Un gemelo digital es un modelo digital de un producto, sistema o proceso físico del mundo real previsto o real (un gemelo físico ) que sirve como su contraparte digital efectivamente indistinguible para fines prácticos, como simulación , integración , pruebas , monitoreo y mantenimiento . [1] [2] [3]
Un gemelo digital es un conjunto de modelos adaptativos que emulan el comportamiento de un sistema físico en un sistema virtual, obteniendo datos en tiempo real para actualizarse a lo largo de su ciclo de vida. El gemelo digital replica el sistema físico para predecir fallas y oportunidades de cambio, para prescribir acciones en tiempo real para optimizar y/o mitigar eventos inesperados observando y evaluando el perfil operativo del sistema. [2] Aunque el concepto se originó antes (como un aspecto natural de la simulación por computadora en general), la primera definición práctica de un gemelo digital se originó en la NASA en un intento de mejorar la simulación del modelo físico de las naves espaciales en 2010. [4] Los gemelos digitales son el resultado de la mejora continua en el modelado y la ingeniería.
En las décadas de 2010 y 2020, las industrias manufactureras comenzaron a ir más allá de la definición de producto digital para extender el concepto de gemelo digital a todo el proceso de fabricación. Esto permite extender los beneficios de la virtualización a dominios como la gestión de inventario , incluida la fabricación eficiente , la prevención de accidentes de maquinaria, el diseño de herramientas, la resolución de problemas y el mantenimiento preventivo . Por lo tanto, el gemelo digital permite que la realidad extendida y la computación espacial se apliquen no solo al producto en sí, sino también a todos los procesos comerciales que contribuyen a su producción .
El primer gemelo digital, aunque no etiquetado como tal, surgió en la NASA durante la década de 1960 como un medio para modelar las misiones Apolo . La NASA utilizó simuladores para evaluar la falla de los tanques de oxígeno del Apolo 13. [5] La idea más amplia que se convirtió en el concepto de gemelo digital fue anticipada por el libro Mirror Worlds de David Gelernter de 1991. [6] [7] El concepto de gemelo digital, que se ha conocido con diferentes nombres (por ejemplo, gemelo virtual) , fue llamado por primera vez "gemelo digital" por Hernández y Hernández en 1997. [8] [9]
El concepto de gemelo digital consta de tres partes diferenciadas: el objeto o proceso físico y su entorno físico, la representación digital del objeto o proceso y el canal de comunicación entre las representaciones físicas y virtuales. Las conexiones entre la versión física y la versión digital incluyen flujos de información y datos que incluyen flujos de sensores físicos entre los objetos y entornos físicos y virtuales. La conexión de comunicación se denomina hilo digital.
El Consejo Internacional de Ingenieros de Sistemas (INCOSE) sostiene en su Libro de Conocimientos de Ingeniería de Sistemas (SEBoK) que: "Un gemelo digital es un concepto relacionado pero distinto a la ingeniería digital. El gemelo digital es un modelo de alta fidelidad del sistema que se puede utilizar para emular el sistema real". [10] La iniciativa de Estrategia de Ingeniería Digital del Departamento de Defensa de los EE. UU. , en evolución, formulada por primera vez en 2018, define un gemelo digital como "una simulación multifísica, multiescala y probabilística integrada de un sistema tal como está construido, habilitada por un hilo digital, que utiliza los mejores modelos disponibles, información de sensores y datos de entrada para reflejar y predecir actividades/rendimiento durante la vida útil de su gemelo físico correspondiente". [11]
Los gemelos digitales se dividen comúnmente en subtipos que a veces incluyen: prototipo de gemelo digital (DTP), instancia de gemelo digital (DTI) y agregado de gemelo digital (DTA). [12] El DTP consiste en los diseños, análisis y procesos que realizan un producto físico. El DTP existe antes de que haya un producto físico. El DTI es el gemelo digital de cada instancia individual del producto una vez que se fabrica. El DTI está vinculado con su contraparte física durante el resto de la vida de la contraparte física. El DTA es la agregación de DTI cuyos datos e información se pueden usar para la interrogación sobre el producto físico, los pronósticos y el aprendizaje. La información específica contenida en los gemelos digitales está impulsada por los casos de uso. El gemelo digital es una construcción lógica, lo que significa que los datos y la información reales pueden estar contenidos en otras aplicaciones.
