Con el avance del aprendizaje automático y factores como el big data, los modelos virtuales como los llamados Gemelos Digitales se han convertido en un elemento básico en la ingeniería moderna para impulsar la innovación y mejorar el rendimiento.
En resumen, la creación de un gemelo digital puede permitir la mejora de las tendencias tecnológicas estratégicas, evitar costosas fallas en los objetos físicos y también un ahorro de costes mediante el uso de capacidades avanzadas de análisis, monitoreo y predicción, procesos y servicios de prueba.
¿Qué son los gemelos digitales?
Un gemelo digital es una representación digital de un objeto, proceso o servicio físico. Un gemelo digital puede ser una réplica digital de un objeto en el mundo físico, como un motor a reacción o parques eólicos, o incluso elementos más grandes como edificios o incluso ciudades enteras.
Además de los activos físicos, la tecnología de gemelos digitales se puede utilizar para replicar procesos con el fin de recopilar datos para predecir cómo funcionarán.
¿Cómo funciona la tecnología Digital Twin?
La vida de un gemelo digital comienza con expertos en matemáticas aplicadas o ciencia de datos que investigan la física y los datos operativos de un objeto o sistema físico para desarrollar un modelo matemático que simule el original.
Los desarrolladores que crean gemelos digitales se aseguran de que el modelo de computadora virtual pueda recibir comentarios de los sensores que recopilan datos de la versión del mundo real. Esto permite que la versión digital imite y simule lo que está sucediendo con la versión original en tiempo real, creando oportunidades para recopilar información sobre el rendimiento y cualquier problema potencial.
Un gemelo digital puede ser tan complejo o tan simple como necesite, con diferentes cantidades de datos que determinan con qué precisión el modelo simula la versión física del mundo real.
El gemelo se puede usar con un prototipo para ofrecer comentarios sobre el producto a medida que se desarrolla o incluso puede actuar como un prototipo por derecho propio para modelar lo que podría ocurrir con una versión física cuando se construya.
¿Qué desafíos han resuelto los Gemelos Digitales?
Dado que se puede utilizar en una amplia gama de industrias, desde la automoción hasta la sanidad y la generación de energía, ya se ha utilizado para resolver una gran cantidad de desafíos. Estos desafíos incluyen pruebas de fatiga y resistencia a la corrosión para turbinas eólicas marinas y mejoras de eficiencia en autos de carreras. Otras aplicaciones han incluido el modelado de hospitales para determinar los flujos de trabajo y la dotación de personal para encontrar mejoras en los procedimientos.
Un gemelo digital permite a los usuarios investigar soluciones para la extensión del ciclo de vida del producto, la fabricación y las mejoras de procesos, y el desarrollo de productos y las pruebas de prototipos. En tales casos, un gemelo digital puede representar virtualmente un problema de modo que se pueda idear y probar una solución en el programa en lugar de en el mundo real.
¿Quién inventó el Gemelo Digital?
El concepto de gemelos digitales fue presentado por primera vez por el libro de 1991 de David Gelernter ‘Mirror Worlds’, con Michael Grieves del Instituto de Tecnología de Florida aplicando el concepto a la fabricación.
En 2002, Grieves se había trasladado a la Universidad de Michigan cuando presentó formalmente el concepto de gemelo digital en una conferencia de la Sociedad de Ingenieros de Fabricación en Troy, Michigan.
Sin embargo, fue la NASA quien adoptó por primera vez el concepto de gemelo digital y, en un Informe de hoja de ruta de 2010, John Vickers de la NASA le dio su nombre al concepto. La idea se utilizó para crear simulaciones digitales de cápsulas espaciales y naves para realizar pruebas.
El concepto de gemelo digital se extendió aún más en 2017, cuando Gartner lo nombró como una de las 10 principales tendencias tecnológicas estratégicas. Desde entonces, el concepto se ha utilizado en una gama cada vez mayor de aplicaciones y procesos industriales.
