Jumeau numérique : Définition, Fonctionnement et Applications

Le jumeau numérique (digital twin en anglais) est une représentation virtuelle qui a été imaginée pour reproduire précisément un objet physique, comme, par exemple, un système. Cette copie va suivre l’évolution de l’objet qui est mis à jour régulièrement. On utilise la simulation, le raisonnement et le machine learning pour que la prise de décision soit facilitée. Pour mieux comprendre ce qu’est un jumeau numérique, voyons de quoi il s’agit, comment cela fonctionne et quels sont les avantages que l’on peut trouver à utiliser cette technologie. Nous verrons également les applications que l’on peut utiliser via celle-ci et ses limites.

Qu'est-ce qu'un jumeau numérique ?

Un jumeau numérique est développé autour de l’Intelligence Artificielle mais aussi de l’Internet des Objets (IOT). Cette technologie progresse de façon importante ces dernières années. 

Le jumeau numérique est une réplique d’un objet physique. Il est fabriqué par des modèles de prédiction via les techniques de l’IA (deep learning, machine learning…). Dans cette copie, on retrouve une agrégation de différentes simulations qui sont basées sur différents domaines scientifiques :

• Électromagnétisme,

• Géophysique,

• Chimie,

• Biologie,

• Aérodynamique,

• Thermie…

L’objet physique copié envoie une grande quantité de données qui seront analysées et utilisées pour concevoir, alimenter et mettre à jour le jumeau. Ce jumeau numérique devra être évidemment le plus fidèle possible à l’objet physique qu’il copie. Il doit réagir et évoluer de la même façon durant tout le cycle de vie de l’objet original.

Utiliser un jumeau numérique, c’est pouvoir comprendre la complexité du réel. C’est aussi un moyen de comprendre les informations obtenues via ce jumeau. Il sera alors possible d’intervenir sur celui-ci et d’installer des évolutions adaptées.

Pour créer un jumeau numérique, on installe des capteurs sur l’objet réel. Ceux-ci vont envoyer des données qui seront étudiées et copiées. On pourra alors effectuer différentes simulations afin d’analyser les potentiels problèmes de performance. On pourra également imaginer des améliorations.

On trouve différents types de jumeaux numériques. Cela est dû au domaine d’application et au niveau de granularité du produit copié. On peut voir différents jumeaux coexister dans un même système. Ces jumeaux numériques peuvent être :

• Des jumeaux de composants ou pièces. Il s’agit de l’unité de base du jumeau.

• Des jumeaux d’actifs. Ces actifs sont des éléments qui interagissent ensemble.

• Des jumeaux de système ou d’unités

• Des jumeaux de processus.

L’histoire du jumeau numérique remonte à 1991. On en trouve trace dans l’ouvrage de David Gelernte, Mirror Worlds. Néanmoins, c’est le professeur Dr Michael Grieves qui a appliqué pour la première fois le concept en 2002. Le terme de jumeau numérique a été mis en place en 2010.

Cette technologie a été adoptée dans différents secteurs :

• Villes intelligentes,

• Construction de bâtiments,

• Gestion des actifs,

• Infrastructures souterraines,

• Changement climatique.

Définition et principe de base

Pour résumer, la définition du jumeau numérique correspond au modèle numérique d’un produit, d’un système ou d’un processus physique qui est utilisé comme contrepartie numérique pour :

• Simuler,

• Intégrer,

• Tester,

• Surveiller,

• Maintenir.

C’est un ensemble de différents modèles qui s’adaptent pour émuler le comportement d’un système (physique ou virtuel) afin d’obtenir des données en temps réel et suivre le cycle de vie du modèle.

Ce concept se définit selon trois principes :

• L’objet ou le processus physique,

• La représentation numérique de l’objet,

• Le canal de communication entre les représentations virtuelles et physiques.

Différences avec une simulation classique

On pourrait penser que les jumeaux numériques et la simulation numérique sont la même chose. Toutefois, il est important de savoir que le jumeau présente un environnement virtuel réellement beaucoup plus riche. Cette différence est principalement une question d’échelle. La simulation se concentre sur un processus particulier. Le jumeau numérique permet, quant à lui, de réaliser de nombreuses simulations pour étudier de nombreux processus. De même, la simulation ne présente pas de données en temps réel. Le jumeau numérique fonctionne sur un flux d’informations bidirectionnel. Les capteurs mis en place envoient et fournissent des données en temps réel. Celles-ci, combinées à la puissance de calcul qui est permise par l’environnement virtuel, vont permettre au jumeau numérique d’étudier un très vaste champ de problématiques en s’appuyant sur des perspectives variées.

