¿Qué es un gemelo digital?
Un gemelo digital es una representación virtual de un objeto o sistema diseñado para reflejar un objeto físico con precisión. Abarca el ciclo de vida del objeto, se actualiza a partir de datos en tiempo real y utiliza la simulación, el machine learning y el razonamiento para ayudar a tomar decisiones.
¿Cómo funciona un gemelo digital?
El objeto estudiado, por ejemplo, una turbina eólica, está equipado con varios sensores relacionados con áreas vitales de funcionalidad. Estos sensores producen datos sobre diferentes aspectos del rendimiento del objeto físico, como la producción de energía, la temperatura, las condiciones climáticas y más. El sistema de procesamiento recibe esta información y la aplica activamente a la copia digital.
Tras recibir los datos pertinentes, el modelo digital puede utilizarse para realizar diversas simulaciones, analizar problemas de rendimiento y crear posibles mejoras. El objetivo último es obtener conocimientos valiosos que puedan utilizarse para mejorar la entidad física original.
Gemelos digitales frente a simulaciones
Aunque tanto las simulaciones como los gemelos digitales utilizan modelos digitales para replicar los diversos procesos de un sistema, un gemelo digital es en realidad un entorno virtual, lo que lo hace considerablemente más rico para el estudio. La diferencia entre un gemelo digital y una simulación es en gran medida una cuestión de escala: mientras que una simulación generalmente estudia un proceso en particular, un gemelo digital puede ejecutar cualquier número de simulaciones útiles para estudiar múltiples procesos.
Esas no son todas las diferencias. Por ejemplo, las simulaciones no suelen beneficiarse de tener datos en tiempo real. Pero los gemelos digitales están diseñados en torno a un flujo de información bidireccional que se produce cuando los sensores de objetos proporcionan datos relevantes al procesador del sistema y luego vuelve a ocurrir cuando los conocimientos creados por el procesador se comparten con el objeto de origen original.
Al contar con datos mejores y constantemente actualizados relacionados con una amplia gama de áreas, combinados con la potencia informática adicional que acompaña a un entorno virtual, los gemelos digitales pueden estudiar más cuestiones desde muchos más puntos de vista que las simulaciones estándar, con un mayor potencial final para mejorar productos y procesos.
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Existen varios tipos de gemelos digitales en función del nivel de ampliación del producto. La mayor diferencia entre estos gemelos es el área de aplicación. Es común que coexistan diferentes tipos de gemelos digitales dentro de un sistema o proceso. Analicemos los tipos de gemelos digitales para conocer las diferencias y cómo se aplican.
Los componentes gemelos son la unidad básica de un gemelo digital, el ejemplo más pequeño de un componente funcional. Las partes gemelas son más o menos lo mismo, pero pertenecen a componentes de menor importancia.
Cuando dos o más componentes trabajan juntos, forman lo que se conoce como un activo. Los activos gemelos le permiten estudiar la interacción de esos componentes, creando una gran cantidad de datos de rendimiento que se pueden procesar y luego convertir en información procesable.
El siguiente nivel de aumento involucra sistemas o unidades gemelas, que le permiten ver cómo diferentes activos se unen para formar un sistema funcional completo. Los sistemas gemelos proporcionan visibilidad sobre la interacción de los activos y pueden sugerir mejoras de rendimiento.
Los gemelos de proceso, el nivel macro de ampliación, revelan cómo funcionan los sistemas juntos para crear una instalación de producción completa. ¿Están todos esos sistemas sincronizados para funcionar con la máxima eficiencia, o los retrasos en un sistema afectarán a otros? Los gemelos de proceso pueden ayudar a determinar los esquemas de tiempo precisos que, en última instancia, influyen en la eficacia general.
La idea de la tecnología de gemelos digitales surgió por primera vez en 1991, con la publicación de Mirror Worlds, de David Gelernter. Sin embargo, al Dr. Michael Grieves (en ese entonces profesor de la Universidad de Michigan) se le atribuye la primera aplicación del concepto de gemelos digitales a la fabricación en 2002 y el anuncio formal del concepto de software de gemelos digitales. Finalmente, John Vickers de la NASA introdujo un nuevo término: “gemelo digital”, en 2010.
Sin embargo, la idea central de usar un gemelo digital como medio para estudiar un objeto físico en realidad se puede presenciar mucho antes. De hecho, puede decirse con razón que la NASA fue pionera en el uso de la tecnología de gemelos digitales durante sus misiones de exploración espacial de la década de 1960, cuando cada nave espacial en viaje se replicaba exactamente en una versión terrestre que el personal de la NASA que formaba parte de las tripulaciones de vuelo utilizaba con fines de estudio y simulación.
Mejor R&D
El uso de gemelos digitales permite una investigación y un diseño más eficaces de los productos, gracias a la abundancia de datos creados sobre los resultados probables. Esa información puede conducir a conocimientos que ayuden a las empresas a realizar los refinamientos necesarios del producto antes de comenzar la producción.
Mayor eficiencia
Incluso después de que un nuevo producto haya entrado en producción, los gemelos digitales pueden ayudar a reflejar y supervisar los sistemas de producción, con la vista puesta en lograr y mantener la máxima eficiencia a lo largo de todo el proceso de fabricación.
