Gemelo digital
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Un gemelo digital es una representación virtual que sirve como contraparte digital en tiempo real de un objeto o proceso físico. Aunque el concepto se originó antes (atribuido a Michael Grieves, entonces de la Universidad de Michigan, en 2002), la primera definición práctica de gemelo digital se originó en la NASA en un intento de mejorar la simulación de modelos físicos de naves espaciales en 2010. [1] Los gemelos digitales son resultado de la mejora continua en la creación de actividades de diseño e ingeniería de producto. Los dibujos de productos y las especificaciones de ingeniería progresaron desde el dibujo hecho a mano hasta el dibujo asistido por computadora / diseño asistido por computadora hasta la ingeniería de sistemas basada en modelos.

El gemelo digital de un objeto físico depende del hilo digital ( el diseño y la especificación de nivel más bajo para un gemelo digital) y el "gemelo" depende del hilo digital para mantener la precisión. Los cambios en el diseño del producto se implementan mediante órdenes de cambio de ingeniería (ECO). Un ECO hecho a un elemento componente dará como resultado una nueva versión del hilo digital del elemento y, en consecuencia, al gemelo digital.

Origen y tipos de gemelos digitales

Los gemelos digitales fueron anticipados por el libro Mirror Worlds de David Gelernter de 1991 . [2] [3] Es ampliamente reconocido en publicaciones académicas y de la industria [4] [5] [6] [7] [8] [9] que Michael Grieves del Instituto de Tecnología de Florida aplicó por primera vez el concepto de gemelo digital en la fabricación . El concepto y modelo del gemelo digital fue presentado públicamente en 2002 por Grieves, entonces de la Universidad de Michigan , en una conferencia de la Sociedad de Ingenieros de Fabricación en Troy, Michigan . [10]Grieves propuso al gemelo digital como el modelo conceptual subyacente a la gestión del ciclo de vida del producto (PLM).

Un concepto de gemelo digital temprano de Grieves y Vickers

El concepto, que tenía algunos nombres diferentes, fue posteriormente llamado "gemelo digital" por John Vickers de la NASA en un Informe de hoja de ruta de 2010. [11] El concepto de gemelo digital consta de tres partes distintas: el producto físico, el producto digital / virtual y las conexiones entre los dos productos. Las conexiones entre el producto físico y el producto digital / virtual son datos que fluyen desde el producto físico al producto digital / virtual y la información que está disponible desde el producto digital / virtual al entorno físico.

El concepto se dividió en tipos más tarde. [12] Los tipos son el prototipo de gemelo digital (DTP), la instancia de gemelo digital (DTI) y el agregado de gemelo digital (DTA). El DTP consiste en los diseños, análisis y procesos para realizar un producto físico. La DTP existe antes de que exista un producto físico. El DTI es el gemelo digital de cada instancia individual del producto una vez que se fabrica. El DTA es la agregación de DTI cuyos datos e información se pueden utilizar para interrogar sobre el producto físico, los pronósticos y el aprendizaje. La información específica contenida en los gemelos digitales está impulsada por casos de uso. El gemelo digital es una construcción lógica, lo que significa que los datos y la información reales pueden estar contenidos en otras aplicaciones.

Además, el Digital Twin se puede dividir en tres subcategorías según los diferentes niveles de integración , es decir, el diferente grado de flujo de datos e información que puede ocurrir entre la parte física y la copia digital: Modelo digital (DM) , Sombra digital (DS ) y Digital Twin.

Un gemelo digital en el lugar de trabajo a menudo se considera parte de la automatización de procesos robóticos (RPA) y, según la firma de analistas de la industria Gartner, es parte de la categoría más amplia y emergente de "hiperautomatización". [ cita requerida ]

Ejemplos de

Un ejemplo de cómo se utilizan los gemelos digitales para optimizar máquinas es el mantenimiento de equipos de generación de energía como turbinas de generación de energía, motores a reacción y locomotoras.