Tipos de Gemelos Digitales
El gemelo digital se puede dividir en tres tipos generales, que muestran los diferentes momentos en los que se puede utilizar el proceso:
- Prototipo de gemelo digital (DTP) : esto se lleva a cabo antes de crear un producto físico
- Instancia gemela digital (DTI) : esto se realiza una vez que se fabrica un producto para ejecutar pruebas en diferentes escenarios de uso
- Digital Twin Aggregate (DTA) : recopila información DTI para determinar las capacidades de un producto, ejecutar pronósticos y probar parámetros operativos
Estos tipos generales pueden ofrecer una variedad de usos que incluyen planificación logística, desarrollo y rediseño de productos, control / gestión de calidad y planificación de sistemas.
Un gemelo digital se puede utilizar para ahorrar tiempo y dinero siempre que sea necesario probar un producto o proceso, ya sea en diseño, implementación, monitoreo o mejora.
¿Cómo diseñar un Gemelo Digital?
Como se mencionó anteriormente, los gemelos digitales se pueden crear para una amplia gama de aplicaciones, por ejemplo, para probar un prototipo o diseño, evaluar cómo funcionará un producto o proceso en diferentes condiciones y determinar y monitorear los ciclos de vida.
Un diseño de gemelo digital se realiza mediante la recopilación de datos y la creación de modelos computacionales para probarlos. Esto puede incluir una interfaz entre el modelo digital y un objeto físico real para enviar y recibir comentarios y datos en tiempo real.
Datos
Un gemelo digital requiere datos sobre un objeto o proceso para poder crear un modelo virtual que pueda representar los comportamientos o estados del elemento o procedimiento del mundo real. Estos datos pueden estar relacionados con el ciclo de vida de un producto e incluir especificaciones de diseño, procesos de producción o información de ingeniería. También puede incluir información de producción, incluidos equipos, materiales, piezas, métodos y control de calidad.
Los datos también pueden estar relacionados con la operación, como comentarios en tiempo real, análisis históricos y registros de mantenimiento. Otros datos utilizados en el diseño de gemelos digitales pueden incluir datos comerciales o procedimientos al final de su vida útil.
Modelado
Una vez que se han recopilado los datos, se pueden utilizar para crear modelos analíticos computacionales para mostrar efectos operativos, predecir estados como la fatiga y determinar comportamientos. Estos modelos pueden prescribir acciones basadas en simulaciones de ingeniería, física, química, estadística, aprendizaje automático, inteligencia artificial, lógica empresarial u objetivos. Estos modelos se pueden mostrar a través de representaciones en 3D y modelado de realidad aumentada para ayudar a la comprensión humana de los hallazgos.
Enlace
Los hallazgos de los gemelos digitales se pueden vincular para crear una descripción general, por ejemplo, tomando los hallazgos de los gemelos de equipos y poniéndolos en un gemelo de línea de producción, que luego puede informar a un gemelo digital a escala de fábrica. Al usar gemelos digitales vinculados de esta manera, es posible habilitar aplicaciones industriales inteligentes para desarrollos y mejoras operacionales del mundo real.
Beneficios del Digital Twin
Los beneficios del gemelo digital varían según cuándo y dónde se utilice. Por ejemplo, el uso de gemelos digitales para monitorear productos existentes, como una turbina eólica o un oleoducto, puede reducir las cargas de mantenimiento y ahorrar muchos millones en costos asociados. En términos generales, las principales ventajas son:
- Los gemelos digitales también se pueden utilizar para la creación de prototipos antes de la fabricación, lo que reduce los defectos del producto y acorta el tiempo de comercialización.
- Mejoras de procesos, ya sea monitoreando los niveles de personal con respecto a la producción o alineando una cadena de suministro con los requisitos de fabricación o mantenimiento.
- Mayor confiabilidad y disponibilidad a través del monitoreo y la simulación para mejorar el rendimiento.
- Reducir el riesgo de accidentes y el tiempo de inactividad no planificado debido a fallas.
- Reducir los costos de mantenimiento al predecir las fallas antes de que ocurran y garantizar que los objetivos de producción no se vean afectados por la programación del mantenimiento, la reparación y el pedido de piezas de repuesto.
- Ofrecer mejoras continuas mediante el análisis de modelos de personalización y garantizar la calidad del producto mediante pruebas de rendimiento en tiempo real.
