Un jumeau numérique est une représentation numérique d'un produit, d'un processus ou d'un système déployé ou en cours de développement. Lorsqu’il est déployé, il indique l’état actuel de l’équipement en incluant les données historiques pertinentes. Les jumeaux numériques permettent d’évaluer le fonctionnement présent d’un équipement, et plus important encore, d’en prédire le comportement futur, d’affiner les systèmes de contrôle ou encore d’optimiser les opérations. Le jumeau numérique peut également faire office de modèle d’un produit, processus ou système à créer, ce qui facilite le développement, les tests et la validation.
En quoi les jumeaux numériques sont-ils importants ?
Les jumeaux numériques reproduisent le comportement de leur version physique. Ainsi, les organisations peuvent améliorer et accélérer le développement, les tests et la validation de leurs produits. Leurs fonctionnalités d’optimisation des opérations, de détection des anomalies et de maintenance prédictive permettent aux entreprises de réduire les coûts et de proposer des produits plus fiables ainsi qu’une meilleure expérience client. Par ailleurs, en utilisant un jumeau numérique tout au long du cycle de vie du produit (de la conception à la mise hors service), les organisations créent un cercle vertueux pour l’ensemble de la chaîne de valeur. Grâce au retour d’informations et aux améliorations apportées, elles peuvent mieux innover, réduire leurs coûts et améliorer la qualité, la valeur et la pérennité de leurs produits.
Développement de produits
Accélération du design de produits : Les jumeaux numériques permettent de simuler des systèmes complexes en temps réel, les designers pouvant ainsi en examiner le comportement dans diverses conditions de fonctionnement. Ils peuvent alors optimiser les réponses du système, sa consommation d’énergie et son efficacité opérationnelle. De plus, grâce aux jumeaux numériques, les designers peuvent affiner la conception d’un composant ou d’un sous-système, ou encore développer des stratégies de contrôle afin d’atteindre les niveaux de performances souhaités en matière de précision des mouvements, de stabilité ou de temps de réponse.
Krones développe le jumeau numérique d'un robot de manutention de colis
Avec Simulink® et Simscape Multibody™, Krones a créé un jumeau numérique avec des fonctionnalités d’optimisation du design, de détection des anomalies et de maintenance prédictive. Les ingénieurs ont pu améliorer la performance d’un système automatisé d’emballage de boissons en intégrant un robot tripode dynamique dans le design.
« Grâce aux simulations du jumeau numérique dans Simulink, nous avons pu obtenir des données et des informations que nous n’aurions pas pu avoir en menant des tests sur le hardware, ou sans y consacrer beaucoup de temps et d’argent. Visualiser les forces et les moments en jeu nous a permis de mieux comprendre l’impact de chaque composant sur un robot hautement dynamique. »
Vérification et validation virtuelles : Les copies virtuelles de produits et systèmes physiques créées par les jumeaux numériques vous permettent de tester et de valider des concepts de design, d’évaluer les performances et d’identifier des problèmes potentiels dès le début du processus de design. Le nombre de prototypes physiques nécessaires est ainsi réduit, de même que le cycle de design.
Schindler Elevator passe des tests physiques à la simulation
Schindler Elevator a récemment intégré un workflow de validation basé sur des modèles dans son processus de développement. L’EDEn (Elevator Dynamics Environment, environnement des dynamiques des ascenseurs) est un ensemble d’outils mis au point dans MATLAB®, Simulink et Simscape™. Il permet d’effectuer des simulations hors ligne à l’aide d’applications basées sur le web, ainsi que des tests Hardware-in-the-Loop. Grâce à l’EDEn, les tests de versions logicielles se font en une nuit, contre trois à quatre semaines auparavant. Cela permet de réduire sensiblement les coûts et les risques tout en élargissant la couverture des tests.
« L’approche HIL (Hardware-in-the-Loop) nous permet de prendre en compte beaucoup plus de cas de test et ce, en une nuit seulement. La philosophie de design a également évolué, passant de la sécurisation des cas les plus graves à l’optimisation du software pour une utilisation typique. »
Virtual commissioning : Les jumeaux numériques sont un aspect clé du virtual commissioning. Ils permettent de tester, valider et optimiser des systèmes dans un environnement virtuel. Grâce à cette approche, les risques et les coûts sont réduits, et la transition vers l’implémentation physique peut se faire plus facilement.
