Jumeau numérique et IA - un concept clé pour l'industrie 4.0

L'expansion rapide du marché du jumeau numérique indique qu'il est déjà largement utilisé dans divers secteurs industriels, avec une prévision de demande élevée continue à l'avenir. En 2020, le marché était estimé à 3,1 milliards de dollars et pourrait atteindre 48,2 milliards de dollars d'ici 2026 au moins, selon les experts du secteur. L'utilisation étendue des jumeaux numériques permet de minimiser les pertes d'exploitation et d'optimiser parallèlement la production.

Analyse du marché

La croissance rapide du marché des jumeaux numériques prouve qu'ils sont déjà utilisés dans de nombreux secteurs, mais que la demande continuera d'augmenter fortement pendant une période prolongée. Une analyse de la taille et de la part de marché des jumeaux numériques réalisée par Mordor Intelligence montre qu'en 2020, le marché des jumeaux numériques était déjà évalué à 3,1 milliards de dollars. Certains analystes du secteur spéculent qu'il pourrait continuer à croître jusqu'en 2026 au moins, pour atteindre une valeur estimée à 48,2 milliards de dollars. Le site Application de bout en bout de jumeaux numériques permet aux entreprises de réduire les temps d'arrêt des équipements tout en augmentant la production.


Qu'est-ce qu'un jumeau numérique ?

Qu'est-ce qu'un jumeau numérique ?

Un jumeau numérique, souvent appelé "digital twin", désigne un modèle informatisé d'un objet physique ou non physique, utilisé de diverses manières. Parfois, le terme "avatar numérique" est également utilisé.

Explication des termes

Le jumeau numérique est un modèle virtuel, par exemple d'un

  • Processus
  • Produit
  • d'un service

et relie le monde réel au monde numérique. Les jumeaux numériques utilisent des données réelles provenant de capteurs installés qui enregistrent par exemple les conditions de fonctionnement ou la position des machines. Ce lien entre les mondes réel et virtuel permet de Analyse des données et la surveillance des systèmes afin de détecter et de traiter les problèmes à un stade précoce, d'éviter les temps d'arrêt, de créer de nouvelles opportunités et de planifier des scénarios futurs à l'aide de simulations informatiques.

Aujourd'hui, les jumeaux numériques, qui couvrent l'ensemble du cycle de vie d'un produit, d'un processus ou d'un modèle d'entreprise et constituent ainsi la base des produits et services connectés, sont une nécessité commerciale.

Fonction

Trois composants sont nécessaires pour un jumeau numérique :

  1. L'objet réel.
  2. Le jumeau numérique dans l'espace virtuel.
  3. Les informations qui relient les deux

L'objet est équipé de capteurs qui collectent des données sur son état ou sa position, qu'un système reçoit, traite et analyse ensuite. Les jumeaux numériques améliorent donc la performance opérationnelle et financière d'un objet tel qu'une installation ou un service. Des experts spécialisés les créent généralement et utilisent également les données en temps réel des objets.

Avantages

Un jumeau numérique peut être utile tout au long du cycle de vie d'un objet. Dans la première phase de "conception", il aide à gérer les exigences complexes du produit, les cycles de développement rapides et les exigences réglementaires strictes. Le jumeau numérique permet d'étudier différentes alternatives de conception et d'effectuer des simulations et des tests afin de garantir la conformité aux exigences. Pendant la phase de "fabrication", le jumeau peut améliorer l'efficacité, la qualité et le rendement. Pendant la "phase d'exploitation", un jumeau numérique améliore la disponibilité des objets tels que les machines. Dans la "phase de recyclage", le jumeau numérique peut être utilisé pour planifier les pièces de rechange ou pour identifier les potentiels d'upcycling.

Utilité du jumeau numérique dans l'industrie de production

De l'amélioration du contrôle à la surveillance des processus en passant par l'optimisation des produits : Les entreprises utilisent les données relatives aux produits et les simulations prédictives pour augmenter l'efficacité de la production et la qualité des produits tout en réduisant les coûts de fabrication et de service. Cela permet de créer des capacités pour faire face aux défis futurs de manière compétitive :