Otro ejemplo de gemelos digitales es el uso de modelado 3D para crear compañeros digitales para los objetos físicos. [13] [14] [15] [6] [7] Se puede utilizar para ver el estado del objeto físico real, lo que proporciona una forma de proyectar objetos físicos en el mundo digital. [16] Por ejemplo, cuando los sensores recopilan datos de un dispositivo conectado, los datos del sensor se pueden usar para actualizar una copia de "gemelo digital" del estado del dispositivo en tiempo real. [17] [18] [19] El término "sombra de dispositivo" también se utiliza para el concepto de gemelo digital. [20]El gemelo digital está destinado a ser una copia actualizada y precisa de las propiedades y estados del objeto físico, incluida la forma, posición, gesto, estado y movimiento. [21]

Un gemelo digital también se puede usar para monitoreo , diagnóstico y pronóstico para optimizar el rendimiento y la utilización de los activos. En este campo, los datos sensoriales se pueden combinar con datos históricos, experiencia humana y aprendizaje de flota y simulación para mejorar el resultado de los pronósticos. [22] Por lo tanto, los pronósticos complejos y las plataformas de sistemas de mantenimiento inteligente pueden utilizar gemelos digitales para encontrar la causa raíz de los problemas y mejorar la productividad .

Los gemelos digitales de vehículos autónomos y su conjunto de sensores integrados en una simulación de tráfico y entorno también se han propuesto como un medio para superar los importantes desafíos de desarrollo, prueba y validación para la aplicación automotriz, [23] en particular cuando los algoritmos relacionados se basan en Enfoques de inteligencia artificial que requieren amplios datos de entrenamiento y conjuntos de datos de validación.

Industria manufacturera

Los objetos físicos de fabricación se virtualizan y representan como modelos de gemelos digitales (avatares) perfectamente integrados y estrechamente integrados tanto en el espacio físico como en el ciberespacio. [24] Los objetos físicos y los modelos gemelos interactúan de manera mutuamente beneficiosa.

Dinámica a nivel de industria

El gemelo digital está interrumpiendo toda la gestión del ciclo de vida del producto (PLM), desde el diseño hasta la fabricación, el servicio y las operaciones. [25] Hoy en día, PLM consume mucho tiempo en términos de eficiencia, fabricación, inteligencia, fases de servicio y sostenibilidad en el diseño de productos. Un gemelo digital puede fusionar el espacio físico y virtual del producto. [26] El gemelo digital permite a las empresas tener una huella digital de todos sus productos, desde el diseño hasta el desarrollo y durante todo el ciclo de vida del producto. [27] [28]En términos generales, las industrias con negocios de fabricación se ven muy afectadas por los gemelos digitales. En el proceso de fabricación, el gemelo digital es como una réplica virtual de los sucesos inmediatos en la fábrica. Se están colocando miles de sensores a lo largo del proceso físico de fabricación, todos recogiendo datos de diferentes dimensiones, como las condiciones ambientales, las características de comportamiento de la máquina y el trabajo que se está realizando. Todos estos datos se comunican y recopilan continuamente por el gemelo digital. [27]

Debido a la Internet de las cosas, los gemelos digitales se han vuelto más asequibles y podrían impulsar el futuro de la industria manufacturera. Un beneficio para los ingenieros radica en el uso en el mundo real de productos que están siendo diseñados virtualmente por el gemelo digital. Las formas avanzadas de mantenimiento y gestión de productos y activos están al alcance de la mano, ya que existe un gemelo digital de lo real con capacidades en tiempo real. [29]

