Les jumeaux numériques vont révolutionner le monde de la simulation

Modélisant et simulant en quasi temps réel un équipement, une chaîne de production ou une usine entière, les jumeaux numériques vont transformer les opérations et les métiers de la maintenance, comme le montre le pionnier de ce marché, Ansys, associé à SAP.

Basées sur l’Intelligence Artificielle ou les technologies de simulation, deux grandes familles de jumeaux numériques se profilent avec chacune une approche distincte. L’une, dite buttom up, dans laquelle on part d’un actif équipé de capteurs, pour récupérer les données qui en sont issues. Avec elles, on construit des modèles de prédiction, grâce aux techniques d’IA comme le Deep Learning et les réseaux de neurones. L’autre approche, plus top down, mise sur des jumeaux numériques de seconde génération basés sur la simulation. On part d’équations issues de la physique qu’on nourrit de mesures pour prédire des comportements. Ces jumeaux numériques vont révolutionner les opérations de simulation dans l’usine 4.0.

Pour bien comprendre l’arrivée sur le marché de ces jumeaux numériques, Jacques Duysens, EMEA Systems & Digital Twins Business Development Director chez Ansys, remonte aux années 70/80. De cette époque datent les premières avancées en matière de simulation. S’ensuit une évolution vers la simulation numérique basée sur la combinaison entre sciences physiques, mathématiques et informatiques. Les simulations ont pris encore de l’épaisseur avec l’utilisation des algorithmes exploitant le parallélisme des machines multi-processeurs et le calcul hautes performances, ainsi que les technologies de réduction de modèles permettant de booster les simulations en quasi temps-réel. « Sans ces évolutions, on ne pourrait pas aujourd’hui parler de jumeaux numériques basés sur la simulation », note Jacques Duysens.

Prédire les comportements d’un actif

Les jumeaux numériques viennent donc de loin et vont peser sur les opérations de simulation. Ils permettent, par exemple, de repérer comment se comporte un actif en fonctionnement. Auparavant, la simulation n’était pas possible en dehors des phases de développement / R&D. Et il fallait des dizaines d’heures pour obtenir des simulations sur une très grosse machine. Tout sauf du temps réel. Avec les jumeaux numériques, on peut notamment prédire les comportements d’un actif à des fins de maintenance, avant un incident, envisager des simulations en temps réel ou en quasi temps réel.

Comment fonctionnent ces jumeaux numériques ? Ils se présentent sous la forme d’une réplique virtuelle, réduite et connectée d’un actif physique en service. Construits sous forme d’un modèle systèmes multi-domaines et multi-physiques enrichis par des modèles réduits issus de modèles détaillés de simulation 3D, ils vont représenter le comportement de cet actif. Par exemple celui d’un moteur, où le jumeau permettra de simuler les vibrations réelles. Il va aussi pouvoir prédire les niveaux de température atteints par un moteur électrique tournant à tel ou tel régime. Et, si l’on prend le cas des éoliennes, la simulation peut anticiper la gestion des pannes, ou construire et exploiter des jumeaux numériques reproduisant le comportement thermique du moteur. Le jumeau numérique permet aussi de prédire la durée de vie restante de ce moteur, donc de déclencher des opérations de maintenance avant de voir survenir les pannes.

Multiplication des usages possibles

Les usages des jumeaux numériques ne cessent de se développer, explique Jacques Duysens. Beaucoup dans la maintenance prédictive, mais d’autres utilisations se profilent. Ils peuvent ainsi servir à améliorer le design, à développer un produit de façon numérique avant la construction de prototypes physiques, en évaluant des milliers d’options et connecter un prototype physique équipé de capteurs à un jumeau numérique. Dans un tout autre secteur, les applications liées à la défense, la maîtrise virtuelle d’un théâtre d’opérations peut s’envisager à travers des scénarios issus des jumeaux numériques. Dans le secteur médical, la simulation et les jumeaux numériques associés peuvent se révéler d’une aide précieuse pour les chirurgiens. Par exemple on est capable aujourd’hui de mettre en place et d’exploiter des jumeaux numériques permettant la simulation biomécanique en quasi temps-réel des déformations des artères induites par les instruments endovasclaires. Le jumeau numérique est appelé à devenir un élément clé de la médecine du futur. En phase d’émergence dans l’industrie, il va s’y développer largement grâce à ses apports en matière de simulation « immédiate ».

Quel que soit l’usage, le jumeau numérique peut être connecté à l’IoT. Il va ainsi prédire les comportements d’un actif, avec différentes fonctions spécialisées, générer des alertes, monitorer cet actif, fournir des paramètres de correction si un problème est détecté. Le jumeau numérique a également l’avantage de pouvoir aller à l’intérieur d’un produit en fonctionnement, alors que la maintenance classique ne peut l’observer que de l’extérieur. Prenons l’exemple des moteurs électriques, seul le jumeau numérique va permettre d’obtenir le niveau de température dans des zones où l’installation d’un capteur n’est pas envisageable. Le jumeau numérique exploite ainsi pleinement le concept de capteurs virtuels.

Le spécialiste mondial des jumeaux numériques, Ansys, qui se définit comme le numéro un mondial de la simulation numérique, a lancé une plateforme spécialisée dans la création, la validation et le déploiement de jumeaux numériques :  Twin Builder. Elle est intégrée dans la suite SAP Intelligent Asset Management en général et en particulier dans SAP Predictive Engineering Insights. Twin Builder permet de créer le jumeau numérique de n’importe quel produit physique dans beaucoup de secteurs d’activité. Ansys est un pionnier. Les experts en maintenance et les grands organismes de conseil dans le domaine des techniques avancées comme le Groupe Gartner estiment que l’exploitation de jumeaux numériques peut générer une réduction drastique des coûts de maintenance de l’ordre de 20 à 25%.

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