I digital twin si possono definire come un modello virtuale che replica il comportamento di una risorsa, di un sistema o di più sistemi esistenti o potenziali nel mondo reale. IoT Analytics definisce un gemello digitale come un modello virtuale che replica il comportamento di una risorsa, di un sistema o di più sistemi esistenti o potenziali nel mondo reale. In parole povere un gemello digitale è una replica virtuale o una rappresentazione di un oggetto, sistema o processo fisico.
di Sara Gonizzi Barsanti
Alle origini
Lo scopo di un gemello digitale è simulare e rispecchiare la risorsa del mondo reale, catturandone attributi, comportamento e prestazioni. Le sue origini risalgono al programma Apollo della NASA negli anni ’70, dove ha svolto un ruolo fondamentale nella famigerata missione Apollo 13. Durante questa missione critica, la navicella spaziale ha riscontrato un guasto meccanico che ha messo a repentaglio la vita degli astronauti a bordo. Per risolvere il problema, gli ingegneri della NASA si sono affidati a un gemello digitale per diagnosticare e risolvere il problema da remoto. Il gemello digitale fungeva da replica virtuale della navicella spaziale, consentendo agli ingegneri di simulare diversi scenari e testare potenziali soluzioni senza mettere ulteriormente a rischio gli astronauti. Monitorando e analizzando i dati in tempo reale provenienti dalla navicella spaziale fisica, il gemello digitale ha contribuito a guidare il processo decisionale e ha contribuito a riportare gli astronauti sani e salvi sulla Terra.
Da allora, la tecnologia del gemello digitale si è evoluta in modo significativo. Oggi si è espanso oltre l’industria aerospaziale e viene applicato in vari settori come l’industria manifatturiera, la sanità, le città intelligenti e altro ancora. Un gemello digitale viene ora utilizzato per simulare e prevedere le prestazioni, eseguire test virtuali e facilitare le simulazioni di scenari. Forniscono informazioni preziose per miglioramenti di progettazione, manutenzione predittiva e ottimizzazione operativa. Con l’integrazione di sensori, analisi dei dati e intelligenza artificiale, i gemelli digitali sono diventati potenti strumenti per migliorare l’efficienza, la produttività e il processo decisionale in vari settori.
Il Digital Twin sul mercato
il mercato globale dei digital twin era valutato a 3,21 miliardi di dollari nel 2020 e si prevede che crescerà fino a 184,5 miliardi di dollari entro il 2030. Deloitte prevede una crescita del 38% annuo, raggiungendo i 16 miliardi di dollari entro il 2023. Il Digital Twin Market Report 2023-2027 di IoT Analytics indica una crescita del 71% tra il 2020 e il 2022, con il 63% dei produttori che sta sviluppando o ha in programma di sviluppare un digital twin.
I giganti della tecnologia, come NVIDIA, stanno investendo considerevolmente nei digital twin per incrementare l’uso industriale dei loro servizi cloud. Alla conferenza GTC di NVIDIA nel settembre 2022, sono state presentate nuove funzionalità del digital twin come parte della piattaforma Omniverse.
Nel settore delle startup, gli edifici intelligenti sono un caso d’uso principale per il software di gemello digitale. Disperse e Modulous hanno raccolto rispettivamente 16,0 milioni e 12,0 milioni di dollari nella seconda metà del 2022, concentrandosi sull’analisi degli edifici e sui gemelli digitali dei cantieri. Cupix ha ottenuto 13,7 milioni di dollari in un round di serie C nello stesso periodo. Nel 2023, VEERUM, focalizzata sulla gestione digitalizzata delle infrastrutture, ha raccolto 9,3 milioni di dollari in un round di capitale di rischio a marzo.
I gemelli digitali offrono capacità di simulazione avanzate per replicare sia singoli elementi complessi che sistemi su larga scala. Pur condividendo l’obiettivo di ricreare digitalmente entità del mondo reale, ogni tipo di gemello digitale ha uno scopo unico e funzionalità distinte.
