Les métavers industriels et les jumeaux numériques sont liés mais ne sont pas nécessairement identiques – les différences et les similitudes mettent en évidence leurs avantages commerciaux. Quel sera le nouveau paysage informatique émergent pour les cas d’utilisation industrielle où les jumeaux numériques sont appelés à jouer un rôle de plus en plus important ?
Les applications du métavers dans le domaine industriel ne cessent d’augmenter, y compris son parent de plus en plus important, le jumeau numérique. Il existe de nombreuses définitions des jumeaux numériques, mais Venture Beat et Gartner en donnent des aperçus utiles.
Un jumeau numérique synchronise les données entre le monde naturel et l’environnement numérique (le jumeau), ce qui permet aux gens de prendre des mesures et des décisions dans l’environnement virtuel qui peuvent être rapidement manifestées dans le monde réel ».
Pour le cabinet d’analyse Gartner, un jumeau numérique est « une représentation basée sur des données d’un objet ou d’un phénomène physique qui permet l’utilisation de technologies de virtualisation et d’algorithmes pour développer une meilleure compréhension et une meilleure dynamique entre les objets et les phénomènes ».
Au niveau le plus élémentaire, un jumeau numérique est une représentation de phénomènes ou d’objets du monde réel qui saisit avec précision des paramètres d’intérêt afin d’améliorer la compréhension des phénomènes ou des objets et d’offrir une aide à la décision. Ces systèmes sont parfaitement adaptés aux tâches de planification et de conception.
De préférence, ces jumeaux numériques reflètent également les changements dans le monde réel en temps réel afin de toujours représenter l’état actuel du jumeau du monde réel. Dans ce cas, des systèmes de capture de données sont nécessaires, qui peuvent inclure des capteurs, des caméras, des microphones, etc. Les jumeaux numériques en temps réel permettent des applications de surveillance avancées pour guider les tâches opérationnelles.
Enfin, les jumeaux numériques peuvent également être utilisés pour le contrôle et les opérations si les changements apportés à la représentation virtuelle entraînent également des changements connexes dans l’objet ou le système du monde réel.
Les jumeaux numériques et le monde réel
Les jumeaux numériques peuvent impliquer la représentation virtuelle de pièces ou de composants, d’équipements, de systèmes ou d’unités, et de processus qui visualisent l’interaction des systèmes au sein d’une installation de production entière, dans des environnements urbains et, en fin de compte, sur notre planète. En outre, les jumeaux numériques peuvent concerner des chaînes d’approvisionnement entières ou des activités d’entreprise, et peuvent refléter des aspects cruciaux d’industries, de régions et de systèmes environnementaux entiers.
Les différentes couches et sections des jumeaux numériques peuvent apporter un soutien important aux décisions commerciales, économiques, sociétales et politiques. « Ces jumeaux peuvent aller des composés avancés et des bioréacteurs au corps humain et aux applications médicales, en passant par les installations de fabrication et les environnements urbains, jusqu’à l’ensemble de l’écosystème environnemental mondial et la dynamique du changement climatique », suggère Gartner.
Les divers types de jumeaux numériques ont des cas d’utilisation et des objectifs différents, mais avec le temps, ils se soutiendront mutuellement et développeront même des relations synergiques à mesure que les technologies requises progresseront et que les applications s’étendront. Certaines de ces applications sont bien comprises et déjà couramment mises en œuvre. D’autres cas d’utilisation sont des visions d’avenir qui nécessitent des données complètes – et donc des infrastructures de capture de données et de mise en réseau considérables – ainsi qu’une puissance de calcul et des modèles dont la mise en place prendra de nombreuses années.
De nombreux experts considèrent les mises à jour et les représentations en temps réel comme un élément essentiel des jumeaux numériques. Il ne fait aucun doute que les visualisations en temps réel élargissent le champ des applications. Les processus de fabrication flexibles, les opérations à distance, la surveillance des actifs et l’évaluation des performances nécessiteront des mises à jour en temps réel. Certaines de ces applications nécessiteront même une latence extrêmement faible pour permettre une utilisation sûre et efficace des outils et des systèmes.