Capteurs virtuels : En implémentant des jumeaux numériques, les entreprises peuvent être moins dépendantes des capteurs physiques, bénéficier de capacités prédictives, optimiser le placement des capteurs et améliorer les performances et la surveillance du système, ce qui conduit à une meilleure efficacité pour un coût moindre.
Fonctionnement et maintenance
Optimisation des opérations : Les jumeaux numériques reflètent le statut temps réel des équipements physiques. Les organisations peuvent ainsi, non seulement surveiller les opérations, mais aussi les optimiser de manière dynamique. L’optimisation recouvre de nombreux aspects, de l’amélioration de la performance du système à son efficacité énergétique, en passant par l’attribution des ressources. Utiliser un jumeau numérique permet aux spécialistes de tester différents scénarios opérationnels afin de trouver celui qui convient le mieux. Ils peuvent également utiliser cet outil dans le cadre de leur formation pour bien réagir aux différentes situations.
Jumeaux numériques de turbine à gaz : diagnostic et optimisation de la performance
Siemens Energy a élaboré un jumeau numérique basé sur la physique avec MATLAB et Simulink. L’entreprise a ensuite validé ce jumeau à l’aide d’un prototype de banc d’essai et de données de flotte. Les fonctionnalités du jumeau numérique ont ensuite été réparties sur les différentes plateformes de calcul : systèmes embarqués, périphériques, cloud et de surveillance à distance. Grâce à Simulink Coder™ et Simulink Compiler™, aucun code ou presque n’a dû être codé manuellement dans le cadre du déploiement. En créant un jumeau numérique pour son système, Siemens Energy a pu améliorer la fiabilité, la disponibilité et la maintenabilité de sa turbine à gaz, en prolonger la durée de vie et en a optimisé le fonctionnement, le tout à un coût réduit.
Maintenance prédictive : En analysant l’état de chaque composant ou de l’intégralité du système, le jumeau numérique peut détecter des patterns subtils et des anomalies pouvant indiquer un défaut potentiel, et prédire quand une maintenance ou un remplacement pourrait être nécessaire. Cela vous permet de programmer les opérations de maintenance aux moments les plus opportuns, d’éviter les pannes inopinées et d’optimiser les ressources de maintenance.
Amélioration de l'approche Model-Based Design grâce aux jumeaux numériques
L’approche Model-Based Design fait référence à l’utilisation systématique de modèles tout au long du processus de développement afin d’améliorer le déploiement de systèmes complexes. Cette approche prépare le terrain pour les applications de jumeaux numériques. Les méthodologies de l'approche Model-Based Design et des jumeaux numériques entretiennent une relation symbiotique lors de la phase du développement du produit. Dans la plupart des cas, les scénarios qui utilisent les jumeaux numériques sont également des cas d’utilisation de l'approche Model-Based Design.
Utilisées conjointement, les jumeaux numériques et l'approche Model-Based Design sont particulièrement utiles aux OEM. Tandis que l’approche Model-Based Design est principalement axée sur la phase de développement du produit, les jumeaux numériques permettent aux OEM d'élargir leur champ d'action en proposant des produits ou services numériques qui supportent et enrichissent l'expérience opérationnelle et de maintenance de leurs clients. Ces derniers, en plus de pouvoir concevoir et fabriquer des produits physiques, peuvent proposer une suite d’outils numériques qui leur fournissent une valeur ajoutée tout au long de leur cycle de vie. Le jumeau numérique fait office de pont qui relie le produit physique à son équivalent numérique, permettant la surveillance temps réel, la maintenance prédictive, et l’optimisation des opérations.
Atlas Copco réduit les coûts de propriété en utilisant la simulation et les jumeaux numériques
Atlas Copco intègre la simulation et l'analyse des données de l'ingénierie aux ventes et services, en passant par la production, grâce à l’utilisation des jumeaux numériques comme source unique de vérité. La société s'appuie sur MATLAB et Simulink pour construire sa plateforme d’ingénierie reposant sur l’approche Model-Based Design. Les ingénieurs de vente ont ainsi accès à des simulations de performances fiables afin de fournir aux clients des produits sur mesure. Les modèles actuels de compresseurs Atlas Copco sont équipés de nombreux capteurs (jusqu’à 50) qui les préparent à la maintenance prédictive. Le service d’entretien peut mettre en place des stratégies de maintenance spécifiques au client grâce aux données temps réel collectées auprès de 100 000 machines sur le terrain. Cela représente une mine d’informations que l’entreprise commence tout juste à exploiter.
