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Digital twin: cos'è e come funziona il modello del gemello digitale

Un gemello digitale è una replica virtuale di risorse fisiche, potenziali ed effettive (gemello fisico) equivalenti a oggetti, processi, persone, luoghi, infrastrutture, sistemi e dispositivi. Vengono utilizzati per vari scopi, in particolare in produzione e per la manutenzione predittiva. Rispetto al paradigma dell’Industria 4.0, dunque, questo tipo di approccio è lo stato dell’arte

13 Feb 2020

Laura Zanotti

Digital twin significa un proliferare di gemelli digitali che vivono nell’etere informatico e sono legati alla diffusione crescente di progetti IoT (Internet of Things) ma anche di tutto quel nostro portato esperienziale che vive in chiave digitale (i social media come Instagram e Facebook, LinkedIn e Twitter, ad esempio, stanno raccogliendo parti del nostro io). A livello industriale, il modello di sviluppo associato al concetto di digital twin ha il potenziale per cambiare radicalmente la progettazione, la produzione, le vendite e la manutenzione di prodotti complessi in più settori.

Grazie a cicli di sviluppo più snelli e una maggiore collaborazione, sia interna che nei confronti di partner e fornitori esterni, le aziende riducono i tempi di sviluppo di prodotti complessi del 25%, con risparmi nell’ordine del 10-15% (Fonte: “Digital Twins: Identical, But Different” – Oliver Wyman). Un esempio applicativo? Grazie al mirroring virtuale in tempo reale gli ingegneri riescono a simulare il comportamento di sistemi complessi riuscendo a prevedere e prevenire guasti meccanici, riducendo così inefficienze e costi.

Cos’è un digital twin: la tecnologia del gemello digitale

Il concetto di digital twin fu usato per la prima volta nel 2001 da Michael Grieves, oggi Chief Scientist for Advanced Manufacturing presso il Florida Institute of Technology, che durante un corso di Product Lifecycle Management (PLM) presso l’Università del Michigan descriveva il gemello digitale come l’equivalente virtuale e digitale di un prodotto fisico.

digital twin origini

Nel suo approccio al PLM, Grieves evidenziava un Mirrored Spaces Model riferito a una rappresentazione estremamente dinamica: la dimensione reale e la dimensione virtuale, infatti, rimanevano collegate durante l’intero ciclo di vita del sistema, attraversando tutte le fasi di creazione, produzione (fabbricazione), funzionamento (supporto / supporto) e smaltimento. Condizione necessaria alla realizzazione di un gemello digitale è l’esistenza di:

  • prodotti fisici nello spazio reale;
  • prodotti virtuali nello spazio virtuale;
  • sistemi di collegamento dei flusso di dati e informazioni che uniscono lo spazio fisico a quello virtuale e ai sottospazi virtuali.

Nel corso degli ultimi 30 anni i team di ingegneria di prodotto e di processo hanno utilizzato rendering 3D e simulazione di processo per convalidare la fattibilità di un bene. Un modello 3D permette di riunire l’intero sistema in uno spazio virtuale in modo tale che conflitti e criticità vengano scoperti in modo più economico e rapido. Questo perché il rilascio avviene solo quando tutti i problemi sono stati risolti. I digital twin, insomma, rappresentano una grande innovazione rispetto ai modelli bidimensionali o alla realizzazione di costosi modelli fisici.

Grazie ai digital twin è possibile testare e capire come si comporteranno i sistemi e i prodotti che si vogliono realizzare in un’ampia varietà di ambienti, usando lo spazio virtuale e la simulazione. Il tutto combinando diverse tecnologie afferenti a un unico database che conterrà tutti i dati di progettazione dell’impianto o del prodotto, software di simulazione, dati in tempo reale dall’ambiente di produzione e molto altro. I vantaggi sono molteplici, a partire dalla possibilità di accedere facilmente ai dati di molte fonti diverse, aggregarli e visualizzarli attraverso un unico cruscotto centralizzato, sincronizzato e condiviso, potendo aggiungere informazioni contestuali.