Pour Nokia, leader des technologies de communication, les jumeaux numériques sont des passerelles entre le monde physique et le monde numérique. « Ils accumulent des données au fil du temps sur la structure d’un système, son fonctionnement et l’environnement dans lequel il opère, et ces données peuvent être utilisées pour créer de l’intelligence à l’aide de l’analyse, de la physique et de l’apprentissage automatique », explique l’entreprise. « Il devient donc possible d’interroger le jumeau numérique d’un système spécifique et de poser des questions sur ses performances et ses opérations passées et présentes, afin d’obtenir des alertes et des prédictions précoces et d’améliorer la productivité.
De préférence, ces jumeaux numériques présentent les changements apportés au système en temps réel, mais même une représentation et une visualisation différées peuvent s’avérer utiles, par exemple pour l’analyse des catastrophes ou les recherches scientifiques. Même les représentations statiques – si elles sont complètes et détaillées – peuvent fournir des applications utiles aux utilisateurs et aux décideurs.
L’histoire des jumeaux numériques
L’histoire des jumeaux numériques est plus ancienne qu’on ne le pense. La Nasa a développé l’idée d’un jumeau numérique dans les années 1960, après avoir créé un « modèle vivant » de la mission Apollo. Ce modèle a permis à l’équipe au sol d’analyser l’accident presque terminal d’Apollo 13 en 1970, que le film éponyme dépeint.
Les ingénieurs ont pu simuler ce qui s’était passé – l’explosion d’un réservoir d’oxygène – afin d’évaluer la défaillance et d’envisager des solutions potentielles pour aider l’équipage à rentrer chez lui sain et sauf. L’équipe a simulé les événements sur ordinateur, mais a également examiné un jumeau physique – une réplique du vaisseau spatial – pour explorer des solutions potentielles.
Selon la Nasa, ce « jumeau numérique » était le premier du genre, permettant une ingestion continue de données afin de modéliser les événements qui ont précédé l’accident en vue d’une analyse médico-légale et de l’exploration des prochaines étapes. L’agence continue d’améliorer les modèles numériques, les développements récents étant abordés dans Digital twins and living models at Nasa (Jumeaux numériques et modèles vivants à la Nasa).
L’agence souligne les avantages qui vont bien au-delà de la planification initiale et des évaluations d’urgence et met en avant la pertinence croissante des jumeaux numériques à mesure que les projets d’ingénierie et de construction augmentent en taille et en échelle. « L’importance des jumeaux numériques s’accroît à mesure que nous cherchons des alternatives pour la certification de structures si grandes qu’elles ne peuvent être entièrement évaluées dans les installations d’essai existantes et les systèmes autonomes qui ne sont pas déterministes », indique l’agence.
Un autre exemple est la série Microsoft Flight Simulator, qui a débuté au début des années 1980. Matthew Ball présente cette simulation comme un exemple précoce de métavers dans son livre The metaverse and how it will revolutionise everything (Le métavers et la façon dont il va tout révolutionner). Les versions plus récentes de Flight Simulator offrent des représentations de plus en plus réalistes et réelles de trajectoires de vol, de paysages et d’aéroports authentiques.
La relation entre les jumeaux numériques professionnels et les jumeaux numériques ludiques sera de plus en plus imbriquée. De manière réaliste, les utilisations industrielles et ludiques des jumeaux numériques s’influenceront mutuellement et finiront même par fusionner pour toute une série d’applications.
Les nombreux avantages des jumeaux numériques
Les répliques virtuelles de systèmes et de processus peuvent soutenir l’enseignement et l’apprentissage, guider la réflexion et améliorer la compréhension. Dans le domaine de l’éducation, les représentations de systèmes complexes sont déjà utilisées par les étudiants en médecine ou en ingénierie. Les simulations de processus permettent aux utilisateurs de comprendre la dynamique sous-jacente et de donner des indications sur les résultats. Cette capacité est l’une des raisons des efforts actuels pour développer des jumeaux numériques de la Terre afin d’étudier les effets du changement climatique et des projets.
