Quand Intelligence Artificielle, Machine Learning et Big Data se rencontrent

Ces dernières années, le concept de jumeaux numériques (digital twins en anglais) s’est imposé comme un outil puissant dans divers secteurs, révolutionnant la manière dont les organisations conçoivent, exploitent et gèrent des systèmes complexes.

De l’astronomie aux Smart cities, les jumeaux numériques redessinent le paysage de l’innovation et favorisent l’efficacité, la productivité et la durabilité. Dans cet article, nous allons explorer les diverses applications des jumeaux numériques dans des secteurs clés et examiner comment ils transforment l’avenir de chaque secteur.

Des systèmes d'apprentissage fondés sur les données

La naissance du concept de jumeaux numériques

L’idée de la technologie des jumeaux numériques a été introduite pour la première fois en 1991 avec la publication de “Mirror Worlds” par David Gelernter. Toutefois, c’est en 2002 que Michael Grieves, alors professeur à l’université du Michigan, a appliqué pour la première fois le concept de jumeaux numériques à l’industrie, marquant ainsi l’annonce officielle du concept de jumeaux numériques.

Définition : c'est quoi concrètement un "double virtuel" ?

Un jumeau numérique est une réplique virtuelle ou une simulation d’un bien physique, d’un processus ou d’un système qui permet la surveillance à distance, l’analyse et l’optimisation en temps réel.

L’objet étudié est équipé de divers capteurs liés à des domaines vitaux de sa fonctionnalité. Ces capteurs génèrent des données sur plusieurs aspects des performances de l’objet physique. Ces données sont ensuite transmises à un système de traitement et appliquées à la copie numérique.

Une fois alimenté par ces données, le modèle virtuel peut être utilisé pour effectuer des simulations, étudier les problèmes de performance et générer des améliorations possibles, le tout dans le but de produire des informations précieuses – qui peuvent ensuite être appliquées à l’objet physique d’origine.

Le fonctionnement

Les jumeaux numériques intègrent l’intelligence artificielle (IA), l’apprentissage automatique (Machine Learning) et l’analyse des données massives (Big Data) afin de créer des modèles de simulation numérique qui se mettent à jour et changent à mesure que leurs contreparties physiques changent. La technologie des jumeaux numériques utilise des algorithmes de Machine Learning pour traiter les grandes quantités de données des capteurs et identifier des modèles. Cette convergence entre l’IA, le Machine Learning et les jumeaux numériques permet de créer des modèles numériques avancés qui sont capables de simuler et d’optimiser les processus industriels, tout en s’adaptant aux changements dans le monde physique.

Digital Twin as a Service (DTaas) : une approche rentable

Les jumeaux numériques en tant que service (Digital Twins as a Service, DTaas) sont un service basé sur le cloud qui permet aux organisations d’accéder aux capacités des jumeaux numériques sans avoir besoin d’un investissement initial important dans l’infrastructure ou l’expertise spécialisée.

Les DTaaS offrent généralement une gamme de fonctionnalités, y compris l’ingestion de données, la création de modèles, la simulation, l’analyse et la visualisation, permettant aux organisations de surveiller, d’analyser et d’optimiser leurs actifs ou leurs processus en temps réel.

En offrant des capacités de jumeaux numériques en tant que service, les fournisseurs de DTaaS permettent aux organisations de déployer rapidement des jumeaux numériques, de faire évoluer leurs opérations et d’accéder à des analyses et à des informations avancées sans avoir à gérer une infrastructure ou des logiciels complexes. Cette approche démocratise l’accès à la technologie des jumeaux numériques, la rendant plus accessible et plus abordable pour les organisations de toute taille et de tout secteur.

Similitudes

Jumeaux numériques ≠ Simulations

Bien que les jumeaux numériques et les simulations utilisent tous deux des modèles numériques pour reproduire les processus d’un système, ils diffèrent à plusieurs égards.

Un jumeau numérique est un environnement virtuel plus riche à étudier. Contrairement à une simulation, qui se concentre généralement sur un processus spécifique, un jumeau numérique peut exécuter une variété de simulations pour étudier plusieurs processus. Les jumeaux numériques bénéficient également de données en temps réel, ce qui n’est généralement pas le cas des simulations.

Grâce à des données de meilleure qualité, constamment mises à jour, et à la puissance de calcul supplémentaire d’un environnement virtuel, les jumeaux numériques peuvent étudier un large éventail de questions à partir de nombreux points de vue, offrant ainsi la possibilité d’améliorer les produits.