Las tecnologías de gemelos digitales tienen ciertas características que las distinguen de otras tecnologías:
Una de las principales características de la tecnología de gemelos digitales es su conectividad. El reciente desarrollo de la Internet de las cosas (IoT) trae consigo numerosas tecnologías nuevas. El desarrollo de IoT también trae consigo el desarrollo de la tecnología de gemelos digitales. Esta tecnología muestra muchas características que tienen similitudes con el carácter de IoT, a saber, su naturaleza conectiva. En primer lugar, la tecnología permite la conectividad entre el componente físico y su contraparte digital. La base de los gemelos digitales se basa en esta conexión; sin ella, la tecnología de gemelos digitales no existiría. Como se describió en la sección anterior, esta conectividad se crea mediante sensores en el producto físico que obtienen datos e integran y comunican estos datos a través de varias tecnologías de integración. La tecnología de gemelos digitales permite una mayor conectividad entre organizaciones, productos y clientes. [13] Por ejemplo, la conectividad entre socios y clientes en una cadena de suministro se puede aumentar al permitir que los miembros de esta cadena de suministro verifiquen el gemelo digital de un producto o activo. Estos socios pueden luego verificar el estado de este producto simplemente verificando el gemelo digital.
La servitización es el proceso mediante el cual las organizaciones agregan valor a sus ofertas corporativas principales a través de servicios. [14] En el caso del ejemplo de los motores, la fabricación del motor es la oferta principal de esta organización, luego agregan valor al brindar un servicio de revisión del motor y ofrecer mantenimiento.
Los gemelos digitales pueden caracterizarse además como una tecnología digital que es a la vez consecuencia y facilitadora de la homogeneización de los datos. Debido a que ahora cualquier tipo de información o contenido puede almacenarse y transmitirse en la misma forma digital, se puede utilizar para crear una representación virtual del producto (en forma de gemelo digital), desacoplando así la información de su forma física. [15] Por lo tanto, la homogeneización de los datos y el desacoplamiento de la información de su artefacto físico han permitido la existencia de los gemelos digitales. Sin embargo, los gemelos digitales también permiten que cada vez más información sobre productos físicos se almacene digitalmente y se desacople del producto en sí. [16]
A medida que los datos se digitalizan cada vez más, se pueden transmitir, almacenar y computar de manera rápida y de bajo costo. [16] Según la ley de Moore , la potencia computacional seguirá aumentando exponencialmente en los próximos años, mientras que el costo de la computación disminuirá significativamente. Esto, por lo tanto, conduciría a menores costos marginales de desarrollo de gemelos digitales y haría que sea comparativamente mucho más barato probar, predecir y resolver problemas en representaciones virtuales en lugar de probar en modelos físicos y esperar a que los productos físicos se rompan antes de intervenir.
Otra consecuencia de la homogeneización y disociación de la información es que la experiencia del usuario converge. A medida que se digitaliza la información de los objetos físicos, un único artefacto puede tener múltiples posibilidades nuevas. [16] La tecnología de gemelos digitales permite compartir información detallada sobre un objeto físico con un mayor número de agentes, sin restricciones de ubicación física o tiempo. [17] En su informe técnico sobre la tecnología de gemelos digitales en la industria manufacturera, Michael Grieves señaló lo siguiente sobre las consecuencias de la homogeneización posibilitada por los gemelos digitales: [18]
En el pasado, los gerentes de fábrica tenían su oficina con vista a la fábrica para poder tener una idea de lo que estaba sucediendo allí. Con el gemelo digital, no solo el gerente de fábrica, sino todos los asociados con la producción de la fábrica podrían tener esa misma ventana virtual no solo para una sola fábrica, sino para todas las fábricas del mundo. (Grieves, 2014, p. 5)
Como se indicó anteriormente, un gemelo digital permite que un producto físico sea reprogramable de una determinada manera. Además, el gemelo digital también es reprogramable de manera automática, a través de los sensores del producto físico, tecnologías de inteligencia artificial y análisis predictivos . [19] Una consecuencia de esta naturaleza reprogramable es la aparición de funcionalidades. Si tomamos nuevamente el ejemplo de un motor, los gemelos digitales se pueden utilizar para recopilar datos sobre el rendimiento del motor y, si es necesario, ajustar el motor, creando una versión más nueva del producto. Además, la servitización también puede verse como una consecuencia de la naturaleza reprogramable. Los fabricantes pueden ser responsables de observar el gemelo digital, realizar ajustes o reprogramarlo cuando sea necesario y pueden ofrecer esto como un servicio adicional.