Los gemelos digitales ofrecen una gran cantidad de potencial comercial al predecir el futuro en lugar de analizar el pasado del proceso de fabricación. [30] La representación de la realidad creada por gemelos digitales permite a los fabricantes evolucionar hacia prácticas comerciales ex ante. [25] El futuro de la fabricación se basa en los cuatro aspectos siguientes: modularidad, autonomía, conectividad y gemelo digital. [31]A medida que hay una creciente digitalización en las etapas de un proceso de fabricación, se abren oportunidades para lograr una mayor productividad. Esto comienza con la modularidad y conduce a una mayor efectividad en el sistema de producción. Además, la autonomía permite que el sistema de producción responda a eventos inesperados de una manera eficiente e inteligente. Por último, la conectividad como el Internet de las cosas hace posible el cierre del ciclo de digitalización, permitiendo entonces optimizar el siguiente ciclo de diseño y promoción de productos para un mayor rendimiento. [31] Esto puede conducir a un aumento en la satisfacción y la lealtad del cliente cuando los productos pueden determinar un problema antes de romperse. [25]Además, a medida que los costos de almacenamiento e informática se vuelven menos costosos, las formas en que se utilizan los gemelos digitales se están expandiendo. [27]

Urbanismo y la industria de la construcción (entorno construido)

Los gemelos digitales geográficos se han popularizado en la práctica de la planificación urbana, dado el creciente apetito por la tecnología digital en el movimiento de las ciudades inteligentes . Estos gemelos digitales a menudo se proponen en forma de plataformas interactivas para capturar y mostrar datos espaciales 3D y 4D en tiempo real con el fin de modelar entornos urbanos (ciudades) y la alimentación de datos dentro de ellos. [32]

Las tecnologías de visualización, como los sistemas de realidad aumentada (AR), se utilizan como herramientas de colaboración para el diseño y la planificación en el entorno construido, integrando fuentes de datos de sensores integrados en ciudades y servicios API para formar gemelos digitales. Por ejemplo, la RA se puede utilizar para crear mapas de realidad aumentada, edificios y fuentes de datos proyectadas en las mesas para una visualización colaborativa por parte de profesionales del entorno construido. [33]

En el entorno construido, en parte a través de la adopción de procesos de modelado de información de construcción (BIM), las actividades de planificación, diseño, construcción y operación y mantenimiento se digitalizan cada vez más, y los gemelos digitales de activos construidos se ven como una extensión lógica, a nivel individual. a nivel de activos y a nivel nacional. En el Reino Unido en noviembre de 2018, por ejemplo, el Centro de Digital incorporado Bretaña publicó Los Principios Géminis , [34] esbozar principios para guiar el desarrollo de un "gemelo digital nacional". [35]

Uno de los primeros ejemplos de un "gemelo digital" en funcionamiento se logró en 1996 durante la construcción de las instalaciones de Heathrow Express en la Terminal 1 del aeropuerto de Heathrow . El consultor Mott MacDonald y el pionero de BIM Jonathan Ingram conectaron sensores de movimiento en la ataguía y los pozos al modelo de objeto digital para mostrar los movimientos en el modelo. Se hizo un objeto de lechada digital para monitorear los efectos del bombeo de lechada en la tierra para estabilizar los movimientos del suelo. [36]

Industria de la salud

La atención médica es reconocida como una industria que está siendo interrumpida por la tecnología de gemelos digitales. [37] [26] El concepto de gemelo digital en la industria de la salud se propuso originalmente y se utilizó por primera vez en los pronósticos de productos o equipos. [26] Con un gemelo digital, se pueden mejorar vidas en términos de salud médica, deportes y educación si se adopta un enfoque de la atención de la salud más basado en datos. [25]La disponibilidad de tecnologías hace posible construir modelos personalizados para pacientes, continuamente ajustables en base a parámetros de salud y estilo de vida monitoreados. En última instancia, esto puede conducir a un paciente virtual, con una descripción detallada del estado de salud de un paciente individual y no solo en los registros anteriores. Además, el gemelo digital permite comparar los registros de las personas con los de la población para encontrar patrones más fáciles y con gran detalle. [37]El mayor beneficio del gemelo digital en la industria de la salud es el hecho de que la atención médica se puede adaptar para anticipar las respuestas de los pacientes individuales. Los gemelos digitales no solo conducirán a mejores resoluciones al definir la salud de un paciente individual, sino que también cambiarán la imagen esperada de un paciente sano. Anteriormente, "saludable" se consideraba la ausencia de indicaciones de enfermedad. Ahora, los pacientes 'sanos' se pueden comparar con el resto de la población para definir realmente los sanos. [37]Sin embargo, la aparición del gemelo digital en el sector sanitario también presenta algunas desventajas. El gemelo digital puede generar desigualdad, ya que la tecnología podría no ser accesible para todos al ampliar la brecha entre ricos y pobres. Además, el gemelo digital identificará patrones en una población que pueden conducir a la discriminación. [37] [38]

