Perspectives de Capgemini : Jumeaux numériques

Refléter le monde réel pour une performance meilleure et durable

par Corinne Jouanny, Chief Presales & Innovation Scaling Officer et Christophe Vidal, Head of Digital Manufacturing, Capgemini Engineering

La cité-État de Singapour a poussé la technologie logistique à un niveau très avancé. Les autorités municipales peuvent consulter un modèle dynamique afin de planifier des itinéraires d’évacuation d’urgence ou de décider où installer des panneaux solaires ; elles peuvent guider le trafic à l’aide d’entrées en temps réel ; et peuvent même identifier les épidémies probables de dengue en mesurant la densité de personnes ayant été piquées par les moustiques porteurs de la maladie. Tout cela grâce à Virtual Singapore, le jumeau numérique 3D de la ville.[1]

Des technologies telles que l’IA, la 5G et le cloud ont permis le développement d’un réseau plus intelligent qui connecte les produits, les processus, les services et les systèmes. Le concept de jumeau numérique a un fort potentiel pour accélérer cette transformation dans de multiples secteurs. Les avantages qu’il offre aux organisations vont d’une efficacité accrue et d’un impact environnemental accru sur le cycle de vie à une plus grande fiabilité et des économies de coûts.

Modéliser l’environnement moderne

Un jumeau numérique est une réplique virtuelle d’un produit, d’un système ou d’un processus physique. La version numérique peut être utilisée pour surveiller, contrôler et optimiser tous les aspects de son jumeau physique – à travers les écosystèmes internes et externes et ce, au fil du temps.

Un jumeau numérique n’est pas seulement une simulation, un modèle informatique ou une interface utilisateur graphique. Les principales caractéristiques d’un jumeau numérique sont :

  • L’existence d’un produit, d’un système ou d’un processus physique sur lequel repose son homologue numérique
  • La connectivité et le flux d’informations entre entités physiques et numériques
  • La capacité de l’entité virtuelle à stocker et tracer des données via un réseau ou un système
  • La synchronisation périodique ou quasi-temps réel des états des jumeaux physiques et virtuels
  • La capacité du jumeau virtuel à simuler l’entité physique, ses caractéristiques et ses performances
  • La capacité du jumeau virtuel à prédire les caractéristiques de son homologue physique et à prescrire des caractéristiques pour le rendre plus efficace
  • La capacité du jumeau virtuel à surveiller, maintenir et optimiser les opérations du jumeau physique.

Cette combinaison de caractéristiques communes est ce qui rend le développement d’un jumeau numérique utile dans un certain nombre d’industries.

Système de systèmes des jumeaux numériques

Un jumeau numérique, dans sa forme la plus simple, est le double d’une seule unité d’équipement, comme un bras robotique (niveau unitaire). Les organisations peuvent également créer un système connecté de tels jumeaux numériques individuels, augmentant ainsi les gains d’efficacité des unités individuelles à un niveau systémique plus large. Par exemple, les jumeaux numériques de plusieurs bras ou machines robotiques peuvent être combinés pour créer le jumeau numérique d’une ligne de production (niveau système). Poussant l’idée un peu plus loin, les jumeaux numériques de plusieurs de ces lignes de production peuvent être utilisés pour créer le jumeau numérique d’une usine ou même de plusieurs usines faisant partie d’une chaîne d’approvisionnement partagée (niveau système de systèmes). À un niveau supérieur se trouve encore le concept de jumeau numérique à l’échelle d’une ville ou même d’une nation, dont « Virtual Singapore » est l’exemple le plus proéminent, mais ne sera sûrement pas le dernier.

Des jumeaux numériques pour la durabilité

L’industrie intelligente permet aux organisations d’être économiquement rentables tout en étant respectueuses de l’environnement. Alors que les organisations se concentrent aujourd’hui sur la réduction des émissions de carbone dans leurs opérations, ce n’est que lorsqu’elles examinent l’ensemble de leur chaîne de valeur, y compris leurs clients et leurs fournisseurs, qu’elles peuvent faire une différence significative. Les jumeaux numériques peuvent jouer ici un rôle important car ils permettent aux organisations de mieux utiliser leurs ressources, de simuler les émissions et d’optimiser les réseaux d’approvisionnement et de transport.