Otra característica que se puede observar es el hecho de que las tecnologías de gemelos digitales dejan rastros digitales. Estos rastros pueden ser utilizados por los ingenieros, por ejemplo, cuando una máquina falla para volver atrás y verificar los rastros del gemelo digital, para diagnosticar dónde ocurrió el problema. [20] Estos diagnósticos también pueden ser utilizados en el futuro por el fabricante de estas máquinas, para mejorar sus diseños de modo que estos mismos fallos ocurran con menos frecuencia en el futuro.
En el sentido de la industria manufacturera, la modularidad puede describirse como el diseño y la personalización de productos y módulos de producción. [21] Al agregar modularidad a los modelos de fabricación, los fabricantes obtienen la capacidad de ajustar los modelos y las máquinas. La tecnología de gemelos digitales permite a los fabricantes realizar un seguimiento de las máquinas que se utilizan y detectar posibles áreas de mejora en las máquinas. Cuando estas máquinas se hacen modulares, mediante el uso de la tecnología de gemelos digitales, los fabricantes pueden ver qué componentes hacen que la máquina funcione mal y reemplazarlos con componentes que se ajusten mejor para mejorar el proceso de fabricación.
Un ejemplo de gemelos digitales es el uso de modelado 3D para crear compañeros digitales para los objetos físicos. [22] [23] [24] [25] [26] Se puede utilizar para ver el estado del objeto físico real, lo que proporciona una forma de proyectar objetos físicos en el mundo digital. [27] Por ejemplo, cuando los sensores recopilan datos de un dispositivo conectado, los datos del sensor se pueden utilizar para actualizar una copia "gemela digital" del estado del dispositivo en tiempo real. [28] [29] [30] El término "sombra del dispositivo" también se utiliza para el concepto de gemelo digital. [31] El gemelo digital está destinado a ser una copia actualizada y precisa de las propiedades y estados del objeto físico, incluida la forma, la posición, el gesto, el estado y el movimiento. [32]
Un gemelo digital también se puede utilizar para la monitorización, el diagnóstico y el pronóstico con el fin de optimizar el rendimiento y la utilización de los activos. En este campo, los datos sensoriales se pueden combinar con datos históricos, la experiencia humana y el aprendizaje de la flota y la simulación para mejorar el resultado de los pronósticos. [33] Por lo tanto, los pronósticos complejos y las plataformas de sistemas de mantenimiento inteligentes pueden utilizar gemelos digitales para encontrar la causa raíz de los problemas y mejorar la productividad . [34]
También se han propuesto gemelos digitales de vehículos autónomos y sus conjuntos de sensores integrados en una simulación de tráfico y medio ambiente como un medio para superar los importantes desafíos de desarrollo, prueba y validación para la aplicación automotriz, [35] en particular cuando los algoritmos relacionados se basan en enfoques de inteligencia artificial que requieren amplios conjuntos de datos de entrenamiento y validación.
Los objetos físicos de fabricación se virtualizan y se representan como modelos gemelos digitales (avatares) integrados de manera fluida y estrecha tanto en el espacio físico como en el ciberespacio. [36] Los objetos físicos y los modelos gemelos interactúan de manera mutuamente beneficiosa.
