Un gemello digitale è un modello virtuale progettato per riflettere in modo preciso un oggetto fisico. L'oggetto studiato, per esempio una turbina eolica, viene equipaggiato con un certo numero di sensori collegati alle sue aree funzionali più importanti. Questi sensori producono dati su diversi aspetti inerenti alle prestazioni dell'oggetto fisico, come energia generata, temperatura, condizioni atmosferiche e altro. I dati prodotti vengono quindi trasmessi a un sistema di elaborazione e applicati alla copia digitale.
Una volta informato dei dati, il modello virtuale può essere utilizzato per eseguire simulazioni, studiare problemi di prestazione e generare eventuali miglioramenti, tutto allo scopo di produrre preziosi insight che, a loro volta, potranno essere applicati all'oggetto fisico originale.
Sebbene simulazioni e gemelli digitali ricorrano entrambi a modelli digitali per replicare i diversi processi di un sistema, un gemello digitale costituisce un vero e proprio ambiente virtuale, risultando molto più completo ai fini dell'analisi. La differenza tra un gemello digitale e una simulazione è soprattutto una questione di scala: mentre una simulazione solitamente studia un unico processo particolare, un gemello digitale può eseguire da solo qualsiasi numero di simulazioni utili per studiare più processi.
Ma le differenze non finiscono qui. Per esempio, le simulazioni di solito non dispongono di dati in tempo reale. Al contrario, i gemelli digitali sono progettati intorno a un flusso di informazioni bidirezionale, per cui in un primo momento i sensori dell'oggetto forniscono i dati più rilevanti al processore di sistema e, successivamente, gli insight creati dal processore vengono rimandati indietro per essere condivisi con l'oggetto sorgente originale.
Avendo a disposizione dati più precisi e costantemente aggiornati su un gran numero di aree, combinati con la maggiore potenza di calcolo tipica degli ambienti virtuali, i gemelli digitali possono studiare molti più problemi da molti più punti di vista di quanto possano fare le simulazioni standard, aumentando al massimo le possibilità di migliorare prodotti e processi.
Esistono diversi tipi di gemelli digitali, a seconda del livello di ingrandimento del prodotto. La maggiore differenza tra questi gemelli consiste nell'area di applicazione. Succede spesso che diversi tipi di gemelli digitali coesistano all'interno di un sistema o di un processo. Esaminiamo le tipologie di gemelli digitali per scoprire le loro differenze e come vengono applicati.
I gemelli di componenti sono l'unità base di un gemello digitale, il più piccolo esemplare di componente funzionante. I gemelli di parti sono pressappoco la stessa cosa, ma riguardano componenti di importanza leggermente minore.
Quando due o più componenti funzionano contemporaneamente, formano quello che si chiama asset. I gemelli di asset permettono di analizzare l'interazione di tali componenti, generando un ampio numero di dati relativi alla performance che possono essere elaborati e trasformati in utili insight.
Il livello successivo di ingrandimento coinvolge i gemelli di sistema o unità, che consentono di comprendere in che modo i diversi asset si combinano per formare un intero sistema funzionante. I gemelli di sistema forniscono una visione dell'interazione degli asset e possono suggerire miglioramenti ai fini prestazionali.
I gemelli di processo, al massimo livello di ingrandimento, rivelano il modo in cui i sistemi lavorano congiuntamente per formare un intero impianto di produzione. I sistemi sono tutti sincronizzati per operare con la massima efficienza o i ritardi di un sistema avranno ripercussioni sugli altri? I gemelli di processo permettono di determinare tempistiche precise capaci di influenzare al massimo l'efficacia complessiva.
L'idea di tecnologia dei gemelli digitali è stata espressa per la prima volta nel 1991, con la pubblicazione di Mirror Worlds di David Gelernter. Tuttavia, la prima applicazione nel settore manifatturiero del concetto di gemelli digitali, nel 2002, e l'annuncio formale di un software incentrato sui gemelli digitali sono attribuiti al Dr. Michael Grieves (all'epoca docente presso la University of Michigan). Infine, fu John Vickers della NASA a introdurre nel 2010 un nuovo termine: "gemello digitale".
Tuttavia, l'idea di base di utilizzare un gemello digitale come mezzo per studiare un oggetto fisico è riconducibile a molto tempo prima. Infatti, si può ragionevolmente affermare che pioniera nell'uso della tecnologia dei gemelli digitali sia stata la NASA durante le sue missioni esplorative nello spazio degli anni '60, quando di ogni veicolo spaziale lanciato in orbita realizzava una replica fedele destinata a rimanere a terra, utilizzata per analisi e simulazioni dal personale NASA impegnato come equipaggio.
Ricerca&e sviluppo di livello superiore
L'utilizzo di gemelli digitali consente una più efficiente ricerca e progettazione dei prodotti, oltre alla generazione di una grande quantità di dati sui possibili risultati delle loro prestazioni. Tali informazioni possono condurre a insight in grado di aiutare le aziende a perfezionare il prodotto prima che vada in produzione.
Maggiore efficienza
Anche successivamente all'entrata in produzione di un nuovo prodotto, i gemelli digitali permettono di rispecchiare e monitorare i sistemi di produzione, con particolare attenzione al raggiungimento e al mantenimento della massima efficienza per l'intero processo manifatturiero.
