Réinventure de l'infrastructure grâce à la modélisation jumelle numérique
Imaginez si vous pouviez regarder dans le futur d'une machine – reportez-vous à son usure, prévoyez quand il pourrait échouer et affiner ses performances – tout sans le toucher.
C'est la promesse de la modélisation jumelle numérique: un modèle virtuel qui évolue et s'adapte avec son socleur du monde réel.
Contrairement aux simulations statiques ou aux modèles 3D, les jumeaux numériques – développés à l'aide de connaissances expertes – sont constamment mis à jour par des données en direct collectées à partir de l'actif physique qu'ils représentent, qu'il s'agisse d'une éolienne, d'une voiture ou même d'un cœur humain.
Cette rétroaction en temps réel permet aux ingénieurs de suivre les performances, de prédire les défauts avant qu'ils ne se produisent et de planifier une maintenance à court et à long terme avec une meilleure précision.
Il est rapporté que 29% des sociétés de fabrication mondiales ont entièrement ou partiellement mis en œuvre une stratégie de jumeaux numériques.
Le professeur agrégé Pietro Borghesani, de l'École de mécanique et de fabrication de l'UNSW, affirme que dans les industries où la sécurité, la fiabilité et la rentabilité sont vitales, la modélisation jumelle numérique est extrêmement précieuse dans la gestion des actifs.
« Un jumeau numérique ne se contente pas de simuler, il vit avec la machine », dit-il. « Vous pouvez utiliser l'historique numérique de votre machine pour contrôler la façon dont la dégradation des actifs évolue, puis utiliser ces connaissances pour rationaliser vos opérations.
« Au lieu d'être réactif à ce qui arrive à l'actif, cela nous permet de planifier, mais avec une meilleure précision. »
Des lames d'éoliennes aux battements cardiaques
Les jumeaux numériques sont déjà utilisés pour surveiller les systèmes complexes dans les secteurs de la fabrication et de l'énergie. Cependant, la technologie ne se limite pas aux grandes machines physiques.
Il est largement utilisé par les entreprises de construction pour concevoir et construire des phases d'une structure pour découvrir des problèmes avant de développer et de devenir coûteux.
Dans l'industrie médicale, les chercheurs biomédicaux expérimentent également des jumeaux numériques d'organes humains, comme le cœur, pour mieux comprendre la progression de la maladie et personnaliser les traitements.
« Les mêmes principes s'appliquent: nourrir les données spécifiques au patient, mettre à jour le modèle en continu et simuler les résultats futurs », explique A / Prof. Borghesani
« La seule chose qui change, c'est la physique. Pour une machine, nous utilisons la dynamique et l'analyse des vibrations. Pour un cœur humain, il s'agit de biologie et de médecine. »
Les données sont King, mais l'expertise règne toujours
L'épine dorsale d'un jumeau numérique réussi est les données, et beaucoup. Mais même avec les progrès des capteurs et des appareils Internet des objets (IoT), la collecte de données suffisamment de haute qualité peut toujours être une barrière.
Le professeur Zhongxiao Peng, qui dirige le groupe de recherche sur la surveillance de la tribologie et de l'état de machine à l'UNSW, dit que pour construire un bon jumeau numérique, vous avez besoin à la fois de données et d'une solide connaissance fondamentale du fonctionnement du système.
« Dans de nombreuses applications critiques, il est souvent difficile de collecter de grandes quantités de données, en particulier dans différentes conditions opérationnelles ou défectueuses », dit-elle.
« Par exemple, si vous utilisez un jumeau numérique pour prédire les échecs d'éoliennes, vous ne voulez pas beaucoup de données, car cela signifierait que de nombreuses éoliennes ont échoué, ce qui, je sais, est un peu contradictoire.
« Dans ces cas, l'expertise humaine intervient pour construire les modèles à partir de principes physiques fondamentaux. Ensuite, le jumeau numérique peut être affiné avec les données disponibles. »
Les jumeaux numériques ne sont pas seulement utiles pour prédire les échecs ou la réduction des temps d'arrêt. Ils servent également de référentiels numériques des connaissances institutionnelles.
