Um gêmeo digital é um modelo virtual projetado para representar com precisão um objeto físico. O objeto em estudo, por exemplo, uma turbina eólica, é equipado com vários sensores referentes a áreas vitais de seu funcionamento. Tais sensores produzem dados sobre diferentes aspectos do desempenho do objeto físico, como produção de energia, temperatura, condições do climáticas, entre outros. Então, esses dados são transmitidos para um sistema de processamento e aplicados à cópia digital.
Uma vez informado com esses dados, o modelo virtual poderá ser usado para executar simulações, estudar problemas de desempenho e gerar possíveis melhorias, tudo com o intuito de gerar insights de alto valor, que poderão ser aplicados no objeto físico original.
Embora tanto as simulações quanto os gêmeos digitais utilizem modelos digitais para replicar os vários processos de um sistema, o gêmeo digital é, na verdade, um ambiente virtual, o que torna o estudo consideravelmente mais detalhado. A diferença entre o gêmeo digital e a simulação é em grande parte uma questão de escala: enquanto uma simulação tipicamente estuda um determinado processo, um gêmeo digital pode executar, de maneira autônoma, inúmeras simulações úteis para estudar múltiplos processos.
Essas não são as únicas diferenças. Por exemplo, o acesso a dados em tempo real não é algo que as simulações podem aproveitar. Porém, os gêmeos digitais são desenvolvidos com base em um fluxo de informações de mão dupla, que começa quando os sensores do objeto fornecem dados relevantes ao processador do sistema e se repete quando os insights criados pelo processador são compartilhados de volta com o objeto fonte original.
Ao ter dados melhores e atualizados constantemente, referentes a uma ampla variedade de áreas e associados à capacidade de computação que acompanha o ambiente virtual, os gêmeos digitais são capazes de estudar mais problemas de muito mais pontos estratégicos do que as simulações típicas, com o potencial máximo para melhorar produtos e processos.
Há vários tipos de gêmeos digitais, dependendo da capacidade de ampliação do produto. A maior diferença entre eles é a área de aplicação. É comum haver diferentes tipos de gêmeos digitais coexistindo em um sistema ou processo. Veja a seguir os tipos de gêmeos digitais para entender suas diferenças e como se aplicam.
Componentes gêmeos são a unidade básica do gêmeo digital, o menor exemplo de um componente funcional. Peças gêmeas são, no geral, a mesma coisa, porém referentes a componentes de menor importância.
Quando dois ou mais componentes são executados juntos, formam o que se conhece como um ativo. Os ativos gêmeos permitem estudar a interação entre esses componentes, criando uma coleção importante de dados de desempenho que podem ser processados e, assim, transformados em insights executáveis.
O nível seguinte de ampliação envolve unidades ou sistemas gêmeos, os quais permitem ver como os diferentes ativos se unem para formar um sistema completo e em funcionamento. Sistemas gêmeos proporcionam visibilidade de interação entre os ativos e podem sugerir melhorias de desempenho.
Processos gêmeos, o nível macro de ampliação, revelam como os sistemas funcionam juntos para criar toda a estrutura de produção. Todos esses sistemas são sincronizados para operar com eficiência máxima ou será que atrasos em um sistema afetarão os outros? Processos gêmeos podem ajudar a determinar, com precisão, os esquema de tempo que afetam a eficiência geral.
A ideia de uma tecnologia de gêmeo digital foi mencionada pela primeira vez em 1991, com a publicação de Mirror Worlds, por David Gelernter. Contudo, o Dr. Michael Grieves (na época, na Universidade de Michigan) é reconhecido pela primeira aplicação do conceito de gêmeos digitais em manufatura, em 2002, e por apresentar formalmente o conceito de software de gêmeo digital. Por fim, John Vickers, da NASA, introduziu um novo termo "gêmeo digital" em 2010.
Entretanto, a ideia central do uso de gêmeo digital como meio de estudo de objetos físicos já podia ser vista muito antes. De fato, podemos afirmar que a NASA foi a pioneira no uso da tecnologia de gêmeo digital durante suas missões de exploração espacial, na década de 1960. Na época, cada nave enviada ao espaço possuía uma réplica exata na Terra, usada para que os profissionais da NASA que trabalhavam com as equipes de astronautas pudessem estudar e realizar simulações.
Melhoria em P&D
O uso de gêmeos digitais permite realizar pesquisa e desenvolvimento mais eficazes de produtos, com abundância de dados criados sobre os prováveis resultados de desempenho. Essas informações podem levar a insights que ajudam as empresas a fazer os aperfeiçoamentos necessários no produto antes de iniciar a produção.
Maior eficiência
Mesmo depois de um novo produto ir para produção, os gêmeos digitais podem espelhar e monitorar os sistemas de produção, com o objetivo de atingir e manter eficiência máxima ao longo de todo o processo.
Fim de vida útil do produto
Os gêmeos digitais podem até mesmo ajudar os fabricantes a decidir o que fazer com produtos que chegam ao fim do ciclo de vida e precisam receber processamento final, por meio de reciclagem e outras medidas. Ao usar gêmeos digitais, eles poderão determinar quais materiais do produto poderão ser coletados.
Embora os gêmeos digitais sejam valorizados pelo que oferecem, seu uso não está disponível para todos os fabricantes ou todos os produtos criados. Nem todo objeto é complexo o suficiente para necessitar do fluxo de dados intenso e regular do sensor que os gêmeos digitais demandam. Além disso, do ponto de vista financeiro, nem sempre vale a pena investir recursos significativos na criação de um gêmeo digital. (Considere que um gêmeo digital é uma réplica exata de um objeto físico, por isso sua criação pode ser cara).