  • Développement de produits - Un jumeau numérique d'un produit est utilisé pour des tests et des simulations virtuels afin d'améliorer la conception, d'établir des prévisions de performance et d'identifier les défauts du produit à un stade précoce. Cela permet de réduire les coûts de développement et d'accélérer la mise sur le marché.
  • Entretien et maintenance - Le jumeau numérique fournit des informations en temps réel sur l'état et les performances d'un produit. L'analyse des données permet de détecter les anomalies ou l'usure et de déclencher des opérations de maintenance. Cela permet de réduire les temps d'arrêt et de prolonger la durée de vie des produits.
  • Optimisation des processus - Les jumeaux numériques sont utilisés pour optimiser les processus de fabrication et les processus commerciaux. L'analyse des données de production permet d'identifier les goulots d'étranglement et d'améliorer les processus, ce qui entraîne une réduction des coûts et une augmentation de la productivité.
  • Mise en service virtuelle - Grâce à un jumeau numérique, il est possible de tester virtuellement des installations et des lignes de production avant qu'elles ne soient réellement construites. Cela permet de détecter et de corriger les points faibles à un stade précoce, ce qui permet d'économiser du temps et de l'argent.
  • Formation et entraînement - Les jumeaux numériques servent également à la formation et à l'entraînement des collaborateurs. Dans un environnement virtuel, il est possible d'apprendre des tâches complexes et de s'exercer à des scénarios spécifiques. Cela permet de réduire les coûts de formation et d'augmenter l'efficacité des formations.

Modèles partiels dans la production industrielle et l'ingénierie

  • Descriptions de soi basées sur un modèle - Celles-ci visent à permettre l'auto-identification et l'auto-configuration, de sorte que, par exemple, les machines et leurs composants puissent s'enregistrer de manière autonome dans le système MES ou dans le système IoT avec leurs capacités et leurs services, à l'aide des informations de pilote fournies.
  • Description des capacités (skills) des installations de production - Ceux-ci comprennent des procédés de fabrication spécifiques comme le tournage ou le soudage MAG ainsi que des fonctions de flux de matériaux comme le levage ou le transport continu. Les attributs et leurs plages de valeurs autorisées ainsi que, dans certains cas, la logique sont également inclus. Grâce à ces informations, les moyens de production peuvent être assemblés, configurés et mis en service de manière efficace pour former de nouvelles installations destinées à des tâches de fabrication spécifiques.
  • Modèles de comportement normal basés sur des données - Ces modèles se basent sur des données de temps d'exécution d'une machine, d'une ligne ou d'une production complète, qui sont par exemple saisies via un MES à partir de l'entreprise réelle et analysées à l'aide de l'apprentissage automatique.
  • Simulations hors ligne et en ligne - Il s'agit notamment de simulateurs spécialisés, comme ceux pour les éléments finis, les mises en service virtuelles ou la simulation de processus physiques. Idéalement, ces modèles de simulation interagissent entre eux. Bien que le terme de jumeau numérique soit souvent assimilé à la simulation, cette définition est trop restrictive, selon le Fraunhofer IOSB.
  • L'usine numérique - Celle-ci comprend un vaste réseau de modèles, de méthodes et d'outils numériques intégrés par une gestion des données de bout en bout, par exemple pour les installations de production et de flux de matériaux ainsi que pour les bâtiments et les équipements techniques des bâtiments (conformément à la norme VDI 4499, feuille 1).

Un jumeau numérique complet comprend également des aspects tels que la sécurité informatique, les droits d'accès, la gestion des certificats, la gestion des versions et les tests de compatibilité entre différentes versions de jumeaux numériques.

Lien entre le jumeau numérique et l'industrie 4.0

Le jumeau numérique est utilisé dans la production en combinant des données de produit avec des modèles et des données d'exploitation et de processus afin de créer une image virtuelle complète et dynamique d'un produit réel. Cette combinaison constitue la base d'analyses rétrospectives et de prédictions prospectives concernant le produit.

Avec l'enrichissement continu du jumeau numérique par des données de mesure actuelles, on obtient une image numérique riche en détails qui permet de faire des déclarations et des prévisions fiables. Cela favorise le développement de services tels que le suivi des produits, la réalisation d'analyses d'utilisation ou l'établissement de stratégies de maintenance prédictive afin de planifier la maintenance de manière efficace et en temps voulu.

Les jumeaux numériques jouent donc un rôle crucial dans l'industrie 4.0 et la numérisation de la production.

Le "concept de jumeaux numériques

Au début du 21e siècle, M. Grieves et J. Vickers ont développé le concept de base du jumeau numérique tel qu'il est utilisé aujourd'hui (voir Fonctionnement d'un jumeau numérique). Le concept se compose de trois éléments principaux : Les produits physiques dans l'espace réel, les produits virtuels dans l'espace numérique et les flux de données et d'informations qui les relient.