Comment fonctionne un jumeau numérique ?

On crée des jumeaux numériques en copiant des modèles conceptuels. On peut alors utiliser différents outils :

• Bâti immobilier modélisé,

• Conception assistée par ordinateur,

• Système d’information géographique,

• Numérisation.

Ces jumeaux numériques sont reliés à l’Internet des Objets (IdO ou IoT). Celui-ci est un réseau complexe d’objets physiques possédant un identifiant unique (UID) et interagissant avec d’autres objets via internet. Lorsque les jumeaux intègrent les différentes données IdO, ils seront capables de prédire les performances de l’objet. On a également recours à d’autres outils.

IoT, IA et collecte des données

L’Intelligence Artificielle est indispensable pour créer des jumeaux numériques. Elle va permettre à ceux-ci de fonctionner et prévoir les agissements des objets copiés. L’IoT est aussi de mise. Cette technologie utilise les données ID (données tabulaires issues de systèmes IT/OT) mais aussi les données 2D/3D (CAO, numérisations de capture de la réalité, BIM). Le jumeau numérique va utiliser les capteurs IoT pour analyser les comportements des utilisateurs et offrir une meilleure expérience d’achat.

Modélisation et simulation prédictive

Les jumeaux numériques vont également prendre en charge la modélisation 3D et la simulation prédictive.

Ils vont utiliser de nombreuses technologies pour fonctionner, comme, par exemple, donc l’IoT (considéré comme un moteur d’innovation important), le cloud computing, l’IA, la réalité augmentée (AR), la réalité virtuelle (VR) et l’analyse et visualisation des données.

Quels sont les avantages des jumeaux numériques ?

Utiliser un jumeau numérique est une opportunité pour faire des recherches et réaliser des conceptions de produits réellement plus efficaces. Cela est dû principalement à la grande quantité de données qui sont générées pour obtenir des résultats en matière de performance.

Optimisation des performances et maintenance prédictive

Lors de la création d’un nouveau produit, on se pose des questions. Avec un jumeau numérique, on pourra refléter et surtout surveiller les systèmes de production. Cela permettra d’atteindre une efficacité maximale et de maintenir celle-ci durant tout le processus de fabrication.

Les objectifs du jumeau numérique sont de réaliser de nombreux tests pour améliorer l’objet initial. Ces tests virtuels permettent de gagner en efficacité et en rapidité. Il sera ainsi possible de prendre des décisions pour créer un objet de qualité et moins cher. La conception sera ainsi optimisée.

L’objet réalisé aura une durée de vie plus longue. Les comportements et les interactions avec l’environnement seront pris en compte. La maintenance prédictive durant la phase d’exploitation sera mise en avant grâce à une connaissance des pannes potentielles. On pourra adapter également l’objet aux demandes du marché.

L’avancée de la production, et cela jusqu’à l’exploitation et la validation de la faisabilité, sera aussi améliorée. On prendra en compte les besoins du produit.

Amélioration de la gestion des risques

En étudiant et analysant de façon très précise l’objet via son jumeau, on pourra apporter différentes améliorations. Et cela concerne également les risques potentiels. En analysant le processus de l’objet, on pourra déterminer de potentiels risques et les effacer de façon efficace.

Gérer la fin de vie des objets

En utilisant les jumeaux numériques, les fabricants pourront trouver quoi faire des produits en fin de vie. Ils pourront déterminer le traitement final (recyclage, par exemple). Le jumeau numérique sera idéal pour reconnaître les produits pouvant être recyclés.

Principales applications des jumeaux numériques

Le monde industriel a été révolutionné par les jumeaux numériques. Ils ont modifié la phase de développement des produits et leur utilisation.

Industrie 4.0 et supply chain

Les entreprises vont utiliser les réinventions numériques pour modifier les modèles de fabrication et la logistique industrielle. Les industries 4.0 vont utiliser ces jumeaux numériques via différents principes. Ceux-ci vont simuler et optimiser les processus industriels en temps réel. Il sera, par exemple, possible de simuler des lignes de production. On pourra alors identifier des goulots d’étranglement, tester les améliorations...