Fine vita del prodotto
Inoltre, i gemelli digitali possono aiutare i produttori a decidere il destino dei prodotti che giungono alla fine del ciclo di vita e che devono ricevere un trattamento conclusivo, quale riciclaggio o altre misure. I gemelli digitali possono determinare quali materiali del prodotto possono essere recuperati.
Se da una parte i gemelli digitali sono apprezzati per ciò che offrono, il loro utilizzo non è giustificato per tutti i produttori o i prodotti. Non tutti gli oggetti sono abbastanza complessi da richiedere l'intenso e regolare flusso di dati da sensore necessario al buon funzionamento dei gemelli digitali. E, dal punto di vista finanziario, non è detto che valga sempre la pena investire ingenti risorse nella creazione di un gemello digitale. (Bisogna tenere presente che un gemello digitale è una replica esatta di un oggetto fisico, la cui realizzazione potrebbe risultare dispendiosa.)
D'altra parte, esistono numerosi tipi di progetto che beneficiano in maniera particolare del ricorso a modelli digitali:
- Progetti fisicamente grandi Edifici, ponti e altre strutture complesse vincolate da rigide regole ingegneristiche.
- Progetti meccanicamente complessi Turboreattori, automobili e aeromobili. I gemelli digitali possono migliorare l'efficienza nei macchinari complessi e nei motori di enormi dimensioni.
- Apparecchiature elettriche Inclusi i meccanismi per generare energia e quelli per trasmetterla.
- Progetti di produzione I gemelli digitali sono eccellenti per ottimizzare i processi tipici degli ambienti industriali, caratterizzati da sistemi di macchinari a funzionamento coordinato.
Pertanto, i settori che ottengono i migliori risultati grazie ai gemelli digitali sono quelli che hanno a che fare con prodotti o progetti su larga scala:
- Ingegneria (sistemi)
- Produzione di automobili
- Produzione di aeromobili
- Progettazione di vagoni ferroviari
- Edilizia
- Industria manifatturiera
- Aziende del settore energia
Gemelli digitali: un mercato destinato a crescere
La rapida espansione del mercato dei gemelli digitali indica che, sebbene siano già in uso in molti settori, la domanda dei gemelli digitali continuerà a crescere ancora per qualche tempo. Nel 2020 il mercato dei gemelli digitali è stato valutato 3,1 miliardi di dollari. Alcuni analisti del settore ipotizzano che potrebbe continuare a crescere almeno fino al 2026, arrivando a una cifra stimata in 48,2 miliardi di dollari1.
L'utilizzo dei gemelli digitali end-to-end consente ai proprietari e/o agli operatori di ridurre i tempi di inattività delle apparecchiature, mentre la produzione aumenta. Scopri una soluzione SLM (Service Lifecycle Management) creata da IBM e Siemens.
I gemelli digitali sono già ampiamente utilizzati nelle seguenti applicazioni:
I motori di grandi dimensioni - compresi i motori a reazione, i motori per locomotive e le turbine per la generazione di energia - traggono grandi vantaggi dall'uso di gemelli digitali, soprattutto quando si tratta di stabilire i tempi di manutenzione regolare.
Le strutture fisiche di dimensioni importanti, come grandi edifici e piattaforme di perforazione offshore, possono essere migliorate grazie ai gemelli digitali, in particolare durante la fase di progettazione. I gemelli digitali sono utili anche durante la progettazione dei sistemi che operano all'interno di tali strutture, come i sistemi HVAC.
Poiché i gemelli digitali sono concepiti per rispecchiare l'intero ciclo di vita di un prodotto, non deve sorprendere che siano presenti in tutte le fasi di produzione, accompagnando un manufatto dalla progettazione al prodotto finito, attraverso tutti i passaggi intermedi.
Così come può definire il profilo di un prodotto, il ricorso a gemelli digitali può definire i profili dei pazienti che necessitano di assistenza sanitaria. Lo stesso tipo di sistema basato su dati generati da sensori può essere utilizzato per tracciare una gamma di indicatori sanitari e generare importanti insight.
Le automobili rappresentano molti tipi di sistemi co-funzionanti complessi e i gemelli digitali sono ampiamente utilizzati nella loro progettazione, sia per migliorare le prestazioni dei veicoli che per incrementare l'efficienza nelle diverse fasi di produzione.
L'utilizzo di gemelli digitali rappresenta un grande aiuto per ingegneri civili e altre figure coinvolte nelle attività di pianificazione urbana, in quanto può mostrare in tempo reale dati spaziali 3D e 4D e integrare sistemi di realtà aumentata negli ambienti costruiti.
Stiamo chiaramente assistendo a un radicale cambiamento dei modelli operativi esistenti. Si sta verificando una reinvenzione digitale nei settori a uso intensivo di asset che sta trasformando i modelli operativi in modo dirompente, richiedendo una visione fisica e digitale integrata di asset, apparecchiature, strutture e processi. I gemelli digitali sono una parte essenziale di quel riallineamento.
Il futuro dei gemelli digitali è praticamente illimitato, grazie alla sempre maggiore potenza cognitiva che viene continuamente messa al loro servizio. Quindi, i gemelli digitali stanno costantemente apprendendo nuove competenze e capacità, il che significa che possono continuare a generare gli insight necessari per migliorare i prodotti e rendere più efficienti i processi.
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Nota a piè di pagina
1 “Digital Twin Market worth $48.2 billion USD by 2026 (link esterno a ibm.com),” Aashish Mehra, Markets and Markets