I gemelli digitali si possono raggruppare in 4 tipologie
- Componenti gemelli: sono repliche digitali di prodotti o componenti di sistema specifici, che permettono a sviluppatori e ingegneri di progettare e analizzare virtualmente singoli elementi, come parti meccaniche o componenti elettronici. Simulando comportamento, prestazioni e interazioni, le organizzazioni possono ottimizzare la progettazione, prevedere esigenze di manutenzione e migliorare l’affidabilità del prodotto.
- Asset gemelli: rappresentano interi oggetti fisici o risorse in forma digitale, come macchine, edifici o strutture. Offrono una visione completa del ciclo di vita di una risorsa, dal suo inizio allo smantellamento. Gli asset gemelli permettono il monitoraggio e la gestione remota delle risorse, monitorando le prestazioni e supportando decisioni informate su manutenzione, efficienza e gestione del ciclo di vita. Sono utili per asset complessi come macchinari industriali, edifici o infrastrutture.
- System Twin: sono modelli digitali di sistemi interconnessi, come reti elettriche, reti di trasporto o città intelligenti. Integrano dati da più fonti, inclusi sensori e dispositivi IoT, creando una visione olistica del comportamento del sistema. Consentono il monitoraggio in tempo reale, la manutenzione predittiva e l’ottimizzazione delle prestazioni del sistema. Aiutano le aziende a garantire stabilità operativa e migliorare la resilienza delle infrastrutture critiche.
- Process Twins: si concentrano sulle rappresentazioni digitali dei processi o flussi di lavoro end-to-end all’interno di un’organizzazione. Catturano e simulano il flusso di informazioni, materiali e attività coinvolti in un processo specifico, permettendo di identificare colli di bottiglia, ottimizzare l’allocazione delle risorse e migliorare l’efficienza del processo. Sono vantaggiosi per settori come la logistica, la gestione della supply chain o l’assistenza sanitaria, dove la semplificazione dei processi complessi può portare a risparmi sui costi e miglioramenti operativi.
Non tutti i gemelli digitali sono uguali: le possibili applicazioni
Ogni progetto di gemello digitale è distinto in termini di sofisticazione, fase del ciclo di vita a cui si rivolge e utilizzo. È importante rendersi conto che non esiste un utilizzo migliore o univoco per i gemelli digitali, dipende dall’obiettivo finale. Per alcune applicazioni di gemelli digitali, la simulazione può essere l’utilizzo chiave, ad esempio, quando si desidera testare scenari “what-if”. In altre applicazioni, l’emulazione può essere l’uso chiave, ad esempio, quando si controllano gli errori di configurazione o quando si addestrano gli operatori. Per altre ancora, la previsione è l’utilizzo chiave, ad esempio, quando si stimano le prestazioni future.
Per comprendere meglio l’ampia gamma di possibili applicazioni dei gemelli digitali, un possibile approccio di classificazione è chiamato “? ??”. Adottato da Jeff Winter, direttore senior della strategia industriale e della produzione presso Hitachi Solutions, copre quasi tutti i casi d’uso dei gemelli digitali industriali:
Part digital twin
Rappresentazione digitale di componenti o singole parti, solitamente per comprenderne le caratteristiche fisiche, meccaniche ed elettriche. Ciò consente alle aziende di monitorare, analizzare e prevedere le prestazioni e l’integrità di quella parte specifica, ottimizzando i programmi di manutenzione e allungandone il ciclo di vita.
Product digital twin
Rappresentazione digitale dell’interoperabilità di componenti o parti mentre lavorano insieme come parte di un prodotto. Ciò consente alle aziende di simulare e testare il comportamento del prodotto in varie condizioni, migliorando la progettazione, garantendo la qualità e accelerando il time-to-market.
