Revista >> Mai 2024 [Nr. 264] >> IT&C

De la fabricație la orașe inteligente: rolul tehnologiei Digital Twins în evoluția societății

Alexandra Cernian - Conferentiar universitar, Facultatea de Automatica si Calculatoare

15 Mai 2024

În era tehnologiei avansate, conceptul de digital twins a captat atenția în mod semnificativ, oferind organizațiilor și industriei un instrument puternic pentru a simula, monitoriza și optimiza diverse aspecte ale lumii reale într-un mediu virtual. De la fabricație și construcții până la sănătate și orașe inteligente, digital twins promite să transforme modul în care interacționăm cu mediul nostru și cum luăm decizii în procesele noastre cotidiene. Această tehnologie, inițial asociată cu industria manufacturieră, a evoluat rapid și a fost adoptată într-o varietate de domenii, oferind posibilități uimitoare de inovație și eficiență.

Ce este un digital twin?
Un digital twin este o replică digitală a unui obiect fizic, individ sau proces, încorporată într-un mediu virtual. Prin intermediul digital twins, organizațiile pot simula scenarii și rezultate din lumea reală, pot înțelege mai bine modul în care funcționează în realitate, ceea ce le facilitează luarea deciziilor mai informate.
Digital twins sunt conectate la surse reale de date din mediul înconjurător, ceea ce înseamnă că twin-ul se actualizează în timp real pentru a reflecta versiunea originală. Atunci când sunt interconectate într-un singur sistem, digital twins pot forma ceea ce este cunoscut sub numele de întreprindere metavers: un mediu digital și adesea imersiv care replică și conectează fiecare aspect al unei organizații pentru a optimiza simulările, planificarea scenariilor și luarea deciziilor.
Digital twins au capacitatea de a îmbunătăți agilitatea și performanta operațiunilor. Acest potențial nu trece neobservat nici de către companii: conform cercetărilor McKinsey, 70% dintre directorii de tehnologie din conducerea executivă a marilor întreprinderi explorează și investesc deja în digital twins.

Ce beneficii aduce un digital twin pentru organizații?
Un digital twin aduce numeroase beneficii pentru o organizație:
1. Înțelegere mai bună: Prin simularea comportamentului obiectelor fizice sau a proceselor, digital twins ajută organizațiile să înțeleagă mai bine modul în care acestea funcționează în mediul lor natural.
2. Analiză predictivă: Pe baza datelor în timp real și a simulărilor, digital twins pot fi folosiți pentru a prezice comportamentul viitor al obiectelor sau proceselor, permițând organizației să ia măsuri preventive sau corective în avans.
3. Eficiență operațională: Prin optimizarea proceselor și identificarea punctelor slabe, digital twins pot contribui la creșterea eficienței operaționale și la reducerea costurilor.
4. Îmbunătățirea luării deciziilor: Având acces la date în timp real și la simulări precise, organizațiile pot lua decizii mai informate și mai rapide, reducând riscurile și maximizând oportunitățile.
5. Accelerarea procesului de lansare pe piață: Digital twins permit iterații și optimizări rapide ale designului produselor - mult mai rapid decât testarea fizică a fiecărui prototip.
6. Îmbunătățirea calității produselor și serviciilor: Digital twins pot conduce la îmbunătățiri semnificative ale calității produselor. Prin simularea întregului proces de fabricație, se pot identifica defectele de proiectare mult mai devreme. În plus, prin monitorizarea continuă a comportamentului produselor sau proceselor, digital twins pot contribui la identificarea și remedierea defecțiunilor sau a altor probleme de calitate în timp util.
7. Optimizarea mentenanței: Digital twins pot ajuta la planificarea și gestionarea mentenanței preventive și corective, contribuind astfel la reducerea timpului de inactivitate și la prelungirea duratei de viață a echipamentelor și a infrastructurii.
8. Creșterea sustenabilității: Tehnologia digital twin poate fi deosebit de utilă în îmbunătățirea eforturilor de sustenabilitate, deoarece pot ajuta organizațiile să reducă materialul utilizat în proiectarea unui produs, precum și să îmbunătățească trasabilitatea unui produs pentru a reduce risipa de mediu. Producătorii de electronice de larg consum au adus îmbunătățiri semnificative în ceea ce privește sustenabilitatea utilizând digital twins, reducând deșeurile cu aproximativ 20 la sută.
9. Inovare: Prin experimentarea într-un mediu virtual și prin testarea ideilor noi, digital twins pot stimula inovația și dezvoltarea de produse sau servicii noi și îmbunătățite.
Aceste beneficii se pot traduce într-o mai mare competitivitate, reziliență și adaptabilitate pentru organizație în fața schimbărilor din mediul de afaceri. Potrivit McKinsey, organizațiile au observat creșteri ale veniturilor de până la 10% prin implementarea digital twins pentru clienții lor, oferind astfel acestor clienți posibilitatea să interacționeze cu produsele companiei.