Digital-twin-report

Lo stato dell’arte dell’Industry 4.0

Un gemello digitale può evolversi fino a diventare una vera e propria replica digitale di risorse fisiche potenziali ed effettive (gemello fisico), di processi, persone, luoghi, infrastrutture, sistemi e dispositivi che possono essere utilizzati per vari scopi. Rispetto al paradigma dell’Industria 4.0, dunque, il concetto di digital twin rappresenta lo stato dell’arte. Di fatto è stata la crescente diffusione della Internet of Things, del cloud, delle tecnologie mobile, dell’Intelligenza Artificiale e della Blockchain a rendere accessibili a molte più aziende i vantaggi associati ai digital twins. Gartner aveva previsto che nel 2020 ci sarebbero stati 21 miliardi di sensori collegati che avrebbero reso possibili gemelli digitali per miliardi di cose. Considerando l’impatto delle tecnologie associate in tutti i settori, dalle smart fabric alla smart agricolture, dalla smart health alle smart city, l’evoluzione dei digital twin si conferma un naturale percorso di sviluppo per le organizzazioni che puntano a cavalcare la digital transformation. Sempre secondo Gartner, già oggi quasi la metà delle aziende (48%) che sta lavorando a progetti basati sull’Internet of Things sta utilizzando gemelli digitali.

Quali informazioni racchiude un digital twin e tipologie

A livello ideale un digital twin contiene tutte le informazioni dell’oggetto fisico attraverso una rappresentazione tridimensionale dei suoi aspetti a livello meccanico, a livello geometrico e a livello elettronico, ovvero software incorporato, micro software, dati di prodotto, dati associati a sensori e attuatori, sempre più pervasivi. Grazie a queste informazioni è possibile sviluppare:

  • un’attività sperimentale, come nel caso dell’ideazione di un prodotto, che permette di risparmiare sulla creazione di un costoso prototipo fisico;
  • un’attività predittiva, come nel caso della creazione di un processo, consentendo di prevedere in anticipo comportamenti anomali, rischi ed errori.

I gemelli digitali sono di due tipi: Digital Twin Prototype (DTP) e Digital Twin Instance (DTI) e vengono gestiti attraverso un Digital Twin Environment (DTE).

GEMELLO DIGITALE

Come il modello digital twin ridisegna offerta e prodotto

Quando si parla di digital twin si fa riferimento a un modello di gestione evoluto di un processo, di un prodotto o di un servizio. L’associazione tra realtà fisica e realtà virtuale consente di attivare un’analisi dei dati e un monitoraggio dei sistemi tale per cui è possibile ragionare in modalità predittiva, affrontando i problemi prima ancora che questi si verifichino. Oltre a prevenire anomalie, tempi di inattività e inefficienze, utilizzando simulazioni appropriate è possibile sviluppare nuove opportunità, pianificando i business futuri.

Creando un digital twin, è possibile capire meglio come ottimizzare le operazioni, aumentare l’efficienza o scoprire un problema prima che accada a qualunque cosa si stia duplicando del mondo reale. Questo tipo di conoscenze possono quindi essere applicate al sistema originale con un rischio molto minore e un ritorno sull’investimento molto maggiore. Infine, la tecnologia del gemello digitale aiuta le aziende a migliorare l’esperienza del cliente comprendendo meglio le esigenze specifiche per apportare miglioramenti a prodotti, operazioni e servizi esistenti, fornendo le linee guida dell’innovazione.

Consentendo una continuità digitale dall’ideazione alla produzione fino a coprire anche i servizi post-vendita, la gestione dei gemelli digitali sta prendendo piede a livello globale.  Sono molte oggi le piattaforme di analisi di dati che consentono la creazione di digital twin. Tra i fornitori principali troviamo Sap, Dassault Systèmes, Siemens, Cisco, Intel ma anche molti altri.

