor potencial de mejora de productos y procesos.

Conclusión y perspectivas: el gemelo digital en el futuro

Las empresas están experimentando actualmente una transformación fundamental en los sectores intensivos en activos, impulsada por la innovación digital. Los gemelos digitales desempeñan un papel central en este sentido, ya que proporcionan una visión integrada de los aspectos físicos y digitales de los activos y procesos y amplían continuamente sus capacidades para optimizar la eficiencia de los productos y procesos. El mercado de los gemelos digitales está siendo impulsado significativamente por el crecimiento de las tecnologías IoT y en la nube. Estas optimizan los procesos de producción, reducen los costes, mejoran los procedimientos de mantenimiento y reducen el tiempo de inactividad. Los principales líderes tecnológicos, como Microsoft, Google y Amazon Web Services, han desarrollado innovadoras funciones de gemelos digitales que permiten el desarrollo de nuevos productos en red y promueven una estrecha integración entre los mundos digital y físico. La Internet de los objetos está ampliando los posibles usos de los gemelos digitales, desde las aplicaciones industriales hasta las iniciativas de ciudades inteligentes.

Konfuzio complementa estas tecnologías con un avanzado software de IA que permite analizar datos en tiempo real y ayuda a las empresas a optimizar sus procesos de supervisión y mantenimiento. La integración de Konfuzio en los sistemas de gemelos digitales permite a las empresas sacar el máximo partido de sus datos y optimizar la cadena de valor de extremo a extremo.

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