Workflow de jumeau numérique
Bien que les cas d’utilisation de jumeaux numériques soient très variés, il existe des stratégies d’ordre général que vous pouvez mettre en œuvre pour que vos projets soient couronnés de succès. Ces stratégies consistent à définir des objectifs clairs, concevoir et valider des modèles, les déployer efficacement et en assurer la maintenance par l’intermédiaire d’une surveillance et de mises à jour en continu.
Étape 1 : Définition des objectifs et du champ d’application
Pour que votre application utilisant un jumeau numérique soit efficace, il faut au préalable avoir une vision claire des objectifs que vous souhaitez atteindre. Posez-vous les questions suivantes : quel est l’objectif du jumeau numérique ? Sera-t-il utilisé lors du développement de produit, pour diagnostiquer les problèmes d’équipement, pour optimiser les opérations ou pour effectuer des simulations à des fins de formation ?
Ensuite, définissez le champ d’application du jumeau numérique. Déterminez si le jumeau numérique est un composant individuel, un ensemble de composants formant un sous-système ou bien un système à part entière. Servira-t-il une fonction unique ou plusieurs objectifs ? Prendre ces décisions en amont vous permet d’avoir une idée plus claire de la complexité et de l’orientation du projet.
Étape 2 : Design et création
Créer un jumeau numérique nécessite une approche réfléchie qui dépend de votre expertise, de votre méthodologie de prédilection et, le plus souvent, de ce qui est à votre disposition. Les clients qui créent un produit ex nihilo n’ont généralement pas de données de test ou d’opération. Par conséquent, ils doivent partir d’une modélisation basée sur la physique, qui s’appuie sur les lois physiques afin de construire un framework pour le jumeau. Si le client dispose d’assez de données, il peut adopter une approche basée sur les données ou sur l’IA. Cela lui permet de prédire les résultats et les comportements de son système grâce au Machine Learning ou au Deep Learning. Pensez à réutiliser les données ou les modèles préexistants pour accélérer le développement du jumeau numérique, en veillant à ne pas réinventer la roue.
Étape 3 : Tests et validation
Une fois votre jumeau numérique terminé, il doit passer par une phase de validation et de tests rigoureux. Cette étape consiste à établir la confiance dans le jumeau numérique en évaluant dans quelle mesure il reflète précisément son homologue physique. Il faut également mesurer la précision des prédictions et des simulations du jumeau numérique. Par ailleurs, il est important de comprendre les risques liés à la prise de décisions basée sur les informations du jumeau numérique. Vous devez donc vous assurer que le jumeau numérique n’est pas seulement un modèle sophistiqué, mais bel et bien un outil fiable adapté à des applications concrètes.
Étape 4 : Déploiement et opération
Une fois le jumeau numérique validé, vous pouvez le déployer. La stratégie de déploiement doit être en phase avec l’utilisation prévue du jumeau numérique. Par exemple, vous pouvez le connecter directement à son équivalent physique sur site en utilisant des méthodes de calcul en périphérie (edge computing) pour tirer parti de la proximité et d’une latence réduite. Vous pouvez également exploiter le cloud, pour ses vastes ressources de calcul et son évolutivité.
Étape 5 : Surveillance et mise à jour
Ce n’est pas parce qu’un jumeau numérique est installé qu’il faut le négliger. Au contraire, vous devez le surveiller en permanence, de sorte qu’il reflète toujours avec précision son équivalent physique. Pour conserver cette intégrité, définissez des métriques de performances, et validez régulièrement le jumeau par rapport à des données réelles. En outre, le jumeau numérique devra très probablement évoluer au fil du temps. Par conséquent, il faudra mettre en place des mécanismes de réglage des paramètres ou de remplacement complet du modèle en cas de dépassement de certains seuils. Cette adaptabilité est essentielle pour assurer la longévité et l’utilité du jumeau numérique.
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Jumeaux numériques avec MATLAB et Simulink
MATLAB et Simulink proposent une plateforme complète qui vous permet de créer, simuler, vérifier et implémenter les jumeaux numériques. Les forces combinées de la modélisation basée sur la physique, de l’analyse de données avancée et de l’IA, ainsi que des options de déploiement pratiques (PLC, système embarqué, web, cloud entre autres), vous permettent de concevoir des jumeaux numériques qui vous aideront à comprendre, utiliser et assurer la maintenance de systèmes physiques complexes.
