En quoi les jumeaux numériques sont-ils importants ?

Les jumeaux numériques reproduisent le comportement de leur version physique. Ainsi, les organisations peuvent améliorer et accélérer le développement, les tests et la validation de leurs produits. Leurs fonctionnalités d’optimisation des opérations, de détection des anomalies et de maintenance prédictive permettent aux entreprises de réduire les coûts et de proposer des produits plus fiables ainsi qu’une meilleure expérience client. Par ailleurs, en utilisant un jumeau numérique tout au long du cycle de vie du produit (de la conception à la mise hors service), les organisations créent un cercle vertueux pour l’ensemble de la chaîne de valeur. Grâce au retour d’informations et aux améliorations apportées, elles peuvent mieux innover, réduire leurs coûts et améliorer la qualité, la valeur et la pérennité de leurs produits.

Développement de produits

Accélération du design de produits : Les jumeaux numériques permettent de simuler des systèmes complexes en temps réel, les designers pouvant ainsi en examiner le comportement dans diverses conditions de fonctionnement. Ils peuvent alors optimiser les réponses du système, sa consommation d’énergie et son efficacité opérationnelle. De plus, grâce aux jumeaux numériques, les designers peuvent affiner la conception d’un composant ou d’un sous-système, ou encore développer des stratégies de contrôle afin d’atteindre les niveaux de performances souhaités en matière de précision des mouvements, de stabilité ou de temps de réponse.

Vérification et validation virtuelles : Les copies virtuelles de produits et systèmes physiques créées par les jumeaux numériques vous permettent de tester et de valider des concepts de design, d’évaluer les performances et d’identifier des problèmes potentiels dès le début du processus de design. Le nombre de prototypes physiques nécessaires est ainsi réduit, de même que le cycle de design.

Virtual commissioning : Les jumeaux numériques sont un aspect clé du virtual commissioning. Ils permettent de tester, valider et optimiser des systèmes dans un environnement virtuel. Grâce à cette approche, les risques et les coûts sont réduits, et la transition vers l’implémentation physique peut se faire plus facilement.

Capteurs virtuels : En implémentant des jumeaux numériques, les entreprises peuvent être moins dépendantes des capteurs physiques, bénéficier de capacités prédictives, optimiser le placement des capteurs et améliorer les performances et la surveillance du système, ce qui conduit à une meilleure efficacité pour un coût moindre.

Fonctionnement et maintenance

Optimisation des opérations : Les jumeaux numériques reflètent le statut temps réel des équipements physiques. Les organisations peuvent ainsi, non seulement surveiller les opérations, mais aussi les optimiser de manière dynamique. L’optimisation recouvre de nombreux aspects, de l’amélioration de la performance du système à son efficacité énergétique, en passant par l’attribution des ressources. Utiliser un jumeau numérique permet aux spécialistes de tester différents scénarios opérationnels afin de trouver celui qui convient le mieux. Ils peuvent également utiliser cet outil dans le cadre de leur formation pour bien réagir aux différentes situations.

Maintenance prédictive : En analysant l’état de chaque composant ou de l’intégralité du système, le jumeau numérique peut détecter des patterns subtils et des anomalies pouvant indiquer un défaut potentiel, et prédire quand une maintenance ou un remplacement pourrait être nécessaire. Cela vous permet de programmer les opérations de maintenance aux moments les plus opportuns, d’éviter les pannes inopinées et d’optimiser les ressources de maintenance.

Amélioration de l'approche Model-Based Design grâce aux jumeaux numériques

L’approche Model-Based Design fait référence à l’utilisation systématique de modèles tout au long du processus de développement afin d’améliorer le déploiement de systèmes complexes. Cette approche prépare le terrain pour les applications de jumeaux numériques. Les méthodologies de l'approche Model-Based Design et des jumeaux numériques entretiennent une relation symbiotique lors de la phase du développement du produit. Dans la plupart des cas, les scénarios qui utilisent les jumeaux numériques sont également des cas d’utilisation de l'approche Model-Based Design.

Utilisées conjointement, les jumeaux numériques et l'approche Model-Based Design sont particulièrement utiles aux OEM. Tandis que l’approche Model-Based Design est principalement axée sur la phase de développement du produit, les jumeaux numériques permettent aux OEM d'élargir leur champ d'action en proposant des produits ou services numériques qui supportent et enrichissent l'expérience opérationnelle et de maintenance de leurs clients. Ces derniers, en plus de pouvoir concevoir et fabriquer des produits physiques, peuvent proposer une suite d’outils numériques qui leur fournissent une valeur ajoutée tout au long de leur cycle de vie. Le jumeau numérique fait office de pont qui relie le produit physique à son équivalent numérique, permettant la surveillance temps réel, la maintenance prédictive, et l’optimisation des opérations.

Workflow de jumeau numérique

Bien que les cas d’utilisation de jumeaux numériques soient très variés, il existe des stratégies d’ordre général que vous pouvez mettre en œuvre pour que vos projets soient couronnés de succès. Ces stratégies consistent à définir des objectifs clairs, concevoir et valider des modèles, les déployer efficacement et en assurer la maintenance par l’intermédiaire d’une surveillance et de mises à jour en continu.