digital twins mercato

Data scientist e digital twin

I gemelli digitali possono utilizzare sistemi di machine learning e di AI per elaborare i dati e produrre nuova conoscenza. In quanto cloni digitali evoluti del mondo fisico, infatti, portano a nuove opportunità di collaborazione tra esperti di prodotto e scienziati dei dati il cui compito è analizzare i dati raccolti da una pluralità di fonti al fine di comprendere le tendenze e generare modelli interpretativi che portino valore alle organizzazioni. Standardizzando i dati e i metadati (informazioni su quei dati estratti dalle conoscenze aziendali, come la posizione di una macchina sulla linea e la sua funzione), altre fonti di informazione possono essere strutturate facilmente e collegate al digital twin, come codici di programmazione, documentazioni, articoli, video o progetti scientifici. Si tratta di una svolta per una collaborazione intensiva, poiché le informazioni possono essere condivise in modo efficiente all’interno di tutta l’azienda, attraverso diversi profili, dipartimenti e silos di informazioni. Abilitando nuove economie di scala, le risorse ottengono le stesse informazioni di tutte le fabbriche in tutto il mondo, facilitando il raggiungimento degli obiettivi aziendali globali. E i dipendenti che non conoscono un progetto o l’azienda, possono essere inseriti rapidamente nel sistema, accelerando così la loro produttività.

Il ruolo di produttore e consumatore nel modello digital twin

L’eliminazione dei tempi di inattività non pianificati e la riduzione dei costi di manutenzione sono i principali fattori considerati dalle aziende di vari settori per migliorare la produttività e l’efficienza. Secondo gli analisti, oltre un’azienda su 10 (82%) ha subito almeno un’interruzione di inattività non pianificata in un arco di 3 anni (Fonte: Vanson Bourne 2017). Questi tempi di fermo nelle aziende influiscono su tutto il processo di produzione, impattando negativamente sulla produttività, sull’efficienza e sul servizio clienti. La riduzione dei tempi di fermo può essere raggiunta con l’implementazione di un gemello digitale che aiuta le aziende a raccogliere dati e utilizzarli per generare risultati aziendali specifici. I dati recuperati vengono analizzati rispetto a vari parametri e vengono adottate in modo proattivo misure preventive e predittive per evitare danni a un prodotto, processo e sistema che a loro volta aiuterebbero a ridurre i tempi di fermo e di conseguenza aumentare l’efficienza complessiva.

Per chi si occupa di produzione poter gestire processi, prodotti e servizi partendo dallo studio del loro equivalente nel cyberspazio è un’opportunità strategica per:

  • migliorare le prestazioni delle risorse;
  • giocare d’anticipo sul PLM, intervenendo sui possibili effetti ambientali negativi;
  • svolgere attività di manutenzione preventiva basata sui dati forniti in tempo reale dai sensori;
  • apportare ulteriori benefici a livello di filiera;
  • potenziare la capacità di ascolto del cliente per gestire l’offerta in base al delinearsi della domanda;
  • innescare il circolo virtuoso della produzione basata su una personalizzazione sempre più spinta.

Oltre a portare vantaggi al processo produttivo, il modello digital twin aiuta a regolamentare i rapporti fra i diversi reparti in un’ottica di condivisione e di collaborazione che consente di immettere sul mercato prodotti altamente funzionali. Non va dimenticato che un prodotto spesso è un aggregato di varie componenti, normalmente realizzate da aziende diverse. In un’ottica di azienda estesa o di supply chain collaborativa i digital twin permettono massima trasparenza informativa in fase di progettazione e di realizzazione. Un’azienda sviluppa il suo modello e lo consegna all’altra che lo integrerà nel proprio modello (o lo farà interagire) fino ad arrivare alla azienda che dovrà assemblare tutti i componenti che simulerà questa operazione sui diversi modelli ricevuti. Non a caso i sistemi PLM associati ai digital twin vengono sempre più presi in considerazione anche in settori diversi come il terziario o la logistica.

digital twin in azienda

Digital twins in azienda: alcuni esempi

Fornendo una visione in tempo reale di ciò che sta accadendo con le apparecchiature o altre risorse fisiche, i digital twin risultano strategici nel supportare la produzione, riducendo i problemi di manutenzione e garantendo prodotti ottimizzati. Ma ci sono anche altri ambiti dove le piattaforme di gestione dei gemelli digitali possono portare valore aggiunto.