A / Prof. Borghesani dit que l'un des plus grands avantages pour les entreprises est que vous pouvez intégrer l'expertise d'un ingénieur expérimenté dans le jumeau numérique. De cette façon, l'expertise ne sort pas lorsqu'il quitte l'organisation.
« Cela est particulièrement attrayant pour les entreprises de taille moyenne, qui ont souvent du mal à recruter ou à conserver un personnel hautement spécialisé. Un jumeau numérique bien conçu agit à la fois comme un moniteur de performance et un outil de formation pour la prochaine génération d'ingénieurs. »
Échelle: des machines aux villes
À mesure que l'ampleur des actifs augmente, les défis du déploiement des jumeaux numériques.
Pour les systèmes à grande échelle, tels que les réseaux routiers complexes ou les infrastructures énergétiques, les capteurs traditionnels peuvent être coûteux ou peu pratiques à installer sur chaque point de données.
A / Prof. Borghesani dit que des approches telles que la «détection des foules» peuvent offrir une solution à ce problème.
« Les chercheurs ont exploré l'idée d'utiliser des activités quotidiennes pour collecter des données de performance en direct », dit-il.
« Imaginez que vous pourriez aider à collecter des données sur les infrastructures routières simplement en conduisant votre itinéraire normal au travail. Il y a eu des études qui ont fait exactement cela, avec plusieurs véhicules collectant des données pour estimer la rugosité des routes. »
A / Prof. Borghesani reconnaît que les problèmes concernant la confidentialité et la propriété des données ont limité l'adoption de cette idée, mais dit que d'autres sources de données telles que les images satellites accessibles au public pourraient également être utilisées comme capteurs.
« Les jumeaux numériques peuvent également être programmés pour interpoler entre les points de données manquants, si vous êtes limité dans la quantité de données que vous pouvez collecter », ajoute-t-il.
La tension AI
L'un des plus grands obstacles d'adoption est le manque d'expertise des personnes. Cependant, l'intelligence artificielle (IA) a le potentiel d'automatiser le processus à forte intensité de main-d'œuvre de construction d'un jumeau en apprenant directement à partir des données.
« C'est l'ingénierie inverse de la façon dont nous construisions généralement un jumeau numérique standard », explique A / Prof. Borghesani.
«Avec les modèles traditionnels, vous comprenez la physique et le raisonnement parce que vous commencez par l'expertise.
« Avec l'IA, c'est souvent une boîte noire. Ce n'est pas une expertise que vous mettez dans le logiciel; c'est beaucoup de données historiques. Et le programme rassemblera l'expertise à partir des données. »
Cependant, ce modèle soulève des problèmes de transparence.
« Votre modèle d'IA pourrait vous dire que le système échouera dans trois mois, mais sans un aperçu de la raison pour laquelle l'algorithme est arrivé à cette conclusion, les ingénieurs et les opérateurs manquaient souvent de confiance pour agir », explique A / Prof. Borghesani.
«Nous explorons les approches hybrides, où les modèles basés sur la physique sont combinés avec l'apprentissage automatique de manière ciblée.
« Il s'agit d'améliorer, de ne pas remplacer l'expertise. »
Alors que les nouvelles technologies arrivent sur le marché à un rythme encore plus rapide, A / Prof. Borghesani dit que la capacité de la modélisation du jumeau numérique est devenue plus importante.
Il dit que la transition vers des infrastructures décentralisées dans les industries telles que l'énergie, la logistique et les transports a vu des jumeaux numériques devenir une fonction intégrale des opérations.
« Dans le passé, vous n'aviez peut-être que quelques dizaines de centrales électriques à gérer. Mais maintenant, vous avez des milliers d'éoliennes et des millions de panneaux solaires alimentant le même réseau d'énergie », dit-il.
« Qu'il s'agisse de garder un parc éolien en douceur ou que les infrastructures soient sûres et efficaces, les jumeaux numériques émergent comme un outil clé. »