Industria automotriz

La industria del automóvil se ha mejorado gracias a la tecnología de gemelos digitales. Los gemelos digitales en la industria del automóvil se implementan utilizando datos existentes para facilitar los procesos y reducir los costos marginales. Actualmente, los diseñadores de automóviles amplían la materialidad física existente incorporando capacidades digitales basadas en software. [39] Un ejemplo específico de tecnología de gemelos digitales en la industria automotriz es donde los ingenieros automotrices utilizan la tecnología de gemelos digitales en combinación con la herramienta analítica de la empresa para analizar cómo se conduce un automóvil específico. Al hacerlo, pueden sugerir la incorporación de nuevas funciones en el automóvil que pueden reducir los accidentes automovilísticos en la carretera, lo que antes no era posible en un período de tiempo tan corto. [40]

Las características de la tecnología de gemelos digitales

Las tecnologías digitales tienen ciertas características que las distinguen de otras tecnologías. Estas características, a su vez, tienen ciertas consecuencias. Los gemelos digitales tienen las siguientes características.

Conectividad

Una de las principales características de la tecnología de gemelos digitales es su conectividad. El reciente desarrollo de Internet de las cosas (IoT) presenta numerosas tecnologías nuevas. El desarrollo de IoT también adelanta el desarrollo de la tecnología de gemelos digitales. Esta tecnología muestra muchas características que tienen similitudes con el carácter del IoT, a saber, su naturaleza conectiva. En primer lugar, la tecnología permite la conectividad entre el componente físico y su contraparte digital. La base de los gemelos digitales se basa en esta conexión, sin ella, la tecnología de gemelos digitales no existiría. Como se describe en la sección anterior, esta conectividad se crea mediante sensores en el producto físico que obtienen datos e integran y comunican estos datos a través de diversas tecnologías de integración.La tecnología de gemelos digitales permite una mayor conectividad entre organizaciones, productos y clientes.[28] Por ejemplo, la conectividad entre socios en una cadena de suministro se puede incrementar permitiendo a los miembros de esta cadena de suministro verificar el gemelo digital de un producto o activo. Estos socios pueden verificar el estado de este producto simplemente verificando el gemelo digital.

Además, se puede aumentar la conectividad con los clientes.

La servitización es el proceso de las organizaciones que agregan valor a sus principales ofertas corporativas a través de servicios. [41] En el caso del ejemplo de los motores, la fabricación del motor es la oferta principal de esta organización, luego agregan valor al brindar un servicio de revisión del motor y ofrecer mantenimiento.

Homogeneización

Los gemelos digitales se pueden caracterizar además como una tecnología digital que es tanto la consecuencia como un facilitador de la homogeneización de los datos. Debido a que ahora se puede almacenar y transmitir cualquier tipo de información o contenido en la misma forma digital, se puede utilizar para crear una representación virtual del producto (en forma de gemelo digital), desacoplando así la información de su forma física. [42] Por lo tanto, la homogeneización de los datos y el desacoplamiento de la información de su artefacto físico, han permitido la existencia de gemelos digitales. Sin embargo, los gemelos digitales también permiten que cada vez más información sobre productos físicos se almacene digitalmente y se desacople del producto en sí. [39]

A medida que los datos se digitalizan cada vez más, pueden transmitirse, almacenarse y calcularse de forma rápida y económica. [39] Según la ley de Moore , la potencia informática seguirá aumentando exponencialmente durante los próximos años, mientras que el coste de la informática se reducirá significativamente. Por lo tanto, esto conduciría a costos marginales más bajos para desarrollar gemelos digitales y haría comparativamente mucho más barato probar, predecir y resolver problemas en representaciones virtuales en lugar de probar en modelos físicos y esperar a que los productos físicos se rompan antes de intervenir.