Sin embargo, a pesar de todos los beneficios, el gemelo digital no es adecuado en todos los casos, ya que puede aumentar la complejidad. Algunos problemas comerciales simplemente no necesitan un gemelo digital y pueden resolverse sin la inversión asociada en tiempo y costo.
Ejemplos de Gemelos Digitales
Se pueden encontrar ejemplos de gemelos digitales en toda la industria y más allá para la fabricación, el mantenimiento y la prevención de fallas / monitoreo del ciclo de vida.
Las aplicaciones abarcan desde usos automotrices donde los sensores de telemetría brindan retroalimentación de los vehículos hasta el programa de gemelo digital, fábricas donde los procesos son simulados por gemelo digital para proporcionar mejoras y atención médica donde los sensores pueden informar a un gemelo digital para monitorear y predecir el bienestar de un paciente .
Los gemelos digitales se utilizan en una amplia variedad de industrias para una variedad de aplicaciones y propósitos. Algunos ejemplos notables incluyen:
Fabricación de productos
Los gemelos digitales pueden hacer que la fabricación sea más productiva y racionalizada al tiempo que reduce los tiempos de producción.
Sector automotriz
Un ejemplo del uso de gemelos digitales en la industria automotriz es recopilar y analizar datos operativos de un vehículo para evaluar su estado en tiempo real e informar sobre las mejoras del producto.
Al por menor
Fuera de la fabricación y la industria, el gemelo digital se utiliza en el sector minorista para modelar y aumentar la experiencia del cliente, ya sea a nivel de un centro comercial o de tiendas individuales.
Cuidado de la salud
El sector médico se ha beneficiado del gemelo digital en áreas como la donación de órganos, la formación en cirugía y la eliminación de riesgos de procedimientos. Los sistemas también han modelado el flujo de personas a través de los hospitales y han rastreado dónde pueden existir infecciones y quiénes pueden estar en peligro por contacto. Esto ya se ve en la práctica en algunos campos específicos:
Gestión de desastres
El cambio climático global ha tenido un impacto en todo el mundo en los últimos años, sin embargo, el gemelo digital puede ayudar a combatirlo mediante la creación informada de infraestructuras más inteligentes, planes de respuesta de emergencia y monitoreo del cambio climático.
Ciudades inteligentes
El gemelo digital también se puede utilizar para ayudar a las ciudades a ser más sostenibles económica, ambiental y socialmente. Los modelos virtuales pueden guiar las decisiones de planificación y ofrecer soluciones a los muchos desafíos complejos que enfrentan las ciudades modernas. Por ejemplo, las respuestas en tiempo real a problemas pueden ser informadas por información en tiempo real de gemelos digitales para permitir que activos como hospitales reaccionen ante una crisis.
¿Cómo ha impactado en la Industria 4.0?
Mediante la integración de tecnologías como inteligencia artificial, aprendizaje automático y análisis de software con datos, el gemelo digital crea un modelo de simulación que puede actualizarse junto con o en lugar de una contraparte física. Esto permite a las empresas evaluar un ciclo de desarrollo completamente informatizado desde el diseño hasta la implementación e incluso el desmantelamiento.
Al imitar los activos físicos, los marcos y las operaciones para producir datos continuos, un gemelo digital permite a la industria anticipar el tiempo de inactividad, reaccionar a las circunstancias cambiantes, probar las mejoras del diseño y mucho más.
El gemelo digital es clave para el desarrollo de la Industria 4.0 para proporcionar automatización, intercambio de datos y procesos de fabricación conjuntos, así como para reducir el riesgo de implementación de productos. Los empleados de la industria pueden monitorear las operaciones en tiempo real, proporcionando alertas previas de posibles fallas y permitiendo la optimización y evaluación del desempeño en tiempo real con una mínima pérdida de productividad.
Conclusión
Ahora que ya sabes qué significa la tecnología aplicada de gemelos digitales resulta bastante fácil comprender que las ventajas son enormes. Sin duda, la característica más importante que es increíblemente atractiva para las empresas de todo el mundo es su capacidad para ejecutar pruebas virtuales y operaciones de desarrollo de una forma rentable, ya que de otro modo tendrían que realizarse en el mundo real. La contundencia de sus resultados augura, a buen seguro, un incremento muy importante en los próximos años.