Comprendre la différence entre les jumeaux numériques et la réalité augmentée

Les jumeaux numériques et la réalité augmentée sont deux technologies qui impliquent la représentation numérique d’objets ou d’environnements physiques, mais elles ont des objectifs différents et fonctionnent de manière distincte.

Comme expliqué précédemment, les jumeaux numériques sont des répliques virtuelles d’actifs, de processus ou de systèmes physiques qui fournissent une simulation en temps réel de leur comportement et de leurs performances. Ils sont principalement utilisés pour la surveillance, l’analyse et l’optimisation dans des secteurs tels que la fabrication, les soins de santé et les transports.

D’autre part, la réalité augmentée superpose des informations numériques ou des éléments virtuels à l’environnement réel en temps réel, généralement à l’aide de dispositifs portables ou d’applications mobiles. La réalité augmentée améliore la perception de la réalité par l’utilisateur en ajoutant du contenu numérique, des fonctions interactives ou des informations contextuelles, ce qui permet des applications telles que les jeux, la navigation et la visualisation.

Alors que les jumeaux numériques se concentrent sur la création de répliques virtuelles pour la simulation et l’analyse, la réalité augmentée améliore la perception du monde physique par l’utilisateur grâce à des superpositions numériques pour des expériences interactives et immersives.

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Quels sont les différents types de digital twins ?

Les jumeaux numériques sont divisés en 4 niveaux, du plus bas au plus haut, en fonction du niveau d’intégration des données et des paramètres :

Jumeaux de composants
Jumeaux de produit
Jumeaux de système
Jumeaux de processus

Jumeaux de composants

Niveau 1 : Composants individuels

Les jumeaux de composants, également appelés jumeaux de pièces, est le niveau le plus bas de la technologie de jumelage numérique. Il représente les plus petits éléments du système, tels qu’une pièce spécifique de l’équipement ou du produit. La représentation virtuelle de ces composants intelligents permet de surveiller leurs performances et de simuler des conditions en temps réel pour tester leur endurance, leur stabilité et leur efficacité. Bien que ce type de jumeau numérique imite le schéma de fabrication à un niveau mineur, il permet d’améliorer la surveillance des pièces de l’équipement et leur maintenance en temps voulu, garantissant ainsi la stabilité du processus de production et la qualité du produit.

Jumeaux de produits (ou d'actifs)

Niveau 2 : Actifs physiques

Les jumeaux de produits sont des représentations virtuelles de produits ou d’actifs physiques. Ces jumeaux numériques sont utilisés tout au long du cycle de vie du produit, depuis la conception et le développement jusqu’à la fabrication, l’exploitation et la maintenance. En simulant le comportement et les performances des produits physiques, les jumeaux de produits permettent aux ingénieurs d’optimiser les conceptions, de prévoir les défaillances et d’améliorer la fiabilité. Ils facilitent également la maintenance prédictive et la surveillance de l’état des produits en fournissant des informations en temps réel sur la santé et les performances des actifs.

Jumeaux de systèmes

Niveau 3 : Systèmes/processus entiers

Les jumeaux de systèmes représentent des systèmes ou des écosystèmes entiers, englobant de multiples composants, processus et parties prenantes interconnectés. Ces jumeaux numériques offrent une vision holistique de systèmes complexes, tels que les villes intelligentes (Smart Cities en anglais), les réseaux de transports ou les réseaux d’énergie, permettant aux parties prenantes de surveiller les performances, d’analyser les interactions et d’optimiser l’allocation des ressources. En simulant différents scénarios et en modélisant la dynamique des systèmes, les jumeaux de systèmes soutiennent la planification stratégique, la gestion des risques et la résilience.

Jumeaux de processus

Niveau 4 : Processus de production complet

Les jumeaux de processus reproduisent le comportement et la dynamique de processus ou de systèmes complexes, tels que les processus de fabrication, les chaînes d’approvisionnement ou les opérations industrielles. Ces jumeaux numériques permettent aux organisations de simuler et d’optimiser les processus, d’identifier les goulets d’étranglement et d’améliorer l’efficacité. En intégrant des données provenant de capteurs, de dispositifs IoT (Internet of Things ou Internet des objets) et d’autres sources, les jumeaux de processus offrent une visibilité en temps réel sur les opérations, ce qui permet de réaliser des analyses prédictives et de prendre des décisions proactives.