Por outro lado, diversos tipos de projetos beneficiam-se especialmente do uso de modelos digitais:
- Projetos fisicamente grandes: edifícios, pontes e outras estruturas complexas sujeitas a regras rígidas de engenharia.
- Projetos mecanicamente complexos: turbinas de jatos, automóveis e aeronaves. Os gêmeos digitais podem melhorar a eficiência de mecanismos complicados e motores gigantescos.
- Equipamentos de energia: isso inclui os motores de geração de energia e de transmissão.
- Projetos de manufatura Os gêmeos digitais são ótimos para ajudar a aperfeiçoar a eficiência de processos, como os que existem em ambientes industriais, com sistemas de máquinas em cofuncionamento.
Portanto, os setores que obtêm mais sucesso no uso de gêmeos digitais são aqueles envolvidos com produtos ou projetos de larga escala:
- Engenharia (sistemas)
- Indústria automobilística
- Indústria aeronáutica
- Projetos ferroviários
- Construção civil
- Manufatura
- Serviços de energia
Mercado dos gêmeos digitais: pronto para crescer
O mercado de gêmeos digitais, em rápida expansão, indica que, embora já sejam usados em muitos setores, a demanda por eles continuará crescendo por mais um tempo. Em 2022, o mercado global de gêmeos digitais deve alcançar USD 73,5 bilhões até 2027.1
O uso de gêmeos digitais de ponta a ponta permite aos proprietários e operadores reduzir o tempo de inatividade de equipamentos e elevar a produtividade. Descubra o Service Lifecycle Management, uma solução para o gerenciamento do ciclo de vida de serviços criada pela IBM e pela Siemens.
Os gêmeos digitais já são amplamente utilizados nas seguintes aplicações:
Grandes motores, como motores de turbinas, motores para trens de grande porte, além de turbinas para geração de energia, se beneficiam incrivelmente do uso de gêmeos digitais, em especial no estabelecimento de cronogramas de manutenção periódica necessária.
Estruturas físicas de grande porte, como grandes prédios ou plataformas de perfuração marítimas, podem ser aperfeiçoadas pelo uso de gêmeos digitais, em especial durante a etapa de projeto. É igualmente útil no desenho dos sistemas que operam no interior dessas estruturas, como sistemas de aquecimento, ventilação e ar-condicionado.
Como os gêmeos digitais são feitos para espelhar todo o ciclo de vida do produto, não surpreende que eles tenham se tornado onipresentes em todos os estágios da manufatura, guiando os produtos desde o design ao produto final e passando por todas as etapas intermediárias.
Assim como produtos podem ser analisados pelo uso de gêmeos digitais, o mesmo acontece com pacientes que recebem assistência médica. O mesmo tipo de sistema de dados gerados por sensor pode ser usado para rastrear diversos indicadores de saúde e gerar insights fundamentais.
Os carros representam muitos tipos de sistemas complexos e cofuncionais, e os gêmeos digitais são bastante usados no design automotivo, tanto para melhorar o desempenho do veículo quanto para aumentar a eficiência da produção.
Engenheiros civis e outros profissionais que trabalham com planejamento urbano recebem apoio relevante dos gêmeos digitais, pois eles podem mostrar dados espaciais 3D e 4D em tempo real, além de poder incorporar sistemas de realidade aumentada em ambientes construídos.
Uma mudança fundamental está claramente acontecendo nos modelos operacionais atuais. Uma reinvenção digital está acontecendo em setores da indústria com alto investimento em ativos, e está mudando os modelos operacionais de forma inovadora, demandando visualização física e digital de ativos, equipamentos, instalações e processos. Os gêmeos digitais são parte vital desse realinhamento.
O futuro dos gêmeos digitais é quase ilimitado, devido ao fato de receberem quantidades cada vez maiores de capacidade cognitiva. Assim, os gêmeos digitais estão constantemente aprendendo novas habilidades e competências, o que significa que eles podem gerar, continuamente, os insights necessários para criar produtos melhores e processos mais eficientes.
Saiba como a mudança impactará seu setor neste artigo sobre transformação de operações de ativos com gêmeos digitais.
Maximize o desempenho de ativos aumentando a disponibilidade de ativos, diminuindo custos e reduzindo o risco de falha do equipamento.
Encontre uma solução completa para modelagem e design de sistemas que ajuda a fornecer sistemas e software mais rapidamente.
Atualize-se rapidamente sobre o gêmeo digital com este útil panorama geral, que oferece uma definição resumida do termo, possíveis casos de uso e o valor do gêmeo digital, bem como estimativas de para onde essa tecnologia dinâmica está indo.
O Instituto de Ciências Aplicadas e Pesquisas Tecnológicas de Hong Kong Cia Ltda. (ASTRI) cortou custos e tempo de integração ao adotar processos de Engenharia de Sistemas Baseada em Modelos (MBSE).
O Porto de Roterdã está usando a tecnologia de gêmeo digital da IBM para transformar-se: do maior, passar a ser o mais inteligente.
Ao construir sua nova unidade de assistência médica usando um gêmeo digital, criado com o IBM Maximo, a universidade ganha tempo, reduz custos e otimiza as operações em andamento.
Nota de rodapé
1 Mercado de gêmeos digitais por empresa, aplicativo (manutenção preditiva, otimização de negócios), indústria (aeroespacial, automotivo e transporte, saúde, infraestrutura, energia e serviços públicos) e região (link externo a ibm.com), Previsão global para 2027, mercado de gêmeos digitais, junho de 2022