Jumeaux Numériques : Comprendre leurs caractéristiques, utilisations et définitions dans un contexte multi-domaines d’expertises
La transversalité et la polyvalence des Jumeaux Numériques (JN) rendent nécessaire une compréhension commune du concept de JN la plus élargie possible. Les acteurs du programme ATLAS, ont donc partagé leurs visions au cours de leur différents travaux et plus spécifiquement lors d’un atelier afin de mettre en avant les objectifs des différents domaines industriels quant à la valeur ajoutée du concept.
Le but recherché dans un premier temps a été de favoriser une représentation par rapport à une autre. Le groupe de travail a souhaité déterminer et partager une exhaustivité des cas d’usage et de leurs caractéristiques par domaine d’application.
Il a ainsi pu déterminer les perspectives, les complémentarités, les attentes et utilisations communes à chacun des secteurs industriels du programme.
Une transversalité inter-domaine
Le Programme ATLAS possède 7 domaines en plus de celui des JN. Dans chacun d’entre eux, les acteurs ont pu exprimer leur point de vue sur le rôle des jumeaux numériques. Ainsi les domaines du PLM, de la Maintenance, de l’Ingénierie Systèmes, de la Production du Futur et des Données & Infrastructures, ont évoqué comment les industriels utilisent ou veulent utiliser les concepts des JN pour satisfaire leurs objectifs d’efficience et répondre à leurs enjeux technologiques.
Comment les jumeaux numériques améliorent le soutien opérationnel des systèmes complexes
Dans l’ingénierie de la maintenance, une majeure partie des activités concerne les systèmes de soutien logistiques. Dans cette étape du cycle de vie, le JN a pour but d’informer, de concevoir, de former, de valider, de certifier, de simuler des opérations, etc.
Il se base sur l’état exact du produit et des composants, ainsi que sur la configuration installée sur le produit en exploitation.
Le système de soutien a une activité opérationnelle qui est de rendre disponible le produit durant ses opérations sur le terrain. Pour que le système de soutien soit au plus proche de son environnement d’action, les architectes de soutien logistique, conçoivent des JN qui tiennent comptent :
- D’un enrichissement des informations de terrain (relatives au système de soutien, à l’infrastructure de soutien, aux capteurs, etc.),
- D’une fédération des données (grâce à des algorithmes)
- D’une gestion de l’interopérabilité (entre les sites de soutien et les systèmes d’information)
Ces ensembles de fonctions et de données permettent de garder des pièces de maintenance à proximité des sites d’opérations pour garantir la disponibilité des aéronefs et assurer la continuité des activités de défense.
Pour soutenir un produit en exploitation de manière efficace, il est important d’avoir accès à l’ensemble des données provenant du cycle de vie du produit, comme le montre la figure ci-dessous. En combinant les données de conception, de production, d’utilisation, de maintenance et de fin de vie du produit, les équipes de maintenance peuvent avoir une vision globale du produit et de ses performances tout au long de son cycle de vie. Ceci leur permet d’aider à analyser les défaillances des produits en exploitation, d’améliorer la qualité des opérations de maintenance, de réduire les temps d’arrêt du produit et donc de réduire les coûts de la maintenance des systèmes.
Comment le PLM contribue à la mise en place d’un jumeau numérique
Le PLM (Product Lifecycle Management) décrit un processus de conception qui comprend la modélisation de données structurées telles que la conception, la maquette numérique, la simulation et la prédisposition à l’industrialisation. Cela permet de caractériser un produit de façon unique et de créer un produit de référence. Est-ce que cette référence peut apparaître comme un début de JN ? L’utilité et la finalité du JN dans ce cadre sont des questions essentielles à se poser, car cela déterminera la taille du périmètre du JN, une notion indispensable à tout travaux d’implémentation.
Le schéma ci-dessous illustre clairement comment le jumeau numérique peut être relié à chaque phase de cycle de vie d’un produit. Le PLM collecte l’ensemble des données du produit au cours de son cycle de vie, qui sont ensuite exploitées par le JN depuis la conception du produit jusqu’à sa mise à l’arrêt. Les données numériques relatives au produit s’enrichissent au fil du temps et contribuent à définir un JN complet, qui peut être assimilé à un dossier numérique. Grâce au JN, les équipes de développement, de production et de maintenance peuvent collaborer de manière plus efficace et prendre des décisions plus éclairées tout au long du cycle de vie du produit.
La dualité des jumeaux numériques
L’ingénierie systèmes (IS) concerne en partie l’analyse, la conception et la gestion de systèmes complexes. Ce domaine positionne le JN en tant qu’acteur au sein d’un système double, composé du Jumeau Originel (JO) et de son Jumeau Numérique (JN), avec des objectifs opérationnels, fonctionnels, logiques et organiques.