Exemples d'application des jumeaux numériques dans les industries

Les jumeaux numériques permettent à l’ensemble des secteurs d’activités du monde industriel de récolter les informations nécessaires afin de pouvoir développer de nouvelles compétences et optimiser les prestations. Ils sont au cœur de la réinvention numérique du secteur industriel.

Astronomie : exploration du cosmos avec des observatoires virtuels

Dans le domaine de l’astronomie, les jumeaux numériques révolutionnent la façon dont les scientifiques étudient les objets et les phénomènes célestes. Les observatoires virtuels, équipés de simulations de télescopes, de satellites et d’instruments astronomiques, permettent aux astronomes de mener des expériences virtuelles, de simuler des observations et d’analyser des données en temps réel.

Les jumeaux numériques des télescopes reproduisent les mécanismes complexes et l’optique de leurs équivalents physiques, ce qui permet aux astronomes de tester différentes configurations, d’étalonner les instruments et d’optimiser les performances avant de procéder à des observations réelles. Les observatoires virtuels intègrent les données de plusieurs télescopes et capteurs, ce qui permet aux astronomes d’établir des corrélations entre les observations, de détecter des modèles inconnus dans l’immensité de l’espace.

De ce fait, les jumeaux numériques facilitent la collaboration entre les astronomes en fournissant une plateforme commune pour le partage des données, la réalisation d’expériences et la collaboration à des projets de recherche. Les observatoires virtuels permettent aux chercheurs du monde entier d’accéder aux données astronomiques et de les analyser, ce qui favorise l’émergence d’une communauté mondiale de scientifiques qui s’efforcent de mieux comprendre l’espace.

Automobile/transport : stimuler l'innovation grâce aux jumeaux numériques des véhicules

Dans l’industrie automobile et des transports, les jumeaux numériques transforment la façon dont les véhicules sont conçus, fabriqués et exploités. Les jumeaux numériques de véhicules, répliques virtuelles de voitures, de camions et d’autres moyens de transport, permettent aux ingénieurs de simuler les performances, d’effectuer des tests virtuels et d’optimiser les conceptions avant que les prototypes physiques ne soient construits.

Les jumeaux numériques des véhicules reproduisent les composants mécaniques, électriques et logiciels de leurs homologues physiques, ce qui permet aux ingénieurs d’analyser l’impact de différents facteurs tels que l’aérodynamique, l’efficacité énergétique et les dispositifs de sécurité sur les performances globales. En simulant divers scénarios et conditions de conduite, les ingénieurs peuvent identifier les problèmes potentiels, affiner la conception et améliorer la fiabilité et la sécurité des véhicules.

Les jumeaux numériques permettent une maintenance prédictive et une surveillance à distance de l’état des véhicules, ce qui permet aux opérateurs de flottes d’anticiper les besoins de maintenance, de minimiser les temps d’arrêt et d’optimiser l’utilisation des actifs. Les données en temps réel provenant des capteurs intégrés aux véhicules peuvent être introduites dans les modèles de jumeaux numériques, ce qui permet de programmer la maintenance de manière proactive et de prévenir les pannes coûteuses.

Également, grâce aux jumeaux numériques des systèmes de transport, tels que les systèmes de gestion du trafic et les réseaux de transports publics, les urbanistes et les agences de transport peuvent optimiser les infrastructures, réduire les embouteillages et améliorer la mobilité. En simulant les flux de circulation, en analysant les habitudes des usagers et en prédisant la demande, les jumeaux numériques permettent aux décideurs de mettre en œuvre des stratégies fondées sur des données pour améliorer les systèmes de transport urbain.

Télécommunications : des réseaux efficaces et une meilleure expérience client

Dans le secteur des télécommunications, les jumeaux numériques jouent un rôle essentiel dans l’optimisation des performances du réseau, l’amélioration de l’expérience client et l’efficacité des opérations.

Les entreprises de télécommunications utilisent des jumeaux numériques de réseau pour créer des répliques virtuelles de leur infrastructure, notamment des tours, des antennes, des commutateurs et des câbles. Ces jumeaux numériques simulent le comportement du réseau, les modèles de trafic et les mesures de performance, ce qui permet aux opérateurs d’identifier les points de blocage, de prévoir les besoins en capacité et d’optimiser l’allocation des ressources.