Les avantages vont de l’efficacité des processus et une productivité accrue à la transition vers une économie durable et circulaire

Aéronautique : Airbus souhaite réduire de 50 % son cycle de vie de production et mise sur des jumeaux numériques pour l’aider à atteindre cet objectif ambitieux. « Pour chaque nouveau produit, nous construisons en fait quatre jumeaux numériques. Nous ne créons pas seulement un jumeau pour ce produit ; nous en créons également un pour chaque équipement de production, processus de production et processus de service. Nous simulons tous ces aspects avant de commencer à construire le produit ou l’usine pour le fabriquer. Cela nous aide à réduire considérablement notre cycle de vie d’ingénierie et nos coûts de production », déclare Peter Weckesser, ancien responsable de la transformation numérique au sein de la branche Défense et Espace d’Airbus.[2]

Produits de consommation : Philip Morris International, PMI, a créé un jumeau numérique de son empreinte de fabrication mondiale. Cela permet à l’entreprise d’évaluer l’impact des modifications du portefeuille de produits, des réglementations du marché et même des perturbations commerciales. L’entreprise a ainsi réduit de 90% l’utilisation des simulations sur feuille de calcul et a pu réduire le temps nécessaire à l’évaluation des scénarios de plusieurs semaines à plusieurs heures.[3]

Automobile : BMW a récemment annoncé la conception d’un jumeau d’usine numérique qui peut être utilisé pour simuler les opérations de 31 usines distinctes. Tous les éléments (associés, robots, bâtiments et pièces d’assemblage) peuvent être simulés dans ce modèle, qui devrait produire des processus de planification 30% plus efficace.[4]

Santé : des utilisations encore plus intéressantes des jumeaux numériques sont en cours dans le secteur de la santé. Le projet Living Heart de Dassault Systèmes – une collaboration entre industries, cliniciens et chercheurs, avec des membres dans 130 organisations dans 24 pays – a permis la création de la première simulation 3D d’un cœur vivant, permettant le développement de paradigmes de test pour l’insertion, le placement et surveillance des performances des stimulateurs cardiaques et autres appareils cardiovasculaires.[5]  Aujourd’hui, des recherches sont en cours sur l’utilisation des jumeaux numériques pour la planification des interventions chirurgicales ; l’optimisation de la posologie des médicaments pour les patients ; et même l’amélioration de la sécurité des médicaments dans les phases de conception et de test.[6]

Fabrication : Kaeser, un fabricant allemand de compresseurs d’air, a mis en place un système de jumeau numérique pour ses stations d’aération. Celui-ci fournit des données opérationnelles telles que le taux de consommation d’air, qui peuvent ensuite être surveillées par ses employés. Ceci, à son tour, permet à l’entreprise de mettre en œuvre la « servitisation » – en facturant les consommateurs sur la base de l’utilisation, plutôt que pour les unités de machines elles-mêmes.[7]

Durabilité : grâce à des simulations et à l’analyse de scénarios, à la modélisation prédictive et à l’efficacité opérationnelle, les jumeaux numériques permettent aux organisations d’optimiser l’utilisation de leurs ressources. Unilever utilise des jumeaux numériques dans une usine au Brésil pour rendre la production plus efficace. L’entreprise a utilisé un jumeau numérique pour définir les paramètres de fabrication ; par exemple, la température à laquelle le savon est expulsé avant d’être coupé en barres. Le projet a permis de réaliser des économies de 2,8 millions de dollars en réduisant la consommation d’énergie et en améliorant la productivité de 1% à 3%.[8] En outre, les jumeaux numériques permettent également aux propriétaires/exploitants d’infrastructures de rendre les bâtiments plus durables.

Pour les industries, les avantages de l’utilisation de jumeaux numériques couvrent tout le cycle de vie d’un produit. Quelques-uns de ces avantages sont présentés ci-dessous :

Naviguer à travers les jumeaux numériques

La connectivité et la gestion des données sont essentielles à la réussite de la mise en œuvre d’un jumeau numérique

Pour piloter avec succès des pilotes ou des preuves de concept (POC), certains catalyseurs sont essentiels :[9]

  • Connectivité : pour permettre le transfert des données des capteurs dans les homologues virtuels
  • Gestion des données : afin d’analyser les données brutes et les convertir en informations exploitables
  • Capacités de simulation : y compris l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique, pour créer la vue virtuelle des opérations
  • Une interface homme-machine : pour augmenter les employés, prenez les mesures nécessaires
  • Continuité numérique : à travers les processus et les actifs pour éviter les silos d’informations et renforcer la collaboration. Bien qu’il s’agisse d’un catalyseur essentiel pour les implémentations de jumeaux numériques, les « systèmes de systèmes de jumeaux numériques » peuvent favoriser davantage la continuité numérique tout au long de la chaîne de valeur d’une organisation.

