Lo que necesitas saber sobre los gemelos digitales

gemelos digitales

ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE LOS GEMELOS DIGITALES

El concepto de gemelo digital ha sido calificado por Gartner como una de las más importantes tendencias estratégicas en el campo de la tecnología de 2019, con multitud de aplicaciones:

  • Herramientas de riesgo y operabilidad (HAZOP) y puesta en marcha virtual: estudios de probabilidad y riesgos
  • Monitorización y optimización de la producción
  • Mantenimiento predictivo
  • Gestión de la calidad
  • Optimización de inventario y optimización de la cadena de suministro
  • Monitorización del producto
  • Desarrollo de productos

Se han publicado algunos estudios sobre el tema, pero pocas referencias o ejemplos establecidos.

¿Qué entendemos por un gemelo digital?

Un gemelo digital es un modelo capaz de reproducir el estado y el comportamiento de un producto o un proceso físico en tiempo casi real. Esta es la tecnología que han adoptado Airbus para fabricar su A-320, McLaren para optimizar su Formula 1 para la competición y Masseratti para el diseño de sus nuevos modelos.

¿Cuáles son los componentes de un gemelo digital?

Tiene tres componentes básicos:

  • SIMULACIÓN digital (modelización): un modelo que defina el sistema.
  • Automatización inteligente y sensores conectados al Internet de las cosas (IoT): para la interrelación entre el sistema real y el modelo a través de dispositivos con IoT
  • Analítica de MACRODATOSIA: capa para explotar los datos generados por el modelo

Otro factor importante es la avanzada interfaz hombre-máquina que incorpora principalmente dos tecnologías:

  • Realidad virtual y realidad aumentada (VR/AR)
  • Diseño 3D asistido por ordenador (CAD)

En cuanto a la clasificación de los gemelos digitales, existen dos enfoques posibles. El primero distingue tres tipos de gemelo digital:

Basado en ecuaciones (primeros principios): Un gemelo digital cuyo desarrollo se basa en modelos y que utiliza ecuaciones para describir el comportamiento de los sistemas industriales.

  • Basado en datos(estadísticas, ML, caja negra): El comportamiento del sistema apenas se observa durante la fase de ingeniería. Durante el proceso de producción, sin embargo, empiezan a estar disponibles datos que permiten la creación de un gemelo digital a partir de estos datos. 
  • Híbrido (modelos reducidos): A menudo es imposible simular todo el comportamiento físico de un sistema en tiempo real, por lo que deben utilizarse modelos reducidos.

Asimismo, la clasificación más común depende del tipo de proceso que se desea virtualizar. Hablamos, en ese caso, de

  • Proceso continuo (y por lotes): por ejemplo, en las plantas petrolíferas o gasistas, para el cual se realizan modelos mediante ecuaciones diferenciales y algebraicas.
  • Sistema discreto: por ejemplo, una planta embotelladora, en la que la modelización puede realizarse sobre eventos discretos, agentes o dinámica del sistema.

¿Cómo puede utilizarse la inteligencia artificial en los gemelos digitales?

Tradicionalmente, se han utilizado técnicas de aprendizaje automático para la realización de estas actividades:

  • Producir datos sintéticos para técnicas de aprendizaje automático que resuelvan problemas de mantenimiento predictivo.
  • Validación y conciliación de datos
  • Identificación de valores atípicos y anomalías en datos.
  • Fallos en equipos o sensores

Pero otros enfoques en materia de inteligencia artificial están ya listos para adquirir relevancia en el futuro:

  • Los sistemas de producción están integrados en las organizaciones. Se introduce así el concepto de gemelo digital de la organización (DTO), que nos permite analizar y optimizar un producto, un servicio o un proceso en un contexto digital para replicar lo que funciona o abordar cuestiones antes de que se conviertan en problemas en el mundo real. La minería de procesos podría convertirse en un enfoque basado en datos para la creación de un DTO.
  • Además, los gemelos digitales pueden también utilizarse en unión del concepto de aprendizaje reforzado, para adquirir conocimiento sobre el proceso y, por tanto, llevarlo a su valor de control óptimo.

En suma, para crear gemelos digitales deben combinarse conocimiento de la materia, modelos y sobrecarga computacional y asegurar una capacidad total de mantenimiento a lo largo de todo el ciclo de vida de su gemelo físico. Debe también tenerse en cuenta aquí que, para asegurar la mantenibilidad, debe disponer de un modelo que pueda ser utilizado, calibrado y validado con respecto al comportamiento observado.

 

Autores: Nuria Gómez Rojo
Pedro José Hernández Ariznavarreta

Las opiniones vertidas por el autor son enteramente suyas y no siempre representan la opinión de GMV
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