Plant Digital Twin
Rappresentazione digitale di un impianto, struttura o sistema per comprendere come le risorse interagiscono a livello operativo. Ciò consente alle aziende di migliorare l’efficienza operativa, ridurre i tempi di inattività e ottimizzare i processi di produzione attraverso approfondimenti in tempo reale e analisi predittive.
Process Digital Twin
Rappresentazione digitale di un processo o flusso di lavoro specifico in un sistema o struttura. Ciò aiuta le aziende a perfezionare e ottimizzare i processi, identificare le inefficienze e garantire operazioni più fluide ed economicamente vantaggiose.
Person Digital Twin
Rappresentazione digitale di una persona per catturarne i movimenti, le abitudini, le interazioni, le abilità, le conoscenze e le preferenze. Ciò aiuta le aziende a ottenere informazioni dettagliate sui modelli di flusso di lavoro, sui modelli di fatica e sui problemi di sicurezza, garantendo una maggiore produttività e riducendo gli infortuni sul posto di lavoro.
Poiché la tecnologia continua ad evolversi e a diventare sempre più sofisticata, le aziende possono aspettarsi opportunità ancora maggiori di ottimizzazione, personalizzazione e innovazione.
I trend del futuro
Guardando al futuro, ci sono diverse tendenze che influenzeranno lo sviluppo e l’applicazione della tecnologia dei gemelli digitali.
Una tendenza significativa è l’integrazione del digital twin con altre tecnologie dell’Industria 4.0, come l’intelligenza artificiale e l’Internet of Things. Questo consente alle aziende di identificare inefficienze nei processi e apportare miglioramenti.
Un’altra tendenza importante è l’uso crescente dei gemelli digitali nel settore sanitario. Grazie alla capacità di simulare organi e prevedere la progressione delle malattie, i gemelli digitali hanno un grande potenziale nello sviluppo di farmaci e nella medicina personalizzata. In futuro, potremmo vedere gemelli digitali per singoli pazienti, facilitando diagnosi e trattamenti.
Nel contesto delle città intelligenti, la tecnologia dei gemelli digitali sarà cruciale. Creando gemelli digitali di città intere, gli urbanisti potranno simulare gli effetti delle decisioni politiche e allocare le risorse in modo più efficiente e sostenibile, migliorando la qualità della vita dei residenti.
Emergeranno anche gemelli virtuali, rappresentazioni digitali così accurate da poter sostituire gli oggetti fisici stessi. Questo avrà implicazioni significative in settori come l’aerospaziale e l’automobilistico, dove i costi dei prototipi fisici sono elevati.
Infine, l’integrazione della tecnologia dei gemelli digitali con apprendimento automatico, intelligenza artificiale e blockchain sarà un’area chiave di innovazione. Queste tecnologie permetteranno ai gemelli digitali di fare previsioni più accurate e identificare modelli nei dati, ottimizzando ulteriormente i processi aziendali, riducendo sprechi, aumentando l’efficienza e migliorando la qualità dei prodotti.
Le tendenze nel mercato dei gemelli digitali
Le tendenze del mercato dei gemelli digitali possono invece essere raggruppate in:
Gemelli digitali utilizzati per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità
Per raggiungere i propri obiettivi di sostenibilità, molte aziende stanno esplorando i gemelli digitali. Grazie alla loro capacità di simulare le condizioni del mondo reale e fornire informazioni in tempo reale, le organizzazioni possono ottimizzare l’utilizzo delle risorse, riducendo le emissioni di carbonio e migliorando le reti di fornitura e trasporto. Secondo il rapporto sui digital twin del 2022 del Capgemini Research Institute, il 57% delle organizzazioni concorda sul fatto che uno dei fattori chiave per gli investimenti sui digital twin è il miglioramento della sostenibilità, mentre il 51% concorda sul fatto che i digital twin aiuterebbero a raggiungere gli obiettivi di sostenibilità ambientale della propria organizzazione.