El gemelo digital está alterando toda la gestión del ciclo de vida del producto (PLM), desde el diseño hasta la fabricación, el servicio y las operaciones. [37] Hoy en día [ ¿cuándo? ] , PLM consume mucho tiempo en términos de eficiencia, fabricación, inteligencia, fases de servicio y sostenibilidad en el diseño de productos. Un gemelo digital puede fusionar el espacio físico y virtual del producto. [38] El gemelo digital permite a las empresas tener una huella digital de todos sus productos, desde el diseño hasta el desarrollo y durante todo el ciclo de vida del producto. [39] [13] En términos generales, las industrias con negocios de fabricación se ven muy alteradas por los gemelos digitales. En el proceso de fabricación, el gemelo digital es como una réplica virtual de los sucesos en tiempo cercano en la fábrica. Se colocan miles de sensores a lo largo del proceso de fabricación física, todos recopilando datos de diferentes dimensiones, como las condiciones ambientales, las características de comportamiento de la máquina y el trabajo que se está realizando. Todos estos datos se comunican y recopilan continuamente por el gemelo digital. [39]
Se pueden lograr formas avanzadas de mantenimiento y gestión de productos y activos, ya que existe un gemelo digital de la "cosa" real con capacidades en tiempo real. [40]
Los gemelos digitales ofrecen una gran cantidad de potencial comercial al predecir el futuro en lugar de analizar el pasado del proceso de fabricación. [41] La representación de la realidad creada por los gemelos digitales permite a los fabricantes evolucionar hacia prácticas comerciales ex ante. [37] El futuro de la fabricación se basa en los siguientes cuatro aspectos: modularidad, autonomía, conectividad y gemelo digital. [21] A medida que hay una creciente digitalización en las etapas de un proceso de fabricación, se abren oportunidades para lograr una mayor productividad. Esto comienza con la modularidad y conduce a una mayor efectividad en el sistema de producción. Además, la autonomía permite que el sistema de producción responda a eventos inesperados de una manera eficiente e inteligente. Por último, la conectividad, como el Internet de las cosas , hace posible el cierre del ciclo de digitalización, permitiendo entonces optimizar el siguiente ciclo de diseño y promoción del producto para un mayor rendimiento. [21] Esto puede conducir a un aumento de la satisfacción y la lealtad del cliente cuando los productos pueden determinar un problema antes de que realmente se averíen. [37] Además, a medida que los costos de almacenamiento y computación se vuelven menos costosos, las formas en que se utilizan los gemelos digitales se están expandiendo. [39] Los desafíos de implementación, como la integración de datos , los desafíos organizacionales o de cumplimiento , pueden obstaculizar la implementación de gemelos digitales y sus beneficios. [42]
Los gemelos digitales están transformando la construcción al crear réplicas digitales dinámicas de activos físicos. Permiten el control de la salud, la evaluación de riesgos ergonómicos y el mantenimiento predictivo de estructuras como puentes y edificios históricos. Las aplicaciones también optimizan el rendimiento energético y de carbono de los edificios. Los estudios de casos, como el puerto de Weihai, destacan su éxito práctico. Los gemelos digitales se basan en arquitecturas de sistemas robustas y diseños personalizados basados en requisitos. Los modelos avanzados como LSTM permiten capacidades predictivas, aunque siguen existiendo desafíos en materia de integración y escalabilidad. [43]
Los gemelos digitales geográficos se han popularizado en la práctica de la planificación urbana, dado el creciente interés por la tecnología digital en el movimiento de las ciudades inteligentes . Estos gemelos digitales suelen proponerse en forma de plataformas interactivas para capturar y mostrar datos espaciales 3D y 4D en tiempo real con el fin de modelar entornos urbanos (ciudades) y las fuentes de datos dentro de ellos. [44]
Las tecnologías de visualización, como los sistemas de realidad aumentada (RA), se están utilizando como herramientas colaborativas para el diseño y la planificación en el entorno construido, integrando fuentes de datos de sensores integrados en las ciudades [45] y servicios API para formar gemelos digitales. Por ejemplo, la RA se puede utilizar para crear mapas de realidad aumentada, edificios y fuentes de datos proyectados sobre mesas para que los profesionales del entorno construido los vean en colaboración. [46]