Bien que le modèle de jumeau numérique puisse avoir des utilisations tout au long de la chaîne de valeur, les entreprises ne doivent pas sombrer dans le « purgatoire pilote ». Cela peut être évité en se concentrant sur un nombre limité de cas d’utilisation (par exemple, un actif ou un jumeau de processus simple) qui ont la valeur potentielle la plus élevée et en suivant ces cas d’utilisation jusqu’à leur achèvement. Une fois ces preuves de concept terminées, les enseignements tirés de ces projets peuvent être mis en œuvre dans d’autres projets pilotes.

Une bonne gouvernance et une collaboration accrue sont cruciales

Une mise en œuvre réussie d’un jumeau numérique dans une partie de l’entreprise inspirera davantage de projets de ce type dans d’autres fonctions. Cependant, c’est à ce moment-là que les entreprises doivent prendre des mesures supplémentaires :

  • Pour extraire plus de valeur, les entreprises ne doivent pas simplement créer des jumeaux numériques individuels, mais aussi prévoir de développer un système de jumeaux numériques pouvant combiner des informations ainsi que des ressources, amplifiant les avantages et les économies d’échelle. L’établissement et le respect de normes communes en matière de gestion et de communication des données permettront une intégration facile de plusieurs jumeaux numériques.
  • Un programme de gouvernance des jumeaux numériques, avec des rôles définis pour chaque équipe (global vs local ; business vs IT, écosystème de partenaires et fournisseurs, etc.) facilitera la gestion. Une sous-section cruciale de ceci est la gouvernance des données et de la sécurité. Il devrait y avoir des directives clairement définies quant aux données auxquelles les jumeaux numériques ont accès, qui peut accéder aux données et comment les données sont utilisées dans l’entreprise.
  • Pour les jumeaux complexes, une mise en œuvre réussie nécessiterait non seulement une collaboration intra-organisationnelle, mais également des liens solides avec leurs partenaires de l’écosystème, tant en amont qu’en aval.

Les consortiums peuvent jouer un rôle important en influençant le développement de jumeaux numériques. Les problèmes rencontrés par les premiers utilisateurs en termes de communication, en particulier lorsqu’ils traitent avec un système de systèmes, peuvent être résolus par l’adoption de formats standards. Digital Twin Consortium, par exemple, compte des sociétés telles que Microsoft, GE Digital et Northrop Grumman parmi ses fondateurs, et travaille à la création d’architectures et de définitions de référence intersectorielles, à l’affinement des meilleures pratiques de jumeau numérique et à la fourniture d’un centre de ressources pour les producteurs et consommateurs de jumeaux numériques.[10]

Alors que les jumeaux numériques ont été initialement développés principalement pour le matériel, nous pouvons maintenant tout aussi facilement avoir des jumeaux numériques pour les domaines de traitement de l’information de la finance et la comptabilité, des ressources humaines et de la gestion de la chaîne d’approvisionnement. Cela ouvre la porte aux jumeaux numériques d’organisations entières et promet des avantages exponentiels, notamment une plus grande visibilité des opérations commerciales, une surveillance plus avancée et la prédiction des événements ayant un impact sur l’entreprise,[11] pour n’en citer que quelques-uns. Les possibilités pour les entreprises jumelles sont vraiment infinies – et, à ce jour, nous n’en avons effleuré que la surface.  

[1] GovInsider, “Meet Virtual Singapore, the city’s 3D digital twin,” Janvier 2018.

[2] I-CIO, “Airbus highlights critical success factors for digital transformation,” Septembre 2019.

[3] PR Newswire, “River Logic Partners with Philip Morris International to Create Digital Twin of the Company’s Global Manufacturing Network,” Septembre 2020.

[4] FierceElectronics, “BMW features digital factory twin at Nvidia GTC21,” Avril 2021.

[5] Dassault Systèmes, “THE LIVING HEART PROJECT,” consulté le 15 Septembre 2021.

[6] VentureBeat, “21 ways medical digital twins will transform healthcare,” Juillet 2021.

[7] Plant Services, “Developing a new business model by selling supply,” Avril 2019.

[8] The Wall Street Journal, “Unilever Uses Virtual Factories to Tune Up Its Supply Chain,” Juillet 2019.

[9] Capgemini Engineering, “Digital Twins – Translate data into business outcome,” Octobre  2021.

[10] Digital Twin Consortium website,consulté le 15 Septembre 2021.

[11] Capgemini, “Digital Twins for Business Operations” by Lee Beardmore, https://www.capgemini.com/in-en/business-services-thought-leadership/digital-twins-for-business-operations/

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