Esempio: Aden, un fornitore cinese di servizi per strutture integrate, ha creato un gemello digitale per uno dei suoi centri commerciali a Chengdu, in Cina. Il gemello digitale è stato progettato per aiutare i gestori delle strutture a ispezionare, mantenere e riparare le risorse dell’edificio. Le simulazioni 3D aiutano i gestori delle strutture a visualizzare, prevedere e ottimizzare il consumo energetico e i vantaggi attesi includono un minor consumo energetico annuale, utilizzo di acqua e rifiuti.
Gemelli digitali utilizzati come sensori virtuali in condizioni complesse
I sensori virtuali approssimano i dati che altrimenti non potrebbero essere ottenuti tramite sensori fisici, spesso perché i sensori fisici sono poco pratici, costosi o pericolosi da utilizzare. Le aziende stanno ora costruendo gemelli digitali per modellare l’hardware e calcolare i dati in base ad altre condizioni. Ciò non solo consente la raccolta di dati da apparecchiature complesse, ma consente anche agli operatori di monitorare le prestazioni delle apparecchiature e prevedere la manutenzione e i tempi di inattività.
Esempio: nelle applicazioni con motori di grandi dimensioni, gli operatori devono monitorarne le temperature, soprattutto se i motori sono ad alta potenza e avviati ripetutamente. Se un motore fosse troppo caldo durante il riavvio, i componenti potrebbero causare gravi danni. Sfortunatamente, l’utilizzo di un sensore fisico diretto all’interno di un motore è spesso poco pratico e gli operatori devono lavorare partendo da un tempo presunto necessario affinché il motore si raffreddi (con un ulteriore tempo di buffer di sicurezza). Ciò significa che i motori possono rimanere inattivi più a lungo del necessario, incidendo negativamente sull’efficienza e sui ricavi. Per risolvere questo problema, Siemens ha sviluppato un prototipo di sensore virtuale basato su un gemello digitale. Offre una simulazione di come funzionerebbe un sensore fisico se fosse possibile installarlo all’interno di un motore. Utilizzando le cuffie AR, gli operatori possono vedere una simulazione del motore e del suo interno con un dimostratore sovrapposto e possono vedere la temperatura del motore.
Partnership create nel cloud: gli hyperscaler collaborano con specialisti OT e di simulazione
Negli ultimi anni, hyperscaler cloud come AWS e Microsoft Azure hanno introdotto piattaforme di digital twin, come AWS IoT TwinMaker e Azure Digital Twins, per interconnettere varie origini dati e creare topologie di digital twin. Tuttavia, queste aziende collaborano con società OT e di simulazione per aggiungere funzionalità di gestione dei dati industriali e connessioni a risorse fisiche locali.
Collaborando con gli hyperscaler, le aziende OT possono raggiungere un pubblico più ampio e offrire vantaggi del cloud come storage e potenza di calcolo. Nel 2021, Siemens e AWS hanno ampliato la loro partnership, concentrandosi sulla tecnologia dei gemelli digitali, con l’obiettivo di accelerare l’adozione di Siemens Xcelerator e democratizzare le soluzioni di gemelli digitali utilizzando AWS IoT TwinMaker.
Le società di simulazione apportano competenze nella creazione di modelli accurati di entità fisiche. Collaborando con un hyperscaler, possono sfruttare l’archiviazione dei dati e la potenza computazionale dei servizi cloud per creare data twin più robusti e reattivi, integrabili in ecosistemi IT più ampi. Nel 2023, Ansys e Microsoft hanno annunciato una partnership per supportare la creazione di gemelli digitali su larga scala. In collaborazione con Tata Consultancy Services, Ansys e Microsoft hanno integrato le funzionalità di simulazione di Twin Builder di Ansys con Azure Digital Twin e dati IoT, permettendo agli utenti di eseguire scenari e ottenere previsioni sul comportamento dei loro sistemi.
