Jumeaux numériques pilotés par l'IA : Débloquer des gains opérationnels exponentiels

Qu'est-ce que les jumeaux numériques ?

Le concept de jumeau numérique remonte à la NASA pendant la course à l'espace des années 1960, bien que le terme "jumeau numérique" n'ait été inventé qu'en 2002 par Michael Grieves lors d'une conférence à la NASA. Un jumeau numérique est essentiellement un miroir numérique d'un processus, d'une machine ou d'une opération réelle. Son but est d'améliorer la simulation et l'analyse en montrant comment le système miroir réagirait dans différents scénarios et conditions.

Au départ, les jumeaux numériques étaient utilisés pour étudier le comportement des fusées dans diverses circonstances. Aujourd'hui, ils sont largement appliqués pour améliorer les performances opérationnelles et deviennent l'un des concepts phares de l'industrie 4.0, peut-être même une pierre angulaire de l'industrie 5.0.

L'objectif d'un jumeau numérique est d'utiliser des data en temps réel provenant d'actifs, de processus ou de systèmes pour en créer une version numérique. Cette version peut simuler des conditions, prédire des réactions, modéliser des changements et exploiter l'IA pour améliorer les résultats. En substance, il permet aux opérations de fonctionner comme un miroir parallèle d'elles-mêmes, d'apprendre en permanence tout en testant de nouvelles possibilités.

L'industrie manufacturière en est un exemple courant. Un jumeau numérique peut mesurer l'impact de la qualité des matières premières sur les performances des machines, prédire le cycle de vie et les défaillances des équipements ou évaluer la manière dont différents opérateurs réagissent dans des scénarios spécifiques. À plus grande échelle, en intégrant des capteurs, des data en temps réel, des ERP et des modèles avancés, les possibilités sont pratiquement infinies.

Jumeaux, simulations et intelligence artificielle

Les jumeaux numériques sont souvent confondus avec des simulations ou des cas d'utilisation isolés de l'IA, mais les trois sont distincts, bien que profondément interconnectés.

• Simulations: Une simulation est essentiellement un instantané statique de la manière dont un scénario pourrait fonctionner. Les paramètres peuvent être ajustés et plusieurs scénarios testés, mais les simulations ne s'adaptent pas aux data en temps réel. Elles fonctionnent avec les " datahier".
• Intelligence artificielle: Les cas d'utilisation de l'IA peuvent réagir de manière dynamique aux scénarios du monde réel et s'adapter au fil du temps. Cependant, ils ont souvent une portée limitée, s'attaquant à des processus spécifiques ou à des points douloureux sans intégration dans l'ensemble du système.
• Jumeaux numériques: Un jumeau numérique réunit ces éléments. Il utilise des data historiques, intègre l'IA pour les prévisions et l'optimisation, et exploite des data en temps réel provenant de systèmes complexes. Plus important encore, il crée une interaction à double sens : le jumeau ne se contente pas d'analyser les data , il fournit également un retour d'information direct aux opérations, ce qui permet de procéder à des ajustements en temps réel.

Par exemple, dans la fabrication de bouteilles en verre, le refroidissement est une étape critique. De nombreux facteurs influencent ce processus, tels que la méthode de refroidissement, le calendrier, l'humidité, la température et le volume de production. Un jumeau numérique peut déterminer le rythme de refroidissement optimal à tout moment, en équilibrant la qualité, l'énergie et l'utilisation des ressources. Si les matières premières changent et affectent le refroidissement, le jumeau s'adapte instantanément, communique de nouvelles instructions à l'opération et maintient l'efficacité. Cette intégration élimine les ajustements isolés, ce qui rend les opérations plus rapides, moins coûteuses et plus efficaces.

Où est-il utilisé ?