Cum se construiește un digital twin?
O componentă esențială pentru implementarea digital twins într-o organizație este nivelul de maturitate digitală. Aceasta se referă, în principal, la date: o infrastructură de date de înaltă calitate care oferă informații fiabile din medii de testare și din medii de producție, și la disponibilitatea talentului și competențelor necesare pentru a construi și a menține această infrastructură.
Construirea unui digital twin implică mai multe etape, iar procesul poate varia în funcție de tipul și complexitatea obiectului, persoanei sau procesului care este reprezentat digital. Principalele etape includ:
1. Definirea obiectivului: Primul pas este să stabiliți clar ce doriti să reprezentați prin digital twin și care sunt obiectivele. Cu alte cuvinte, ce aspecte ale obiectului fizic sau ale procesului doriți să le monitorizați, să le simulați sau să le optimizați.
2. Colectarea datelor: După ce ați definit obiectivele, următorul pas este să colectați date relevante despre obiectul sau procesul real. Aceste date pot proveni dintr-o varietate de surse, cum ar fi senzori, dispozitive IoT (Internet of Things), sisteme de monitorizare sau alte surse de date.
3. Integrarea datelor: Datele colectate trebuie să fie integrate și agregate într-o singură platformă sau sistem pentru a crea o imagine completă și precisă a obiectului sau procesului real.
4. Modelarea și simularea: După ce datele sunt integrate, se creează un model digital care să reflecte cât mai precis obiectul sau procesul real. Acest model poate implica utilizarea unor tehnologii precum simulări, modele matematice sau modele de învățare automată pentru a reprezenta comportamentul și caracteristicile obiectului sau procesului într-un mediu virtual.
5. Validarea și calibrarea: Modelul digital trebuie să fie validat și calibrat folosind datele reale pentru a asigura că este cât mai precis și realist posibil în simularea comportamentului obiectului sau procesului real.
6. Implementarea și monitorizarea continuă: După finalizarea modelului digital, acesta poate fi implementat și utilizat pentru monitorizarea în timp real, simulare și analiză. Este important ca digital twin-ul să fie monitorizat și actualizat în mod constant pe măsură ce obiectul sau procesul real evoluează sau sunt disponibile noi date.

Exemple de domenii și proiecte de succes
Există numeroase domenii în care digital twins au fost și pot fi folosiți cu succes. Iată câteva exemple care demonstrează varietatea de aplicații și beneficii pe care digital twins le pot aduce în diferite domenii și industrie:
1. Fabricație și Producție: În fabricație, digital twins sunt folosiți pentru a crea modele digitale ale liniilor de producție și a echipamentelor, permițând monitorizarea în timp real a performanței și optimizarea proceselor. Acestea pot fi utilizate pentru a simula și testa noi configurații ale liniei de producție sau pentru a identifica și remedia defecțiunile mai rapid. De asemenea, digital twins sunt utile în predicția și prevenirea defectelor, contribuind la reducerea timpilor de inactivitate și la creșterea eficienței.
Siemens utilizează digital twins pentru fabricarea și asamblarea motoarelor de aviație. Prin crearea unor modele digitale precise ale fiecărui component și proces de fabricație, Siemens poate monitoriza și optimiza performanța procesului de producție, permițând reducerea timpilor de fabricație și îmbunătățirea calității produselor.
2. Sănătate și Asistență Medicală: În domeniul medical, digital twins sunt folosiți pentru a crea modele precise ale organelor și sistemelor biologice, permițând medicilor să simuleze proceduri chirurgicale complexe, să personalizeze tratamentele și să îmbunătățească diagnosticul și managementul bolilor. Acestea pot fi, de asemenea, folosite pentru a dezvolta și testa noi dispozitive medicale sau tratamente într-un mediu virtual înainte de a fi aplicate în practică.
Philips a dezvoltat digital twins pentru simularea și planificarea intervențiilor chirurgicale complexe, precum chirurgia de înlocuire a genunchiului sau a șoldului. Aceste modele precise ale articulațiilor și a sistemelor vasculare permit chirurgilor să efectueze intervenții mai precise și mai sigure, reducând riscurile și timpul de recuperare al pacienților.
3. Infrastructură și Construcții: În construcții, digital twins sunt utilizate pentru a crea modele digitale ale clădirilor și infrastructurii, permițând proiectanților și constructorilor să simuleze și să testeze diferite scenarii de proiectare, să optimizeze utilizarea resurselor și să prevină erorile în stadiile incipiente ale proiectului. De asemenea, digital twins pot fi folosite pentru a monitoriza în timp real performanța clădirilor și a infrastructurii, permițând întreținerea predictivă și optimizarea costurilor pe termen lung.

