Jumeaux numériques basés sur l'IA : la clé pour des gains opérationnels exponentiels

Que sont les jumeaux numériques ?

Le concept de jumeau numérique remonte à la NASA, à l'époque de la course à l'espace des années 1960, même si le terme «jumeau numérique »n'a été inventé qu'en 2002 parMichael Grieves lors d'une conférence à la NASA.Un jumeau numérique est essentiellement le reflet numérique d'un processus, d'une machine ou d'une opération réels. Son objectif est d'améliorer la simulation et l'analyse en montrant comment le système reproduit réagirait dans différents scénarios et conditions.

Au départ, les jumeaux numériques servaient à étudier le comportement des fusées dans diverses conditions. Aujourd’hui, ils sont largement utilisés pour améliorer les performances opérationnelles etsont en train de devenir l’un des concepts phares de l’Industrie 4.0, voire une pierre angulaire de l’Industrie 5.0.

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

On trouve un exemple courant dans le secteur manufacturier. Un jumeau numérique peut mesurer l'impact de la qualité des matières premières sur les performances des machines, prévoir le cycle de vie et les pannes des équipements, ou évaluer la manière dont différents opérateurs réagissent dans des scénarios spécifiques. À plus grande échelle, en combinant capteurs, data en temps réel, progiciels de gestion intégrée (ERP) et modèles avancés, les possibilités sont pratiquement infinies.

Jumeaux, simulations et intelligence artificielle

On confond souvent les jumeaux numériques avec des simulations ou des cas d'utilisation isolés de l'IA, mais ces trois concepts sont distincts, bien qu'étroitement liés.

• Simulations: une simulation est essentiellement un instantané statique du comportement potentiel d'un scénario. Il est possible d'ajuster les paramètres et de tester plusieurs scénarios, mais les simulations ne s'adaptent pas aux data en temps réel. Elles fonctionnent à partir data « data d'hier ».
• Intelligence artificielle: les cas d'utilisation de l'IA peuvent réagir de manière dynamique à des situations réelles et s'adapter au fil du temps. Cependant, leur champ d'application est souvent limité, puisqu'ils traitent des processus ou des points faibles spécifiques sans s'intégrer à l'ensemble du système.
• Jumaux numériques: un jumeau numérique rassemble tous ces éléments. Il exploite data historiques, intègre l'intelligence artificielle pour les prévisions et l'optimisation, et tire parti data en temps réel data systèmes complexes. Mais surtout, il crée une interaction bidirectionnelle : non seulement le jumeau analyse data il fournit également un retour d'information direct aux équipes opérationnelles, ce qui permet d'effectuer des ajustements en temps réel.

Par exemple, dans la fabrication de bouteilles en verre, le refroidissement est une étape cruciale. De nombreux facteurs influencent ce processus, tels que la méthode de refroidissement, le timing, l'humidité, la température et le volume de production. Un jumeau numérique peut déterminer le rythme de refroidissement optimal à tout moment, en trouvant le juste équilibre entre qualité, consommation d'énergie et utilisation des ressources. Si les matières premières changent et affectent le refroidissement, le jumeau s'adapte instantanément, transmet de nouvelles instructions à l'équipe de production et maintient l'efficacité. Cette intégration élimine les ajustements ponctuels, rendant ainsi les opérations plus rapides, moins coûteuses et plus efficaces.

Où est-il utilisé ?

Les opérations ne se limitent pas à la fabrication, mais englobent également la planification, l'approvisionnement, l'entreposage et la logistique. Les jumeaux numériques peuvent être utilisés tout au long de la chaîne de valeur :

• Planification : optimiser les processus S&OP et S&OE en combinant data en temps réel issues de la production, des ventes et du marché data des modèles de prévision et d'optimisation basés sur l'IA. Par exemple, si la demande ralentit dans une région, le jumeau numérique peut ajuster la portée du S&OP, réduire les stocks et mettre à jour la planification de la production.
• Approvisionnement : Évaluation de l'impact des caractéristiques des matières premières et des matériaux d'emballage. En combinant data des capteurs, les résultats de laboratoire et les informations de fabrication, les jumeaux numériques peuvent déterminer si la qualité des matières premières affecte le rendement, les marges ou la sécurité. Par exemple, des graines de soja à forte teneur en humidité peuvent ralentir les processus, entraîner des pertes et endommager les machines ; un jumeau numérique est capable de détecter ces problèmes et d'y remédier.
• Fabrication : Il s'agit de l'application la plus courante, où les répliques numériques des sites de production permettent la surveillance, l'ajustement des consignes et la modélisation prédictive. Par exemple, des capteurs peuvent prédire la couleur de la bière pendant le brassage, ce qui permet d'optimiser l'utilisation du malt torréfié.
• Logistique d'entrepôt : Utilisation data de gestion d'entrepôt data optimiser les niveaux de stock et rationaliser les processus. Les jumeaux numériques permettent de mettre en place une tour de contrôle pour surveiller toutes les activités, telles que la préparation des commandes et l'emballage, afin d'identifier les inefficacités et de réduire les coûts.
• Logistique : exploiter data de télémétrie, de GPS et de RFID data optimiser les opérations de livraison et de transport. Parmi les exemples, citons l'optimisation 3D du chargement des camions, la planification des itinéraires et la mise en correspondance des camions, des chauffeurs et des commandes tout en minimisant les coûts.

Avantages des jumeaux numériques

Les jumeaux numériques permettent d'obtenir des améliorations tangibles dans l'ensemble des opérations :

1. Optimisation des performances : ellesfournissent une réplique dynamique et en temps réel des processus, permettant ainsi une surveillance continue, l'identification des goulots d'étranglement et la validation 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. Une prise de décision optimisée :l'analyse en temps réel transforme data brutes data informations exploitables, permettant ainsi aux décideurs de tester différents scénarios, d'évaluer les risques et d'agir en toute confiance.
4. Vision opérationnelle globale : enintégrant la surveillance, la prévision et l'optimisation au sein d'une plateforme unique, les jumeaux numériques permettent d'accroître l'efficacité, de réduire les coûts et d'améliorer la capacité d'adaptation aux évolutions du marché ou aux changements opérationnels.

Les défis liés à la mise en œuvre

Bien que très performants, les jumeaux numériques posent certains défis lors de leur mise en œuvre, notamment du point de vue des technologies opérationnelles (OT) :

• Intégration IT-OT : data bidirectionnel en temps réel entre les actifs, cloud et les couches opérationnelles nécessite une infrastructure sécurisée, interopérable et robuste.
• Instrumentation à haute granularité : la collecte data à haute résolution, data que les micro-vibrations ou les changements environnementaux rapides, améliore la précision mais entraîne une augmentation des coûts, de la complexité de l'installation et des besoins en maintenance.
• Data et fiabilitéData :les environnements industriels difficiles peuvent compromettre data . Pour garantir leur exactitude, il est nécessaire de mettre en place des processus d'étalonnage, de redondance et de validation.
• Intégration des systèmes existants : de nombreusesusines utilisent encore d'anciens automates programmables (PLC), systèmes SCADA ou systèmes de contrôle distribué (DCS) qui ne sont pas conçus pour la connectivité moderne. Leur intégration nécessite souvent des travaux de modernisation coûteux, l'utilisation de logiciels intermédiaires ou de convertisseurs.

Ces obstacles montrent pourquoi la mise en place du jumeau numérique doit se faire par étapes et être gérée de manière stratégique.