Simscape permet aux ingénieurs de créer rapidement des modèles de systèmes physiques dans l'environnement Simulink. Ils peuvent ainsi modéliser des systèmes tels que des moteurs électriques, des ponts redresseurs, des actionneurs hydrauliques et des systèmes de réfrigération, en assemblant des composants fondamentaux dans un schéma. Par ailleurs, les produits complémentaires Simscape vous permettent de modéliser et d’analyser des composants et des systèmes encore plus complexes.
MATLAB propose un large éventail d’outils basés sur les données à des fins statistiques, de Machine Learning, de Deep Learning et d’identification du système. Grâce à ces outils, les ingénieurs peuvent mettre au point des jumeaux numériques basés sur les données afin d’identifier des patterns, d’optimiser les performances ou de prédire les besoins en matière de maintenance, par exemple. L'intégration transparente de ces jumeaux numériques basés sur les données avec les jumeaux numériques basés sur la physique offre une vue globale de la performance du système et des problèmes potentiels.
La validation et la vérification sont des étapes cruciales pour s’assurer que le jumeau numérique reflète précisément le modèle physique et fonctionne comme attendu. En suivant le workflow de vérification de haute intégrité, les ingénieurs peuvent effectuer des tests basés sur des simulations ainsi que des analyses statiques pour déceler les défauts et réduire les délais de mise sur le marché, tout en conservant des normes de qualité élevées.
Grâce à MATLAB et Simulink, vous bénéficiez d’options de déploiement polyvalentes, pouvant être implémentées dans des PLC, des contrôleurs industriels, des systèmes embarqués, des plateformes web et dans le cloud. Cette flexibilité garantit que le jumeau numérique peut être intégré dans les infrastructures et workflows existants, rendant possible la surveillance temps réel, la maintenance prédictive et l'optimisation opérationnelle dans différents environnements. En fin de compte, la valeur d'un jumeau numérique se concrétise par son implémentation, permettant aux parties prenantes d'exploiter les informations et les prédictions pour prendre des décisions éclairées et atteindre l'excellence opérationnelle.
Un jumeau numérique est une représentation numérique d’un produit, d’un processus ou d’un système, en fonctionnement ou en cours de développement. Il reflète l’état actuel de l’actif, intègre des données historiques et permet de prévoir son comportement futur, d’améliorer les systèmes de contrôle ou d’optimiser les opérations.
Les jumeaux numériques sont des représentations dynamiques qui reflètent l’état en temps réel des actifs physiques et peuvent être mis à jour à l’aide de données opérationnelles. Les simulations traditionnelles, quant à elles, sont généralement des modèles statiques utilisés pour des scénarios d’analyse spécifiques.
Les jumeaux numériques sont utilisés pour faciliter la conception de produits, permettre la vérification et la validation virtuelles, prendre en charge la mise en service virtuelle, optimiser les opérations et mettre en œuvre la maintenance prédictive tout au long du cycle de vie d’un produit.
En surveillant l’état de chaque composant ou du système dans son ensemble, un jumeau numérique peut détecter des motifs subtils et des anomalies susceptibles d’indiquer une défaillance potentielle. Il permet également de prévoir le moment où une intervention de maintenance ou un remplacement sera probablement nécessaire.
Le Model-Based Design constitue le socle des applications de jumeau numérique pendant le développement d’un produit. Les jumeaux numériques prolongent ensuite cette approche en permettant aux OEM de proposer des produits ou services numériques qui améliorent les opérations et la maintenance tout au long du cycle de vie du produit.
Oui, les jumeaux numériques peuvent être développés à l’aide d’une modélisation fondée sur les lois de la physique, d’approches basées sur les données utilisant le Machine Learning ou le Deep Learning lorsque suffisamment de données sont disponibles, ou d’une combinaison des deux afin d’obtenir une vision globale des performances du système.
Le workflow d’un jumeau numérique comprend la définition des objectifs et du périmètre, la conception et la création du modèle, les tests et la validation de sa précision, le déploiement sur des plateformes adaptées (edge, cloud ou sur site), ainsi que la surveillance et la mise à jour continues du jumeau.
Les jumeaux numériques peuvent être déployés directement sur site et connectés à leurs homologues physiques, sur des plateformes d’edge computing afin de réduire la latence, ou sur des plateformes cloud pour bénéficier de ressources de calcul et d’une meilleure évolutivité, selon les besoins de l’application.
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