Ce concept étendu permet une communication entre l'objet réel et l'objet virtuel, les données allant de l'objet réel à l'objet virtuel étant appelées "ombre numérique" et les informations en retour étant appelées "impulsion numérique".

Cette interaction permet d'adapter les objets réels sur la base des modèles virtuels, ce qui a un effet positif sur une gestion plus efficace des processus et des mesures préventives grâce aux données en temps réel. La définition du jumeau numérique comprend donc également différents archétypes, allant d'une simple représentation numérique à des systèmes interactifs contrôlés de manière autonome. Archétypes de jumeaux numériques :

  • Basic Digital Twin - Représentation numérique simple avec traitement interne des données.
  • Enriched Digital Twin - l'inclusion de flux de données voisins.
  • Autonomous Control Twin - Système autonome avec interface homme-machine.
  • Jumeau de contrôle autonome amélioré - Contrôle autonome avancé avec données en aval.
  • Exhaustive Twin - Jumeau numérique entièrement intégré, qui inclut toutes les données et tous les processus pertinents.

Types de jumeaux numériques

En fonction du niveau de détail, il existe différents types de jumeaux numériques qui se distinguent principalement par leur domaine d'application. Il est courant que plusieurs types de jumeaux numériques soient utilisés simultanément au sein d'un système ou d'un processus. Les différents types de jumeaux numériques, leurs différences spécifiques et leurs domaines d'application sont décrits en détail ci-dessous :

Jumeaux de composants/jumeaux partiels
Ils constituent l'unité de base d'un jumeau numérique et représentent le plus petit exemple de composant fonctionnel. Les jumeaux partiels sont conçus de manière similaire, mais se rapportent à des composants moins critiques.

Jumeaux d'actifs
Lorsque deux composants ou plus interagissent, cela donne naissance à un "asset". Les jumeaux d'actifs permettent à ces composants d'interagir grâce à l'analyse et à la génération d'une grande quantité de données de performance qui peuvent être traitées et transformées en connaissances utiles.

Jumelles de systèmes ou d'unités
Ils représentent un niveau avancé et permettent de suivre la manière dont différents actifs forment un système global qui fonctionne. Les jumeaux de systèmes offrent une vision claire des interactions entre les actifs et peuvent fournir des recommandations pour améliorer les performances.

Jumeaux de processus
Situés au niveau macro, les jumeaux de processus révèlent comment différents systèmes fonctionnent ensemble pour faire fonctionner une installation de production complète. Ils vérifient si ces systèmes sont synchronisés et fonctionnent avec une efficacité maximale ou si des retards au sein d'un système ont des répercussions sur d'autres systèmes. Les jumeaux de processus sont utiles pour développer des calendriers précis qui influencent l'efficacité globale de la production.

Marché et secteurs pour le jumeau numérique

Les jumeaux numériques sont appréciés pour leurs performances, mais leur utilisation n'est pas pertinente pour tous les fabricants ou tous les produits. Certains objets ne sont pas suffisamment complexes pour justifier le flux intensif et continu de données de capteurs requis par les jumeaux numériques. De plus, la création d'un jumeau numérique peut être un défi d'un point de vue financier, car la reproduction exacte d'un objet physique a un coût potentiellement élevé.

Néanmoins, certains types de projets bénéficient considérablement de l'utilisation de modèles numériques :

  • Des projets de grande envergure avec des dimensions physiques - Par exemple, des bâtiments, des ponts et d'autres constructions complexes soumises aux normes strictes de l'ingénierie.
  • Projets complexes sur le plan mécanique - Il s'agit notamment des turbines à réaction, des voitures et des avions, pour lesquels les jumeaux numériques peuvent contribuer à améliorer l'efficacité des machines.
  • Installations d'alimentation électrique - Ceux-ci comprennent à la fois des mécanismes de production et de transport d'électricité.
  • Projets de fabrication - Les jumeaux numériques permettent d'optimiser l'efficacité des processus, en particulier dans les environnements industriels où les systèmes de machines coopèrent.