Fin de vida útil del producto
Los gemelos digitales pueden incluso ayudar a los fabricantes a decidir qué hacer con los productos que llegan al final de su ciclo de vida y necesitan recibir un tratamiento final, a través del reciclaje u otras medidas. Al utilizar gemelos digitales, pueden determinar qué materiales del producto se pueden cosechar.
Aunque los gemelos digitales son apreciados por lo que ofrecen, su uso no está garantizado para todos los fabricantes ni para todos los productos creados. No todos los objetos son lo suficientemente complejos como para necesitar el flujo intenso y regular de datos de sensores que requieren los gemelos digitales. Tampoco merece la pena desde el punto de vista financiero invertir importantes recursos en la creación de un gemelo digital. (Tenga en cuenta que un gemelo digital es una réplica exacta de un objeto físico, lo que podría hacer que su creación sea costosa).
Por otra parte, numerosos tipos de proyectos se benefician específicamente del uso de modelos digitales:
- Proyectos físicamente grandes: los edificios, puentes y otras estructuras complejas están sujetos a estrictas reglas de ingeniería.
- Proyectos mecánicamente complejos: turbinas a reacción, automóviles y aviones. Los gemelos digitales pueden ayudar a mejorar la eficiencia dentro de maquinaria complicada y motores gigantescos.
- Equipos de potencia: esto incluye tanto los mecanismos de generación de energía como los de transmisión de la misma.
- Proyectos de fabricación: los gemelos digitales destacan por ayudar a optimizar la eficiencia de los procesos, como encontrará en los entornos industriales con sistemas de máquinas que funcionan conjuntamente.
Por lo tanto, las industrias que logran el mayor éxito con los gemelos digitales son aquellas involucradas con productos o proyectos a gran escala:
- Ingeniería (sistemas)
- Fabricación de automóviles
- Producción de aviones
- Diseño de vagones
- Construcción de edificios
- Fabricación
- Servicios eléctricos
Mercado de gemelos digitales: preparado para el crecimiento
La rápida expansión del mercado de gemelos digitales indica que, aunque los gemelos digitales ya están en uso en muchos sectores, la demanda de gemelos digitales continuará aumentando durante algún tiempo. En 2022, se proyectó que el mercado mundial de gemelos digitales alcanzara los 73,5 millones de USD en 20271.
El uso de gemelos digitales de extremo a extremo permite a los propietarios y operadores reducir el tiempo de inactividad de los equipos a la vez que aumentan la producción. Descubra una solución de gestión del ciclo de vida del servicio creada por IBM y Siemens.
Los gemelos digitales ya se utilizan ampliamente en las siguientes aplicaciones:
Los motores grandes, incluidos los motores a reacción, las locomotoras y las turbinas de generación de energía, se benefician enormemente del uso de los gemelos digitales, especialmente para ayudar a establecer los plazos de mantenimiento que se necesitan con regularidad.
Las grandes estructuras físicas, como los grandes edificios o las plataformas de perforación en alta mar, pueden mejorarse mediante gemelos digitales, especialmente durante su diseño. También es útil en el diseño de los sistemas que operan dentro de esas estructuras, como los sistemas HVAC.
Dado que los gemelos digitales están destinados a reflejar todo el ciclo de vida de un producto, no es de extrañar que los gemelos digitales se hayan vuelto omnipresentes en todas las etapas de fabricación, guiando los productos desde el diseño hasta el producto terminado, y todos los pasos intermedios.
Así como se pueden perfilar los productos mediante gemelos digitales, también pueden hacerlo los pacientes que reciben servicios sanitarios. El mismo tipo de sistema de datos generados por sensores se puede utilizar para realizar un seguimiento de varios indicadores de salud y generar información clave.
Los automóviles representan muchos tipos de sistemas complejos que funcionan conjuntamente, y los gemelos digitales se utilizan ampliamente en el diseño de automóviles, tanto para mejorar el rendimiento de los vehículos como para aumentar la eficiencia en torno a su producción.
Los ingenieros civiles y otras personas implicadas en actividades de planificación urbana se ven muy favorecidos por el uso de gemelos digitales, que pueden mostrar datos espaciales en 3D y 4D en tiempo real e incorporar también sistemas de realidad aumentada a los entornos construidos.
Se está produciendo un cambio fundamental en los modelos operativos existentes. Se está produciendo una reinvención digital en industrias intensivas en activos que están cambiando los modelos operativos de manera disruptiva, lo que requiere una visión física y digital integrada de los activos, equipos, instalaciones y procesos. Los gemelos digitales son una parte vital de esa realineación.
El futuro de los gemelos digitales es casi ilimitado porque cada vez se dedican más recursos cognitivos a su uso. Por lo tanto, los gemelos digitales aprenden constantemente nuevas habilidades y capacidades, lo que significa que pueden seguir generando los conocimientos necesarios para mejorar los productos y hacer que los procesos sean más eficientes.
En este artículo sobre la transformación de las operaciones de activos con gemelos digitales, descubra cómo el cambio afecta a su sector.
Recursos
Notas a pie de página
1Digital Twin Market by Enterprise, Application (Predictive Maintenance, Business optimization), Industry (Aerospace, Automotive & Transportation, Healthcare, Infrastructure, Energy & Utilities) and Geography (enlace externo a ibm.com). Global Forecast to 2027. Digital Twin Market. Junio de 2022