Iniziative che promuovono l’interoperabilità dei gemelli digitali tra sistemi di diversi fornitori
L’accordo sugli standard di integrazione tra i vari fornitori di tecnologia del gemello digitale è fondamentale per costruire gemelli digitali tra sistemi. Con gli standard, i produttori possono offrire servizi che possono essere applicati a situazioni uniche con altre tecnologie e software di digital twin.
Blockchain per sicurezza e privacy
La crescente adozione dei gemelli digitali richiederà maggiore attenzione alla sicurezza e alla privacy. Le aziende dovranno proteggere i loro gemelli digitali dagli attacchi informatici e garantire la sicurezza dei dati raccolti. Questa sfida è cruciale per l’adozione completa della tecnologia da parte dell’industria e della società. La blockchain può supportare la sicurezza e la privacy dei gemelli digitali, creando reti sicure e decentralizzate per l’archiviazione e la condivisione dei dati, proteggendo così da attacchi informatici e accessi non autorizzati.
L’integrazione di tecnologie avanzate nei gemelli digitali permetterà simulazioni più accurate e migliori informazioni sulle prestazioni operative, portando a processi più efficienti, prodotti migliori e un futuro più sostenibile per l’industria e la società. Le aziende che investono nella tecnologia del gemello digitale saranno ben posizionate per avere successo.
L’Industria 4.0 rappresenta una nuova era della rivoluzione industriale, con rapidi progressi nella connettività, nella mobilità, nell’intelligenza artificiale e nel machine learning, che stanno trasformando il panorama aziendale. Tuttavia, questo progresso comporta rischi associati a sistemi complessi e automatizzati, che richiedono affidabilità e stabilità incrollabili. I costi di implementazione delle soluzioni IoT possono essere significativi, con investimenti rilevanti. In questo contesto, le organizzazioni si concentrano sulla riduzione degli errori e sull’ottimizzazione dei processi di creazione e distribuzione della tecnologia, dove i gemelli digitali emergono come una soluzione chiave.
In conclusione
I gemelli digitali stanno avanzando sempre più poiché le aziende cercano nuovi modi per sfruttare i dati nell’ecosistema aziendale. Con l’evoluzione della tecnologia di connettività, probabilmente vedremo emergere innovazioni in questo panorama.
Ad esempio, il 5G e il cloud computing edge-based potrebbero consentire anche alle imprese più piccole di sfruttare appieno la tecnologia del gemello digitale. Nell’era della trasformazione digitale, la giusta tecnologia gemella potrebbe influenzare ogni parte del nostro mondo.
Mentre ci troviamo al crocevia dell’Industria 4.0, un’onda di trasformazione alimentata dal progresso incessante della connettività, della mobilità, dell’intelligenza artificiale e dell’apprendimento automatico. Il paradigma del settore sta subendo un cambiamento radicale.
In questa rapida evoluzione, la richiesta di affidabilità e stabilità incrollabili nei sistemi complessi e automatizzati è più pressante che mai. Sebbene prometta progressi senza precedenti, l’integrazione delle soluzioni Internet of Things (IoT) rappresenta una sfida finanziaria formidabile.
Le organizzazioni si trovano all’intersezione tra innovazione e responsabilità fiscale, alla ricerca di modi per ridurre al minimo gli errori e ottimizzare la creazione e la distribuzione della tecnologia.
Entra nel regno dei gemelli digitali: un faro di promesse in questo panorama ad alto rischio.
In conclusione, il futuro dei gemelli digitali non è solo un’evoluzione tecnologica; è un viaggio in un regno in cui convergono innovazione, responsabilità e sostenibilità.
Mentre esploriamo questo panorama di tendenze e innovazioni emergenti, diventiamo architetti di un futuro in cui i gemelli digitali aprono la strada a un mondo più connesso, efficiente e attento all’ambiente.
Il campo è vasto, le possibilità infinite e la responsabilità grande. L’odissea del gemello digitale è appena iniziata.