Otra consecuencia de la homogeneización y desacoplamiento de la información es que la experiencia del usuario converge. A medida que se digitaliza la información de los objetos físicos, un solo artefacto puede tener múltiples posibilidades nuevas. [39] La tecnología de gemelos digitales permite compartir información detallada sobre un objeto físico con un mayor número de agentes, sin restricciones de ubicación física o tiempo. [43] En su documento técnico sobre la tecnología de gemelos digitales en la industria manufacturera, Michael Grieves señaló lo siguiente sobre las consecuencias de la homogeneización habilitada por los gemelos digitales: [44]

En el pasado, los gerentes de fábrica tenían su oficina con vista a la fábrica para poder tener una idea de lo que estaba sucediendo en el piso de la fábrica. Con el gemelo digital, no solo el gerente de fábrica, sino todos los asociados con la producción de la fábrica podrían tener esa misma ventana virtual no solo para una sola fábrica, sino para todas las fábricas en todo el mundo. (Grieves, 2014, p. 5)

Reprogramable e inteligente

Como se indicó anteriormente, un gemelo digital permite reprogramar un producto físico de cierta manera. Además, el gemelo digital también se puede reprogramar de forma automática. A través de los sensores del producto físico, las tecnologías de inteligencia artificial y el análisis predictivo , [45]Una consecuencia de esta naturaleza reprogramable es la aparición de funcionalidades. Si volvemos a tomar el ejemplo de un motor, los gemelos digitales se pueden utilizar para recopilar datos sobre el rendimiento del motor y, si es necesario, ajustar el motor, creando una versión más nueva del producto. Además, la servitización también puede verse como una consecuencia de la naturaleza reprogramable. Los fabricantes pueden ser responsables de observar el gemelo digital, realizar ajustes o reprogramar el gemelo digital cuando sea necesario y pueden ofrecer esto como un servicio adicional.

Rastros digitales

Otra característica que se puede observar es el hecho de que las tecnologías de gemelos digitales dejan huellas digitales. Estos rastros pueden ser utilizados por ingenieros, por ejemplo, cuando una máquina no funciona bien para volver atrás y verificar los rastros del gemelo digital, para diagnosticar dónde ocurrió el problema. [46] Estos diagnósticos también pueden ser utilizados en el futuro por el fabricante de estas máquinas, para mejorar sus diseños, de modo que estos mismos fallos de funcionamiento ocurran con menos frecuencia en el futuro.

Modularidad

En el sentido de la industria manufacturera, la modularidad se puede describir como el diseño y personalización de productos y módulos de producción. [31] Al agregar modularidad a los modelos de fabricación, los fabricantes obtienen la capacidad de modificar modelos y máquinas. La tecnología de gemelos digitales permite a los fabricantes realizar un seguimiento de las máquinas que se utilizan y detectar posibles áreas de mejora en las máquinas. Cuando estas máquinas se hacen modulares, mediante el uso de tecnología de gemelos digitales, los fabricantes pueden ver qué componentes hacen que la máquina funcione mal y reemplazarlos con componentes de mejor ajuste para mejorar el proceso de fabricación.

Tecnologías relacionadas

  • Lugar de trabajo digital
  • Simulación de eventos discretos
  • Método de elementos finitos
  • Sistemas de monitoreo de uso y salud
  • Holon (filosofía) § En sistemas multiagente
  • Industria 4.0
  • Gestión integrada de la salud del vehículo
  • Internet de las Cosas
  • Análisis de ingeniería predictiva

enlaces externos

  • Gemelo de control digital y cadena de suministro [1]
  • IEEE - Digital Twin: Habilitación de tecnologías, desafíos e investigación abierta [2]
  • ISO / DIS 23247-1 Sistemas de automatización e integración - Marco de Digital Twin para la fabricación - Parte 1: Descripción general y principios generales [3]

Referencias

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