Ici, le système double est finalement défini comme un ensemble de deux jumeaux qui représentent deux entités agissant sur deux cycles de vie, dans deux espaces différents (virtuel ou réel). Le schéma ci-dessous illustre cette idée de manière claire. Il est important de noter que les jumeaux originels peuvent être de nature différente : processus, système, ensemble d’activités, produit, infrastructure, humain, …
De plus, il convient de prêter une attention particulière à la distinction entre les JN de systèmes et les JN de produits. Cette distinction est essentielle pour définir précisément les différents paradigmes relatifs à ces deux types de JN. Il sera donc intéressant de clarifier ces distinctions dans les travaux futurs afin de mieux comprendre les enjeux liés à chaque type de jumeau numérique et de pouvoir les exploiter de manière optimale.
Dans ce contexte, l’IS peut apporter une aide précieuse pour effectuer l’analyse systémique d’ensemble, clarifier les intentions d’un point de vue système ou définir les architectures du système double (JO + JN).
Dans un système de production, le JN est généralement créé après la création du produit physique (JO). Cependant, dans les autres phases du cycle de vie, il est possible que le JN existe avant le produit physique. Dans ce cas, le JN peut servir de support pour concevoir, simuler et modifier le produit avant sa production. Il contribue alors à améliorer la qualité, la performance et la fiabilité du produit final.
Les jumeaux numériques, un atout majeur pour l’industrie 4.0
Les systèmes de production considèrent l’utilisation des JN comme un élément clé pour replacer l’homme au centre des préoccupations, notamment en ce qui concerne la robotisation, l’assistance aux opérateurs et aux manipulations (exosquelette, cobots). Dans ce domaine, l’accent est mis sur l’accessibilité des données et l’interopérabilité entre composantes du jumeau numérique et du jumeau réel. Pour cela, le JN requiert des pièces interopérables et des plateformes numériques qui peuvent fonctionner avec d’autres solutions et qui sont réutilisables à différents stades du cycle de vie du produit comme le montre l’illustration de Change2Twin.
Par exemple l’AAS (Asset Administration Shell) développé par l’IDTA, est un outil d’intégration des caractéristiques d’un actif qui pourrait être un soutien et une aide dans la mise en œuvre d’un JN.
En fin de compte, les systèmes industriels du futur (Industrie 4.0, Blockchain, etc.) peuvent apporter aux concepts de JN des technologies et des outils de partage, de stockage, de structuration et d’échange de données afin d’être plus efficient dans les processus.
L’importance des données pour la création et l’utilisation des jumeaux numériques
D’un point de vue des data et infrastructures, il semble évident de dire que le JN n’existe pas sans données mais plus particulièrement sans données qui soient de confiance, de qualité et partagées. Il est donc essentiel de s’interroger sur le type de données (dynamiques ou statiques) et leur provenance.
Quant à savoir si le JN peut aider à représenter, interpréter ou restituer des données, cela dépend des objectifs initialement déterminés, car il est possible que ces trois fonctions soient combinées.
Dans le graphique, on peut retrouver les principes fondamentaux de collecte et de traitement de données qui doivent être respectés pour répondre aux exigences des données du JN.
Faciliter la prise de décisions éclairées en simplifiant la complexité du monde réel
La diversité des cas d’usages des JN semble infini mais ce qui les réunis c’est qu’ils peuvent agir comme élément de dé-complexification en simplifiant la compréhension de la réalité pour les utilisateurs en les aidant à intégrer des informations dans un système plus large de connaissances. Ils sont une véritable aide à la décision.
A partir des valeurs communes identifiées, les concepts de JN pourraient bénéficier de gains plus tangibles, tels que la capacité à gérer le cycle de vie complet d’un produit, depuis la conception jusqu’à la fin de vie, l’ajout et l’expansion de nouveaux services pour les métiers, ainsi que le soutien à un environnement plus durable.
Le concept de JN permettrait, entre autres, d’appréhender la réalité en construisant un réseau de connaissance autonome, allant de la donnée à l’information, puis à la connaissance et enfin à l’autonomie, comme le montre la figure ci-contre.
Ces premiers travaux ont permis de conclure que le concept de JN possède une application transverse à l’ensemble des activités d’une entreprise. Toutefois, cette diversité d’interprétations rend difficile l’obtention d’une définition unique d’un JN contextualisé. En effet, il ne s’agit pas d’un JN unique, mais de plusieurs JN qui répondent chacun à un besoin bien spécifique.
Dans un prochain article, nous examinerons les caractéristiques fondamentales des JN pour mieux comprendre leur fonctionnement et les enjeux associés.