Manufacturing: Fameccanica, tra i principali player mondiali dell’industria delle macchine per la produzione di pannolini e assorbenti igienici, si è dotata di una virtual room nella quale può riprodurre, in dimensioni reali e in 3D, i propri macchinari per migliore sviluppo del prodotto ma anche per formare i manutentori.

Oil & Gas: Chevron, ad esempio, da qui al 2024 prevede di risparmiare milioni di dollari in costi di manutenzione di piattaforme petrolifere e raffinerie.

Energia: General Electric da alcuni anni ha esteso l’utilizzo dei digital twin ai sistemi eolici risolvendo così anche tutta la fase di manutenzione e controllo post vendita. Quando la turbina viene venduta, viene associata ad un gemello digitale. Il prodotto fisico contiene una varietà di sensori che in tempo quasi reale comunicano con la turbina virtuale, fornendo dati sull’accensione, la velocità di rotazione delle pale, la potenza elettrica istantanea, l’attrito (riscaldamento) dei diversi componenti e così via.

Sanità: i digital twin possono rivoluzionare sia le operazioni sanitarie che l’assistenza ai pazienti. Avere un gemello digitale di un paziente, con una rappresentazione tridimensionale di organi, ossa, sistema venoso, linfatico e nervoso consente ai chirurghi e agli operatori sanitari di sperimentare le procedure in un ambiente simulato piuttosto che su un paziente reale. I sensori delle dimensioni delle bende possono monitorare i pazienti e produrre modelli digitali che possono essere monitorati dall’Intelligenza Artificiale e utilizzati per migliorare l’assistenza.

Entertaiment: in Cina allo Spring Gala Festival  in onda sulla CCT (China Central Television), i quattro ospiti umani sono stati raggiunti dai loro avatar digitali creati da ObEN. Grazie all’Intelligenza Artificiale e, in particolare, all’apprendimento automatico con un’elaborazione del linguaggio naturale unitamente a tecniche di visione artificiale sono state create delle copie virtuali degli ospiti. Ma le applicazioni future per questa tecnologia includono piani per dar vita a insegnanti, infermieri e medici virtuali basati sull’AI.

Sport: digital twin sono utilizzati anche per perfezionare le corse automobilistiche di Formula 1. In uno sport in cui ogni secondo conta, usare la simulazione può aiutare il guidatore e il team automobilistico a sapere quali regolazioni possono contribuire a migliorare le prestazioni prima di scendere in pista.

Smart city: esiste persino un gemello digitale di Singapore. Considerando tutte le variabili relative alla gestione di una città, il gemellaggio digitale aiuta gli urbanisti a comprendere come migliorare l’efficienza dei consumi energetici, a gestire il traffico, i servizi pubblici e a identificare nuove applicazioni che possono migliorare la vita dei cittadini.

Digital twins in Italia

Dallara, un’azienda italiana costruttrice di automobili da competizione, anziché sviluppare prototipi di scocche e testarli in gallerie del vento e altri laboratori, costruisce dei modelli digitali. È su questi digital twin che vengono effettuate tutte le prove e le simulazioni necessarie ad arrivare alla finalizzazione di ogni progetto. Quando il modello in bit è pronto, attraverso vari tipi di macchine (per esempio stampanti tridimensionali e robot) si “convertono i bit in atomi” e si ottiene il prodotto. Tutto il processo di progettazione diventa più rapido anche perché è possibile fare verifiche che non sarebbero possibili con un mock-up fisico. Diventa soprattutto più rapido provare soluzioni diverse, cambiare forme e materiali, valutare strutture alternative.

GEMELLO DIGITALE

@RIPRODUZIONE RISERVATA
Laura Zanotti
Giornalista

Ha iniziato a lavorare come technical writer e giornalista negli anni '80, collaborando con tutte le nascenti riviste di informatica e Telco. In oltre 30 anni di attività ha intervistato centinaia di Cio, Ceo e manager, raccontando le innovazioni, i problemi e le strategie vincenti delle imprese nazionali e multinazionali alle prese con la progressiva convergenza tra mondo analogico e digitale. E ancora oggi continua a farlo...

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