En el entorno construido, en parte a través de la adopción de procesos de modelado de información de construcción (BIM), las actividades de planificación, diseño, construcción, operación y mantenimiento se están digitalizando cada vez más, y los gemelos digitales de los activos construidos se consideran una extensión lógica, a nivel de activos individuales y a nivel nacional. En el Reino Unido, en noviembre de 2018, por ejemplo, el Centro para la Construcción Digital de Gran Bretaña publicó The Gemini Principles [47] , en el que se describen los principios para guiar el desarrollo de un "gemelo digital nacional". [48]
Uno de los primeros ejemplos de un "gemelo digital" funcional se logró en 1996 durante la construcción de las instalaciones del Heathrow Express en la Terminal 1 del Aeropuerto de Heathrow . El consultor Mott MacDonald y el pionero de BIM Jonathan Ingram conectaron sensores de movimiento en el dique y los pozos de sondeo al modelo de objeto digital para mostrar los movimientos en el modelo. Se creó un objeto de lechado digital para monitorear los efectos del bombeo de lechado en la tierra para estabilizar los movimientos del terreno. [49]
Los gemelos digitales también se han propuesto como un método para reducir la necesidad de inspecciones visuales de edificios e infraestructura después de los terremotos mediante el uso de vehículos no tripulados para recopilar datos que se agregarán a un modelo virtual del área afectada. [50]
La atención médica es reconocida como una industria que está siendo alterada por la tecnología de gemelos digitales. [51] [38] El concepto de gemelo digital en la industria de la atención médica se propuso originalmente y se utilizó por primera vez en pronósticos de productos o equipos. [38] Con un gemelo digital, se pueden mejorar las vidas en términos de salud médica, deportes y educación al adoptar un enfoque de atención médica más basado en datos. La disponibilidad de tecnologías permite construir modelos personalizados para pacientes, continuamente ajustables en función de parámetros de salud y estilo de vida rastreados. Esto puede conducir en última instancia a un paciente virtual, con una descripción detallada del estado de salud de un paciente individual y no solo en registros anteriores. Además, el gemelo digital permite comparar los registros individuales con la población para encontrar patrones más fácilmente con gran detalle. [51] El mayor beneficio del gemelo digital en la industria de la atención médica es el hecho de que la atención médica se puede adaptar para anticipar las respuestas de los pacientes individuales. Los gemelos digitales no solo conducirán a mejores resoluciones al definir la salud de un paciente individual, sino que también cambiarán la imagen esperada de un paciente saludable. Anteriormente, "saludable" se veía como la ausencia de indicaciones de enfermedad. Ahora, los pacientes "sanos" pueden compararse con el resto de la población para definir realmente lo que es saludable. [51] Sin embargo, la aparición del gemelo digital en la atención sanitaria también trae consigo algunas desventajas. El gemelo digital puede conducir a la desigualdad, ya que la tecnología podría no ser accesible para todos, ampliando la brecha entre ricos y pobres. Además, el gemelo digital identificará patrones en una población que pueden conducir a la discriminación. [51] [52]
La industria automotriz ha mejorado gracias a la tecnología de gemelos digitales. Los gemelos digitales en la industria automotriz se implementan utilizando datos existentes para facilitar los procesos y reducir los costos marginales. Actualmente, los diseñadores de automóviles amplían la materialidad física existente incorporando capacidades digitales basadas en software. [16] Un ejemplo específico de la tecnología de gemelos digitales en la industria automotriz es cuando los ingenieros automotrices utilizan la tecnología de gemelos digitales en combinación con la herramienta analítica de la empresa para analizar cómo se conduce un automóvil específico. Al hacerlo, pueden sugerir la incorporación de nuevas características en el automóvil que puedan reducir los accidentes automovilísticos en la carretera, lo que anteriormente no era posible en un período de tiempo tan corto. [53] Los gemelos digitales se pueden construir no solo para vehículos individuales sino también para todo el sistema de movilidad, donde los humanos (por ejemplo, conductores, pasajeros, peatones), los vehículos (por ejemplo, vehículos conectados, vehículos conectados y automatizados) y el tráfico (por ejemplo, redes de tráfico, infraestructuras de tráfico) pueden buscar orientación de sus gemelos digitales implementados en servidores de borde/ nube para tomar decisiones en tiempo real. [54]
Esa tecnología permite a los fabricantes crear lo que David Gelernter, un científico informático pionero de la Universidad de Yale, imaginó hace más de dos décadas como "mundos espejo".