Qu'est-ce qu'un jumeau numérique ? Un jumeau numérique (en anglais "digital twin") est une représentation numérique ou virtuelle d'installations, de processus, de produits ou de services de notre monde physique. L'objet physique et sa représentation virtuelle sont liés. Les informations sont synchronisées en permanence et peuvent s'influencer mutuellement en temps réel.
Types de jumeaux numériques
Le jumeau numérique peut se référer à une installation de production ou à un produit. On peut distinguer différents types de jumeaux numériques en fonction de leur système de référence : Le jumeau de production, par exemple, est une image de sa propre installation de production. Son utilisation est utile à l'entreprise de production elle-même. Les deux autres types de jumeaux se réfèrent au produit. La différenciation se fait par le biais de la partie qui profite de l'utilisation. Dans le cas du jumeau numérique du produit, c'est le fabricant qui est soutenu. Le jumeau numérique de la performance offre une valeur ajoutée à l'acheteur. Les types de jumeaux numériques mentionnés s'influencent mutuellement et échangent des informations. Il est ainsi possible de créer un réseau de jumeaux numériques qui, dans son ensemble, crée une valeur ajoutée pour tous les participants. Le jumeau numérique apporte des avantages différents aux différents stades du produit et du cycle de vie de l'usine. Le jumeau numérique permet de boucler les cycles de vie déjà connus de l'usine et du produit en intégrant et en réutilisant les données collectées lors de la planification et du développement. Si une nouvelle usine ou un nouveau produit est développé, un jumeau numérique doit également être développé en parallèle. Celui-ci passe par différents niveaux de développement ou de maturité.
Niveau de développement ou de maturité du jumeau numérique
Aujourd'hui, chaque version numérique d'un système, d'un composant ou d'un actif est souvent appelée jumeau numérique. Dans de nombreux cas, cela ne correspond pas à la définition mentionnée au début, qui est aujourd'hui fixée dans la norme ISO 23247. Une interprétation élargie de la définition soulève plusieurs questions :
- Un système physique doit-il exister avant qu'un jumeau numérique puisse être créé ?
- Le système physique avec les capteurs intégrés doit-il communiquer les données de performance, d'état et de maintenance au modèle de système virtuel avant que ce dernier ne puisse être qualifié de jumeau numérique ?
- La définition d'un jumeau numérique doit-elle être modifiée parce qu'avec l'avènement de l'Internet industriel des objets (IIoT), tout objet physique peut être rendu intelligent ?
Il convient de répondre à ces questions et à bien d'autres concernant le développement d'un jumeau numérique et ses différentes applications. Pour ce faire, nous définissons quatre niveaux de développement ou de maturité d'un jumeau numérique.
Définition des niveaux de maturité d'un jumeau numérique dans les phases du cycle de vie
Niveau de maturité 1 - Le jumeau de conception
Le niveau de maturité 1 est le prototype virtuel traditionnel, créé en amont du développement. Il aide à la prise de décision lors de la phase de conception et d'avant-projet. Le prototype virtuel est un modèle de système exécutable générique du système prévu, généralement créé avant que le prototype physique ne soit construit. Son objectif principal est de réduire les risques techniques et de détecter les problèmes en amont du développement. Il doit également fournir les exigences relatives aux futurs jumeaux numériques et à leurs objets physiques. Nous appelons ce prototype virtuel "jumeau virtuel". Un prototype virtuel est généralement utilisé pour valider certaines décisions clés concernant le système et pour atténuer certains risques techniques à un stade précoce du processus de conception.
Niveau de maturité 2 - Le jumeau de la maquette numérique
Le niveau de maturité 2 est un jumeau de maquette numérique, dans lequel le modèle de système virtuel est capable de reprendre les données de performance, d'état et de maintenance du système physique - le prototype. Contrairement au mockup classique, le jumeau du mockup a un lien unidirectionnel avec l'objet physique. La représentation virtuelle, une instanciation du modèle générique du système, reçoit des mises à jour du système physique qu'elle utilise pour faciliter la prise de décision lors de la conception conceptuelle, de la spécification technologique et du développement. Les données collectées par les capteurs et les éléments de calcul du système physique comprennent des informations sur l'état du système ainsi que sur ses performances. Les données sont renvoyées au jumeau numérique de la maquette, qui met à jour son modèle, y compris le plan de maintenance du système physique. L'interaction avec le système physique étant unidirectionnelle, le système physique n'a pas encore la possibilité, à ce stade, d'utiliser les connaissances pour améliorer ses performances pendant le fonctionnement en temps réel. Le jumeau numérique à ce niveau est utilisé pour étudier le comportement du système physique dans différents scénarios de simulation. Tous les défauts détectés sont utilisés pour modifier le système physique, les changements se reflétant dans le jumeau de maquette numérique.
Niveau de maturité 3 - Le jumeau numérique adaptatif
Le niveau de maturité 3 est le jumeau numérique adaptatif. Il offre une interface utilisateur adaptative dans le sens d'un modèle de produit intelligent pour le système cyber-physique. Comme l'interaction avec le système physique est bidirectionnelle, le jumeau physique a largement l'occasion d'utiliser et d'accroître ses connaissances afin d'améliorer ses performances pendant le fonctionnement en temps réel. L'interface utilisateur adaptative réagit aux préférences et aux priorités de l'utilisateur. Une capacité à ce niveau est d'apprendre les préférences et les priorités des opérateurs humains dans différents contextes. Ces caractéristiques sont saisies à l'aide d'un algorithme d'apprentissage automatique supervisé basé sur un réseau neuronal. Les modèles utilisés dans ce jumeau numérique sont constamment mis à jour sur la base des données traitées en temps réel par le jumeau physique. Il peut également accepter des informations par lots en fonction de l'utilisation du système. Ce jumeau numérique peut aider à la planification et à la prise de décision en temps réel pour les opérations, la maintenance et l'assistance.
Niveau de maturité 4 - Le jumeau numérique intelligent
Le niveau de maturité 4 est le jumeau numérique intelligent. Il dispose de toutes les capacités d'un jumeau numérique de niveau 3, y compris l'apprentissage automatique supervisé. Il dispose en outre de la capacité d'apprentissage automatique non supervisé pour la reconnaissance d'objets et de modèles rencontrés dans l'environnement opérationnel et pour l'apprentissage par renforcement de l'état du système et de l'environnement dans un environnement incertain et partiellement observable. Le jumeau numérique de ce niveau dispose d'un degré élevé d'autonomie et contrôle plusieurs jumeaux numériques de niveau 3. À ce niveau, le jumeau numérique peut analyser des données plus détaillées sur les performances, la maintenance et l'état de plusieurs installations de production, voire d'une production complète.
Conclusion
Il n'y aura pas de jumeau numérique concret et universel, l'ensemble de la problématique étant trop fortement lié aux stratégies et modèles existants. Il est toutefois possible de définir différents types de jumeaux numériques, en fonction du niveau de développement et de l'interconnexion atteinte. Le principe est qu'au fur et à mesure du développement, il est possible d'obtenir des applications supplémentaires pour le jumeau numérique.