En intégrant des données en temps réel provenant d’éléments du réseau, de capteurs et d’interactions avec les clients, les jumeaux numériques du réseau fournissent aux opérateurs des informations exploitables sur la santé du réseau, ce qui permet une maintenance proactive, la prévision des pannes et le rétablissement du service.

Les jumeaux numériques des interactions et des expériences des clients, eux, permettent aux entreprises de télécommunications de personnaliser les services, d’anticiper les besoins des clients et d’améliorer leur satisfaction.

Globalement, l’utilisation des jumeaux numériques dans les télécommunications permet aux opérateurs de fournir des services fiables et de haute qualité tout en favorisant l’efficacité et l’innovation dans l’ensemble de l’écosystème du réseau.

Bâtiment : construire l'avenir avec le BIM

Dans le secteur du bâtiment, les jumeaux numériques, connus sous l’acronyme de BIM, Building Information Model (pouvant être traduit par Modélisation des informations du bâtiment), révolutionnent la manière dont les bâtiments et les projets d’infrastructure sont conçus, construits et gérés. Le BIM est une représentation numérique d’un bâtiment ou d’un projet d’infrastructure qui englobe la géométrie, les relations spatiales et d’autres données pertinentes.

Les jumeaux numériques des projets de construction permettent aux architectes, aux ingénieurs et aux entrepreneurs de collaborer plus efficacement, de visualiser les conceptions en 3D et d’identifier les conflits potentiels ou les erreurs avant le début de la construction. En simulant les processus de construction et en séquençant les activités, les modèles BIM permettent d’optimiser les calendriers des projets, de réduire les coûts et d’améliorer l’efficacité globale des projets.

Les jumeaux numériques facilitent la gestion et l’exploitation des installations en fournissant une base de données complète d’informations sur les bâtiments, y compris les plans d’exécution, les spécifications des équipements et les calendriers d’entretien. Les propriétaires et les exploitants de bâtiments peuvent utiliser les jumeaux numériques pour rationaliser les flux de travail de maintenance, suivre les performances des actifs et optimiser l’utilisation de l’énergie, ce qui permet de réduire les coûts d’exploitation et d’améliorer le confort des habitants.

Ainsi, les jumeaux numériques des équipements et des machines de construction permettent aux entrepreneurs de surveiller l’état des équipements, de suivre leur utilisation et d’optimiser la gestion de leur flotte. En intégrant des données en temps réel provenant de capteurs et d’appareils IoT, les entreprises du bâtiment peuvent améliorer la fiabilité des équipements, minimiser les temps d’arrêt et renforcer la sécurité sur les chantiers.

Santé : soins proactifs personnalisés pour les patients avec des jumeaux de santé numériques.

Villes intelligentes : optimiser les systèmes urbains avec des citywide digital twins

Dans les villes intelligentes ou Smart Cities, les jumeaux numériques, connus sous le nom de citywide digital twins, révolutionnent la planification urbaine, la gestion des infrastructures et la fourniture de services publics. Les jumeaux à l’échelle de la ville sont des répliques virtuelles de villes ou de zones urbaines entières, intégrant des données provenant de diverses sources telles que des capteurs, des dispositifs IoT et des bases de données municipales.

Les citywide digital twins permettent aux urbanistes et aux décideurs de visualiser les systèmes urbains, d’analyser les données et de simuler des scénarios afin d’éclairer la prise de décision et d’optimiser l’allocation des ressources. En modélisant les réseaux de transports, les réseaux énergétiques, les systèmes d’eau et d’autres infrastructures essentielles, les citywide digital twins aident à identifier les inefficacités, à anticiper les besoins futurs et à élaborer des stratégies de croissance durable.

Enfin, les jumeaux numériques facilitent l’engagement des citoyens et la planification participative en fournissant des plateformes interactives permettant aux habitants d’explorer les données urbaines, de fournir un retour d’information et de contribuer au développement de leurs communautés. En favorisant la transparence et la collaboration, les citywide digital twins permettent aux citoyens de jouer un rôle actif dans l’élaboration de l’avenir de leur ville. Ils favorisent ainsi la résilience et la préparation aux catastrophes en permettant aux responsables municipaux de simuler des scénarios d’urgence, d’évaluer les vulnérabilités et d’élaborer des stratégies d’atténuation. En modélisant l’impact des catastrophes naturelles, des pandémies et d’autres crises, les jumeaux numériques aident les villes à anticiper les risques, à coordonner les efforts de réponse et à renforcer la résilience face à l’adversité.