La recherche et la modélisation bénéficieront de représentations de plus en plus précises, avec une granularité en constante amélioration. De tels modèles faciliteront les études biologiques pour la recherche sur les protéines et le développement de vaccins. Les représentations de l’anatomie humaine permettent aux médecins de préparer et de s’entraîner aux opérations chirurgicales et aux procédures en utilisant les données des patients et leur anatomie.
La combinaison de virtualisations réalistes de systèmes et de composants avec des outils de modélisation et de conception avancés offre de nouvelles possibilités aux développeurs de produits, aux concepteurs de systèmes et aux planificateurs de réseaux. Le prototypage deviendra un processus très efficace, les modifications du modèle étant possibles d’un simple clic de souris.
La collaboration des membres de l’équipe et des experts par-delà les fuseaux horaires est un autre avantage des objets dans le métavers. La documentation relative à l’avancement des travaux, par exemple dans le domaine de la construction, est presque un sous-produit du travail de conception et de planification en cours. Les produits de consommation, les composants de moteurs, les installations entières (y compris les opérations et la logistique connexes), les réseaux d’infrastructures tels que les artères de circulation et les réseaux d’égouts, et même des environnements urbains complets, trouveront leur reflet dans le domaine numérique. Ces jumeaux numériques pourront ensuite servir aux ingénieurs dans le monde réel.
« Libérés de la salle de dessin, les ingénieurs municipaux pourraient parcourir les rues avec des lunettes de réalité étendue », note Nishant Batra, directeur de la stratégie et de la technologie chez Nokia. « En regardant les intersections à travers cette lentille métavers, ils verraient immédiatement comment le déplacement d’un arrêt de bus ou l’ajout d’un feu de circulation aurait un impact sur le trafic. Les changements proposés seraient alors agrégés et téléchargés dans un jumeau numérique à l’échelle de la ville, avec lequel les planificateurs centraux pourraient interagir en réalité virtuelle. »
Au fur et à mesure de la création de jumeaux numériques, le nombre de cas d’utilisation augmentera, la modélisation des informations sur les bâtiments se combinant avec les données sur les machines de la chaîne de montage et les opérations logistiques, par exemple. À mesure que la quantité d’informations augmentera, l’utilisation des jumeaux numériques pour la prise de décision managériale deviendra la norme. Lorsque ces visualisations tiendront compte des flux de données en temps réel, des représentations vivantes verront le jour, permettant une surveillance continue, une maintenance prédictive et des ajustements instantanés des processus et des opérations. Des représentations plus sophistiquées des installations, voire des quartiers, aideront les planificateurs à faire progresser les objectifs de durabilité en étudiant les effets des nouvelles constructions sur l’environnement.
À l’instar de la manière dont la Nasa a examiné les événements d’Apollo 13, les jumeaux numériques peuvent contribuer à l’analyse des catastrophes et à la préparation des réparations, des évacuations et de tout ce qui peut s’avérer nécessaire. Les jumeaux numériques deviendront des outils de plus en plus cruciaux dans les situations où l’accès à la zone est difficile ou nécessite du temps. Les pipelines sous-marins, les zones sinistrées par un tremblement de terre ou les accidents industriels bénéficieront d’un accès instantané à des représentations tridimensionnelles, potentiellement à des données en temps réel et à des capacités de simulation.
En outre, l’analyse a posteriori des catastrophes en vue de la prévention future des accidents bénéficiera de l’introduction des données disponibles – telles que les boîtes noires des avions ou les capteurs de surveillance industrielle – dans les modèles en vue d’une étude plus approfondie. Les représentations numériques peuvent utiliser les progrès rapides de l’apprentissage automatique et de l’intelligence artificielle.
Un autre aspect crucial des jumeaux numériques est la facilité avec laquelle ils peuvent intégrer le large éventail de référentiels de données existants. Les opportunités qui émergeront lorsque ces jumeaux seront connectés seront considérables – le tout est plus grand que la somme de ses parties.