Bentley Systems a implementat digital twins pentru proiectarea și construcția podului Queensferry Crossing din Scoția. Prin crearea unui model digital complex al podului și a mediului înconjurător, Bentley Systems a permis proiectanților și constructorilor să simuleze și să optimizeze fiecare aspect al proiectului, permițând finalizarea sa în timp record și reducerea costurilor.
4. Transport și Logistică: În industria transporturilor, digital twins sunt utilizate pentru a monitoriza și gestiona vehiculele, infrastructura rutieră și rețelele de transport public, permițând optimizarea rutelor, reducerea timpilor de inactivitate și îmbunătățirea siguranței și eficienței transportului. Acestea pot fi, de asemenea, folosite pentru a simula și testa noi tehnologii de transport, cum ar fi vehiculele autonome sau sistemele de management al traficului.
Rolls-Royce utilizează digital twins pentru monitorizarea și gestionarea motoarelor de aviație utilizate în avioanele comerciale. Prin crearea unor modele digitale precise ale motoarelor și a condițiilor de operare, Rolls-Royce poate monitoriza și optimiza performanța motoarelor în timp real, permițând identificarea și prevenirea defectelor și maximizarea eficienței și durabilității acestora.
5. Energie și Utilități: În domeniul energiei și utilităților, digital twins sunt utilizate pentru a monitoriza și gestiona rețelele de distribuție a energiei și a utilităților, permițând anticiparea și prevenirea defectelor, optimizarea eficienței și utilizarea resurselor și îmbunătățirea fiabilității și siguranței rețelelor.
General Electric utilizează digital twins pentru monitorizarea și gestionarea rețelelor electrice de distribuție a energiei. Prin crearea unor modele digitale precise ale rețelelor și a echipamentelor, GE poate monitoriza și anticipa necesitățile de întreținere și modernizare a rețelelor, permițând optimizarea utilizării resurselor și îmbunătățirea fiabilității și siguranței acestora.
6. Agricultură și Mediu: În agricultură, digital twins sunt folosiți pentru a monitoriza și gestiona culturile, solul și sistemele de irigare, permițând optimizarea utilizării resurselor, îmbunătățirea randamentului și reducerea impactului asupra mediului. Acestea pot fi folosite pentru a simula și testa diferite practici agricole și tehnologii de irigare într-un mediu virtual înainte de a fi implementate pe teren.
John Deere utilizează digital twins pentru monitorizarea și gestionarea tractoarelor și a echipamentelor agricole. Prin crearea unor modele digitale precise ale echipamentelor și a condițiilor de lucru, John Deere poate monitoriza și optimiza performanța echipamentelor în timp real, permițând fermierilor să maximizeze randamentul culturilor și să reducă impactul asupra mediului.
7. Retail și Comerț electronic: În retail, digital twins sunt folosiți pentru a crea profile detaliate ale clienților și pentru a personaliza experiența lor de cumpărare, permițând oferirea de recomandări personalizate și oferte speciale. Acestea pot fi folosite, de asemenea, pentru a monitoriza și gestiona stocurile și lanțul de aprovizionare, permițând o gestionare mai eficientă a stocurilor și o reducere a pierderilor.
Amazon utilizează digital twins pentru personalizarea experienței de cumpărare a clienților. Prin crearea unor profile detaliate ale clienților și a preferințelor lor de cumpărare, Amazon poate oferi recomandări personalizate și oferte speciale, permițând îmbunătățirea satisfacției clienților și creșterea vânzărilor.
8. Smart city: Digital twins pot juca un rol vital în dezvoltarea și gestionarea orașelor inteligente (smart cities). Pot fi folosiți pentru a crea modele digitale detaliate ale infrastructurii și a terenului urban, inclusiv clădiri, drumuri, rețele de transport public, parcuri etc. Aceste modele pot ajuta la planificarea urbană și la simularea impactului diferitelor proiecte și politici asupra orașului. In plus, digital twins pot fi instrumente utile pentru gestionarea traficului, eficiența energetică, gestionarea resurselor de apă și deșeuri, siguranța publică, furnizarea de servicii publice inteligente și implicarea cetățenilor în procesul decizional. Prin utilizarea digital twins, autoritățile locale pot optimiza resursele, îmbunătăți calitatea vieții și contribui la crearea unui mediu urban mai sustenabil și rezilient.
Un exemplu notabil de oraș care utilizează digital twins este Barcelona. Prin intermediul proiectului „Barcelona Digital City” a fost creat un model digital complex și detaliat al infrastructurii orașului, inclusiv clădiri, drumuri, rețele de transport public și parcuri. Acest digital twin permite autorităților locale să simuleze și să planifice diferite scenarii urbane, să optimizeze planurile de dezvoltare și să îmbunătățească serviciile publice.
Barcelona utilizează digital twins pentru a gestiona traficul rutier și pentru a anticipa congestiile, permițând ajustarea semafoarelor și rutelor pentru a reduce timpul de călătorie și a îmbunătăți fluxul de trafic. De asemenea, digital twins sunt utilizati pentru a monitoriza consumul de energie în clădiri și pentru a identifica oportunități de eficiență energetică.

În general, deși România începe să exploreze și să adopte tehnologia digital twins în diverse domenii, potențialul acestei tehnologii este încă neexploatat și implementarea acesteia rămâne limitată în România. Este nevoie de mai multă conștientizare, investiții și colaborare între sectorul public și privat pentru a accelera adoptarea acestei tehnologii și a obține beneficii semnificative în termeni de eficiență și inovare.