Il sera également possible d’optimiser les chaînes d’approvisionnement. Les avantages sont une réduction des coûts, une amélioration de l’efficacité et de la qualité, une flexibilité plus accrue et une grande innovation.

Finance et gestion des actifs

Les jumeaux numériques sont aussi très utilisés dans le domaine de la gestion d’actifs et la gestion de patrimoine. Ces représentations virtuelles sont en effet très importantes pour une gestion optimale. Elles vont aider à concentrer les informations. Il sera possible de collecter des informations particulièrement précises et ainsi améliorer l’efficacité opérationnelle. Les jumeaux permettront de surveiller en temps réel les performances et les conditions, d’optimiser les processus, les coûts de la maintenance, réduire les temps d’arrêt non planifié, améliorer la sécurité et minimiser les temps de panne et fournir une prévision précise des besoins.

Automobile et santé

La modélisation des organes du corps humain via l’informatique a permis la simplification des essais cliniques, l’assistance des chirurgiens ou encore le test des nouvelles molécules. Grâce aux doubles virtuels, on peut mettre en rapport les caractéristiques biologiques d’un patient (volume et architecture des organes, microstructure des tissus, types cellulaires…). Il sera également possible de simuler des actes médicaux sur la copie.

Le secteur automobile est aussi concerné. En utilisant le jumeau numérique d’un véhicule, on pourra représenter les caractéristiques techniques et les paramètres liés au fonctionnement sous une forme digitalisée (trajet réalisé, temps d’utilisation, consommation, problèmes techniques…)

Limites et défis

On a vu que les jumeaux numériques présentaient de nombreux avantages (un suivi des opérations en temps réel, une compréhension de meilleure qualité à propos des performances, une amélioration des connaissances, une économie des coûts…). Mais ils présentent également des limites.

Coût et complexité des infrastructures

Les jumeaux numériques sont d’une complexité beaucoup plus élevée que prévue. Il est ainsi indispensable de mettre à jour les systèmes existants déjà dans les entreprises. Cela permettra de rentabiliser efficacement les jumeaux.

Il est encore important de vérifier que la technologie du jumeau numérique n’est appliquée qu’aux bons processus. Ce n’est en effet pas une solution à tout !

Pour ce qui est des coûts, le processus de mise en œuvre de ceux-ci est cher. Leur utilisation et leur création sont également dispendieuses. Cela peut retarder le retour sur investissement prévu.

Sécurité des données et enjeux réglementaires

Pour une utilisation optimale des jumeaux numériques, il est indispensable de penser au préalable qu’il est nécessaire d’adapter ce jumeau à l’entreprise en question. Il n’existe pas de solution universelle.

De plus, pour fonctionner, un jumeau numérique a besoin de données. Et celles-ci doivent être de bonne qualité. Le manque de données de qualité empêchera la technologie de fonctionner. Il est donc indispensable de récolter des données en grand nombre et de les sécuriser pour éviter tout problème.

Les jumeaux numériques présentent également des difficultés pour ce qui est des règles, normes et responsabilités. Il n’y a pas de normes internationales qui régissent ces jumeaux. On avance donc un peu au hasard en utilisant ces technologies. Celles-ci reproduisent des systèmes physiques existants. Il y a donc des problèmes liés à la gestion de la propriété des données, la responsabilité en cas d’erreurs de simulation et la sécurité, sans oublier l’interaction entre les réglementations numériques et physiques.

Conclusion

Les jumeaux numériques ont un rôle important pour les entreprises. En réalisant ces copies précises d’objets, elles pourront déterminer ce qui fonctionne et ce qui fonctionne mal, prévoir le succès de l’objet et modifier ce qui doit l’être pour satisfaire les clients.

Utilisés dans différents domaines, ces doubles numériques ont de nombreux avantages (satisfaction des clients amélioration des produits, accélération des délais de mise sur le marché, amélioration de la productivité…). Cela présente néanmoins quelques limites (coût important, règles à respecter, complexité de la technologie). Il n’en reste pas moins que les jumeaux numériques restent un atout important pour progresser et mettre sur le marché des produits de qualité qui séduiront.