Les secteurs qui obtiennent des succès significatifs avec les jumeaux numériques comprennent

  • Ingénierie
  • Construction automobile
  • Construction aéronautique
  • Construction de véhicules ferroviaires
  • Construction
  • Fabrication
  • Entreprise de distribution d'énergie

Ces secteurs bénéficient de la simulation numérique et de l'amélioration des opérations grâce à l'utilisation de jumeaux numériques.

Pour en savoir plus sur les applications sectorielles, consultez la section : Applications des systèmes numériques jumeaux

Avantages des jumeaux numériques

Amélioration dans la recherche et le développement (R&D)
L'utilisation de jumeaux numériques améliore l'efficacité de la recherche et du développement de produits. Ils fournissent de nombreuses données sur les performances prévisibles des produits, ce qui permet aux entreprises d'acquérir des connaissances importantes. Ces informations aident les entreprises à mettre en œuvre les améliorations nécessaires des produits avant le lancement de la production.

Augmentation de l'efficacité de la production
Une fois que les produits sont passés en production, les jumeaux numériques permettent de mettre en miroir et de surveiller les systèmes de production. Cela permet d'atteindre et de maintenir la plus grande efficacité possible tout au long du processus de fabrication.

Soutien tout au long du cycle de vie du produit
Les jumeaux numériques aident également les entreprises à prendre des décisions concernant le traitement ultérieur des produits à la fin de leur cycle de vie, que ce soit par le recyclage ou par d'autres mesures. Ils permettent de déterminer quels matériaux peuvent être réutilisés et contribuent ainsi à une utilisation efficace des ressources.  

Domaines d'application des systèmes numériques jumeaux

Applications Jumeau numérique

Les domaines d'application des systèmes numériques jumeaux et la manière dont Confuzio aide efficacement à leur mise en œuvre :

Fabrication industrielle et contrôle de la production

Comme nous l'avons vu dans les paragraphes précédents, les jumeaux numériques jouent un rôle central dans la fabrication industrielle en optimisant les processus de conception et de production grâce à des simulations et des analyses. Ils aident les entreprises tout au long du cycle de vie des produits, des équipements et des services, améliorent la création de valeur et permettent la fabrication de produits en réseau. Dans le domaine de la gestion de la production et des commandes, ils sont de plus en plus utilisés pour optimiser les processus et les intégrer aux techniques de commande et de contrôle.

Soutien de Confucius
Konfuzio propose des solutions avancées basées sur l'IA, qui analysent et traitent les données en temps réel afin d'améliorer l'efficacité de la production et d'optimiser l'ensemble du processus de production. Cela inclut la Automatisation et un contrôle précis des processus de production.

Transport et logistique

Dans le secteur des transports, les grandes entreprises de logistique utilisent les jumeaux numériques pour des fonctions telles que le suivi et la traçabilité et la gestion intelligente des entrepôts ou des installations portuaires. Ces technologies s'intègrent également dans Systèmes ERPafin d'éviter les chaîne d'approvisionnement numérique et d'optimiser la gestion de la chaîne d'approvisionnement.

Soutien de Confucius
Grâce à ses solutions basées sur l'IA, Konfuzio permet une logistique plus efficace et améliore le suivi et la gestion des marchandises grâce à une analyse précise des données et aux prévisions qui en découlent.

Médecine et services de santé

Les jumeaux numériques trouvent également des applications dans le domaine médical, en créant des images virtuelles des patients pour simuler des interventions médicales et planifier des traitements. Ils favorisent également le choix individualisé des médicaments et améliorent les soins aux patients grâce à des plans de traitement personnalisés.

Soutien de Confucius
Konfuzio utilise des technologies d'IA avancées pour extraire avec précision des données médicales de documents. Les valeurs obtenues à partir des extractions de données peuvent ensuite être utilisées pour des simulations de procédures médicales, ce qui aide les professionnels de la santé à planifier et à réaliser des traitements plus précis.

Aménagement urbain et initiatives de villes intelligentes

Les jumeaux numériques aident les urbanistes en leur fournissant des données spatiales 3D et 4D en temps réel et en intégrant des systèmes de réalité augmentée afin de rendre le développement urbain plus efficace. Ils sont étroitement liés aux aspirations des villes intelligentes en fusionnant les informations géographiques sur les infrastructures et en aidant les urbanistes à mettre en œuvre des politiques plus efficaces et plus respectueuses des citoyens.

Soutien de Confucius
Konfuzio propose des solutions logicielles qui traitent les données urbaines et les visualisent ensuite avec des systèmes tiers afin d'optimiser les processus de planification et d'améliorer la participation des citoyens en fournissant des informations transparentes.