Étape 1 : Définition des objectifs et du champ d’application

Pour que votre application utilisant un jumeau numérique soit efficace, il faut au préalable avoir une vision claire des objectifs que vous souhaitez atteindre. Posez-vous les questions suivantes : quel est l’objectif du jumeau numérique ? Sera-t-il utilisé lors du développement de produit, pour diagnostiquer les problèmes d’équipement, pour optimiser les opérations ou pour effectuer des simulations à des fins de formation ?

Ensuite, définissez le champ d’application du jumeau numérique. Déterminez si le jumeau numérique est un composant individuel, un ensemble de composants formant un sous-système ou bien un système à part entière. Servira-t-il une fonction unique ou plusieurs objectifs ? Prendre ces décisions en amont vous permet d’avoir une idée plus claire de la complexité et de l’orientation du projet.

Étape 2 : Design et création

Créer un jumeau numérique nécessite une approche réfléchie qui dépend de votre expertise, de votre méthodologie de prédilection et, le plus souvent, de ce qui est à votre disposition. Les clients qui créent un produit ex nihilo n’ont généralement pas de données de test ou d’opération. Par conséquent, ils doivent partir d’une modélisation basée sur la physique, qui s’appuie sur les lois physiques afin de construire un framework pour le jumeau. Si le client dispose d’assez de données, il peut adopter une approche basée sur les données ou sur l’IA. Cela lui permet de prédire les résultats et les comportements de son système grâce au Machine Learning ou au Deep Learning. Pensez à réutiliser les données ou les modèles préexistants pour accélérer le développement du jumeau numérique, en veillant à ne pas réinventer la roue.

Étape 3 : Tests et validation

Une fois votre jumeau numérique terminé, il doit passer par une phase de validation et de tests rigoureux. Cette étape consiste à établir la confiance dans le jumeau numérique en évaluant dans quelle mesure il reflète précisément son homologue physique. Il faut également mesurer la précision des prédictions et des simulations du jumeau numérique. Par ailleurs, il est important de comprendre les risques liés à la prise de décisions basée sur les informations du jumeau numérique. Vous devez donc vous assurer que le jumeau numérique n’est pas seulement un modèle sophistiqué, mais bel et bien un outil fiable adapté à des applications concrètes.

Étape 4 : Déploiement et opération

Une fois le jumeau numérique validé, vous pouvez le déployer. La stratégie de déploiement doit être en phase avec l’utilisation prévue du jumeau numérique. Par exemple, vous pouvez le connecter directement à son équivalent physique sur site en utilisant des méthodes de calcul en périphérie (edge computing) pour tirer parti de la proximité et d’une latence réduite. Vous pouvez également exploiter le cloud, pour ses vastes ressources de calcul et son évolutivité.

Étape 5 : Surveillance et mise à jour

Ce n’est pas parce qu’un jumeau numérique est installé qu’il faut le négliger. Au contraire, vous devez le surveiller en permanence, de sorte qu’il reflète toujours avec précision son équivalent physique. Pour conserver cette intégrité, définissez des métriques de performances, et validez régulièrement le jumeau par rapport à des données réelles. En outre, le jumeau numérique devra très probablement évoluer au fil du temps. Par conséquent, il faudra mettre en place des mécanismes de réglage des paramètres ou de remplacement complet du modèle en cas de dépassement de certains seuils. Cette adaptabilité est essentielle pour assurer la longévité et l’utilité du jumeau numérique.

Jumeaux numériques avec MATLAB et Simulink

MATLAB et Simulink proposent une plateforme complète qui vous permet de créer, simuler, vérifier et implémenter les jumeaux numériques. Les forces combinées de la modélisation basée sur la physique, de l’analyse de données avancée et de l’IA, ainsi que des options de déploiement pratiques (PLC, système embarqué, web, cloud entre autres), vous permettent de concevoir des jumeaux numériques qui vous aideront à comprendre, utiliser et assurer la maintenance de systèmes physiques complexes.

Simscape permet aux ingénieurs de créer rapidement des modèles de systèmes physiques dans l'environnement Simulink. Ils peuvent ainsi modéliser des systèmes tels que des moteurs électriques, des ponts redresseurs, des actionneurs hydrauliques et des systèmes de réfrigération, en assemblant des composants fondamentaux dans un schéma. Par ailleurs, les produits complémentaires Simscape vous permettent de modéliser et d’analyser des composants et des systèmes encore plus complexes.

La validation et la vérification sont des étapes cruciales pour s’assurer que le jumeau numérique reflète précisément le modèle physique et fonctionne comme attendu. En suivant le workflow de vérification de haute intégrité, les ingénieurs peuvent effectuer des tests basés sur des simulations ainsi que des analyses statiques pour déceler les défauts et réduire les délais de mise sur le marché, tout en conservant des normes de qualité élevées.

Grâce à MATLAB et Simulink, vous bénéficiez d’options de déploiement polyvalentes, pouvant être implémentées dans des PLC, des contrôleurs industriels, des systèmes embarqués, des plateformes web et dans le cloud. Cette flexibilité garantit que le jumeau numérique peut être intégré dans les infrastructures et workflows existants, rendant possible la surveillance temps réel, la maintenance prédictive et l'optimisation opérationnelle dans différents environnements. En fin de compte, la valeur d'un jumeau numérique se concrétise par son implémentation, permettant aux parties prenantes d'exploiter les informations et les prédictions pour prendre des décisions éclairées et atteindre l'excellence opérationnelle.