Les opérations vont au-delà de la fabrication et incluent la planification, l'approvisionnement, l'entreposage et la logistique. Les jumeaux numériques peuvent être appliqués à l'ensemble de la chaîne de valeur :

• Planification : Améliorer le S&OP et le S&OE en combinant les data fabrication, de vente et de marché en temps réel avec les modèles de prévision et d'optimisation de l'IA. Par exemple, si la demande ralentit dans une région, le jumeau peut ajuster la portée du S&OP, réduire les stocks et mettre à jour la planification de la production.
• Approvisionnement : Évaluer l'impact des caractéristiques des matières premières et des matériaux d'emballage. En combinant les data capteurs, les résultats des laboratoires et les informations de fabrication, les jumeaux peuvent détecter si la qualité des matières premières affecte l'efficacité, les marges ou la sécurité. Par exemple, des graines de soja très humides peuvent ralentir les processus, entraîner des pertes et endommager les machines, ce qu'un jumeau peut détecter et corriger.
• Fabrication : L'application la plus traditionnelle, où les répliques numériques des usines de production permettent la surveillance, l'ajustement des points de consigne et la modélisation prédictive. Par exemple, des capteurs peuvent prévoir la couleur de la bière pendant le brassage, ce qui permet d'optimiser l'utilisation du malt grillé.
• Entreposage : Utilisation des data gestion des entrepôts pour optimiser les niveaux de stock et rationaliser les processus. Les jumeaux numériques peuvent créer une tour de contrôle pour surveiller toutes les activités telles que la préparation des commandes et l'emballage, en identifiant les inefficacités et en réduisant les coûts.
• Logistique : Exploitation des data télémétriques, GPS et RFID pour optimiser les opérations de livraison et de transport. Les exemples incluent l'optimisation du chargement des camions en 3D, la planification des itinéraires et l'adéquation entre les camions, les chauffeurs et les commandes, tout en minimisant les coûts.

Avantages des jumeaux numériques

Les jumeaux numériques apportent des améliorations mesurables dans toutes les opérations :

1. Optimisation des performances : Ils fournissent une réplique dynamique et en temps réel des processus, ce qui permet une surveillance continue, l'identification des goulets d'étranglement et le test en toute sécurité des améliorations avant leur mise en œuvre.
2. Prévention des pannes et réduction des coûts : La maintenance prédictive minimise les temps d'arrêt, réduit les coûts de réparation, évite le gaspillage et prolonge la durée de vie des équipements.
3. Amélioration de la prise de décision : Les analyses en temps réel transforment les data brutes en informations exploitables, ce qui permet aux décideurs de tester des scénarios, d'évaluer les risques et d'agir en toute confiance.
4. Vue opérationnelle holistique : En intégrant la surveillance, la prédiction et l'optimisation dans une plateforme unique, les jumeaux numériques augmentent l'efficacité, réduisent les coûts et améliorent la capacité d'adaptation au marché ou aux changements opérationnels.

Défis de la mise en œuvre

Bien que puissante, la mise en œuvre des jumeaux numériques s'accompagne de défis, en particulier du point de vue de la technologie opérationnelle (OT) :

• Intégration IT-OT : Le flux de data bidirectionnel en temps réel entre les actifs, les plateformes cloud et les couches opérationnelles nécessite une infrastructure sécurisée, interopérable et robuste.
• Instrumentation à haute granularité : La collecte de data à résolution fine, telles que les micro-vibrations ou les changements environnementaux rapides, accroît la précision mais augmente les coûts, la complexité de l'installation et les besoins de maintenance.
• Qualité et fiabilité desData : les environnements industriels difficiles peuvent compromettre l'intégrité des data . Pour garantir l'exactitude des données, il faut des processus d'étalonnage, de redondance et de validation.
• Intégration de systèmes anciens : De nombreuses usines utilisent d'anciens systèmes PLC, SCADA ou DCS qui n'ont pas été conçus pour une connectivité moderne. Leur intégration nécessite souvent des adaptations coûteuses, des logiciels intermédiaires ou des convertisseurs.

Ces obstacles expliquent pourquoi l'adoption des jumeaux numériques doit être progressive et gérée de manière stratégique.