Aviation

Dans l'industrie aéronautique, les jumeaux numériques sont utilisés pour réduire les temps de développement et les coûts de production. Ils permettent de réaliser des simulations et des analyses précises de la production des turbomachines, ce qui améliore l'efficacité et évite les erreurs de fabrication coûteuses. Les jumeaux numériques aident également à la maintenance continue et à l'optimisation des composants des avions tout au long de leur cycle de vie.

Soutien de Confucius
Konfuzio propose des solutions avancées basées sur l'IA pour l'industrie aéronautique, qui permettent de surveiller et d'optimiser les processus de fabrication. L'analyse des données en temps réel permet une planification plus efficace des cycles de maintenance et une identification précoce des pannes potentielles, ce qui améliore la sécurité et l'efficacité opérationnelles.

Industrie automobile

Dans l'industrie automobile, les jumeaux numériques permettent d'analyser et d'optimiser en profondeur la conception des véhicules et les processus de fabrication. Ils offrent aux fabricants la possibilité de simuler les performances des véhicules et d'améliorer l'efficacité du processus de production, avant même la création de prototypes physiques. Cela permet de réduire les coûts de développement et d'accélérer la mise sur le marché de nouveaux modèles en permettant au système de jumeaux de faire des prédictions précises sur les caractéristiques de performance et les défis de fabrication potentiels.

Soutien de Confucius
Konfuzio se spécialise dans l'extraction d'informations précieuses à partir des grandes quantités de données générées par un jumeau numérique dans l'industrie automobile. Le logiciel basé sur l'IA de Konfuzio peut analyser et interpréter des données provenant de différentes phases du cycle de vie des véhicules afin d'identifier des modèles et des tendances qui sont essentiels pour le développement des produits et le contrôle de la qualité. Cela permet d'améliorer en permanence la qualité des produits et l'efficacité des processus grâce à des décisions basées sur les données.

Jumeaux numériques vs. simulations

Les simulations et les jumeaux numériques utilisent tous deux des modèles numériques pour reproduire les processus du système, mais le jumeau numérique offre des informations plus étendues à des fins de recherche. La principale différence entre une simulation et un jumeau numérique réside dans l'étendue de leurs capacités. Alors que les simulations analysent typiquement des processus individuels, un jumeau numérique peut simuler plusieurs processus simultanément. De plus, les simulations ne dépendent généralement pas de données en temps réel, tandis que les jumeaux numériques utilisent un flux d'informations bidirectionnel : Ils reçoivent des données en temps réel de capteurs situés sur l'objet réel, qu'un processeur système traite et dont les conclusions sont renvoyées à l'objet. Grâce à l'accès à des données actualisées provenant de différents domaines et à la capacité de calcul supplémentaire d'un environnement virtuel, les jumeaux numériques peuvent analyser des problèmes plus complets et offrent un plus grand potentiel d'amélioration des produits et des processus.

Conclusion et perspectives - le jumeau numérique à l'avenir

Les entreprises vivent actuellement une transformation fondamentale dans les secteurs à forte intensité d'actifs, sous l'impulsion des innovations numériques. Les jumeaux numériques jouent un rôle central dans ce processus en offrant une vision intégrée des aspects physiques et numériques des équipements et des processus et en améliorant constamment leurs capacités afin d'optimiser l'efficacité des produits et des processus. Le marché des jumeaux numériques est considérablement stimulé par la croissance des technologies IoT et cloud. Celles-ci optimisent les processus de production, réduisent les coûts, améliorent les procédures de maintenance et réduisent les temps d'arrêt. Les grands leaders technologiques tels que Microsoft, Google et Amazon Web Services ont développé des fonctions de jumeaux numériques innovantes qui permettent de développer de nouveaux produits connectés et favorisent une étroite imbrication entre les mondes numérique et physique. Ce faisant, l'Internet des objets élargit les possibilités d'utilisation des jumeaux numériques, des applications industrielles aux initiatives de villes intelligentes.

Confuzio complète ces technologies par un logiciel d'IA avancé qui permet d'analyser les données en temps réel et aide les entreprises à optimiser leurs processus de surveillance et de maintenance. L'intégration de Konfuzio dans des systèmes numériques jumeaux permet aux entreprises de tirer pleinement parti de leurs données et d'optimiser la chaîne de valeur de bout en bout.

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