La technologie immersive progresse à grands pas, impulsée par des innovations dans l'Internet des Objets (IoT), l'intelligence artificielle (IA) et l'analyse de données en temps réel. Cette convergence technologique a donné naissance aux jumeaux numériques, l'un des outils les plus transformateurs de l'ère digitale.

Les jumeaux numériques se sont établis comme des piliers fondamentaux de la transformation numérique dans l'industrie 4.0. Leur capacité à créer des répliques virtuelles précises permet aux organisations d'améliorer l'efficacité opérationnelle, de réduire les coûts et d'obtenir des perspectives stratégiques précieuses grâce à une vision numérique intégrale de leurs processus et de leurs actifs physiques.

Actuellement, de nombreux secteurs industriels intègrent cette technologie en tant qu'investissement stratégique pour stimuler leur efficacité, avancer en durabilité et renforcer leur position concurrentielle sur le marché.

Origine du “jumeau numérique” et son évolution historique

Bien que le terme moderne “jumeau numérique” se soit popularisé au cours des dernières décennies, son essence a des racines historiques qui remontent à l'exploration spatiale, la NASA étant pionnière dans l'application d'idées similaires lors de la mission Apollo 13 en 1970.

Après l'explosion de l'un des réservoirs d'oxygène du vaisseau spatial, les ingénieurs de la NASA ont utilisé des simulateurs terrestres et des répliques exactes du véhicule pour recréer virtuellement les conditions du vaisseau endommagé. Cela leur a permis d'analyser les causes de la panne et développer et valider des solutions en temps réel qui ont été cruciales pour assurer le retour en toute sécurité des astronautes. Cette intervention est largement reconnue comme la première application pratique du concept que nous connaissons aujourd'hui sous le nom de jumeau numérique.

Des décennies plus tard, en 2002, Michael Grieves a formalisé le concept théorique dans le domaine du Product Lifecycle Management (PLM) lors d'une présentation à l'Université du Michigan. Plus tard, en 2010, John Vickers de la NASA a officiellement déposé le terme "digital twin" pour décrire de manière plus concrète et opérationnelle cette connexion dynamique entre le monde physique et sa réplique virtuelle, capable de se nourrir de données en temps réel.

Définition du jumeau numérique

Un jumeau numérique est une réplique virtuelle d'un objet, système ou processus physique qui simule son comportement en temps réel à l'aide de données. Cette technologie permet la surveillance, l'analyse visuelle et l'optimisation des performances de l'élément répliqué à travers des simulations précises et des données obtenues du système en fonctionnement lui-même.

En essence, le jumeau numérique n'est pas seulement une représentation statique, mais un outil dynamique qui s'adapte et apprend avec le temps, permettant aux entreprises d'anticiper les pannes, d'explorer des améliorations et d'ajuster les opérations de manière itérative. Imaginons une usine de fabrication où chaque machine et processus est suivi à travers son jumeau numérique : avec chaque nouvelle lecture de données, le système peut prédire des anomalies, réajuster des paramètres et maintenir la continuité du flux opérationnel sans interruptions.

Les jumeaux numériques permettent aux entreprises d'agir dans le présent tout en planifiant l'avenir.

Comme le souligne SAP Signavio, les jumeaux numériques donnent aux organisations la visibilité et la compréhension nécessaires pour planifier, tester des idées, prioriser des initiatives, prévoir des risques et gérer la complexité. De cette manière, ils aident à réduire les incertitudes dans l'exécution des stratégies et à prendre des décisions plus éclairées.

Types de jumeaux numériques : exemples d'applications

Quand nous parlons de “types de jumeaux numériques”, nous faisons référence aux différentes catégories permettant d’organiser leur échelle, leur niveau de détail et leur champ d’application. Ces classifications ont été définies à partir des besoins les plus courants des utilisateurs et aident à déterminer quel niveau de jumeau numérique convient le mieux à un projet donné. En général, on distingue trois typologies:

Jumeau numérique de produit / actif

Le jumeau numérique de produit représente un actif physique individuel ou une famille de produits, en intégrant sa géométrie, sa structure et ses propriétés physiques, ainsi que son comportement dans le temps. Ce type de jumeau permet d’analyser comment l’actif réagit dans différentes conditions d’exploitation et d’anticiper des phénomènes tels que l’usure, les pannes ou la dégradation.

Jumeau numérique de processus

Le jumeau numérique de processus modélise la séquence d’opérations qui composent un système de production, au-delà d’un actif individuel. Il se concentre sur la manière dont les différentes étapes du processus interagissent (temps de cycle, dépendances, variabilité ou goulets d’étranglement) afin d’analyser la performance globale. Cela permet de simuler des scénarios, d’évaluer des changements opérationnels et d’optimiser le fonctionnement du processus dans son ensemble.

Jumeaux numériques de systèmes

Le jumeau numérique de système intègre plusieurs actifs et processus interconnectés, tels qu’une ligne de production complète, une usine ou un réseau d’infrastructures. Son objectif est d’analyser comment les différents éléments du système interagissent et comment les changements apportés à un composant affectent le comportement global.

Bénéfices des jumeaux numériques dans l’Industrie 4.0

Les jumeaux numériques se sont imposés comme un outil clé de la transformation numérique industrielle, apportant des bénéfices qui impactent à la fois l’efficacité opérationnelle et la stratégie des entreprises :

Amélioration de l’efficacité opérationnelle : En représentant virtuellement les actifs et les processus ainsi que leur contexte opérationnel en 3D, les jumeaux numériques permettent de mieux comprendre le fonctionnement global de l’opération. Cela facilite l’identification des goulets d’étranglement, l’optimisation des paramètres de fonctionnement et la réduction des pertes d’efficacité dans la production.

• Anticipation des pannes et maintenance prédictive : En collectant et en stockant des données opérationnelles à la fois en temps réel et historiques, ces répliques virtuelles constituent une base d’informations opérationnelles sur laquelle il est possible d’appliquer différents modèles prédictifs. Cela permet de détecter des signaux précoces de dégradation, d’anticiper d’éventuelles pannes et de planifier les interventions de maintenance plus en amont.
  
  

• Simulation de scénarios et validation des changements : L’une des capacités les plus précieuses est la possibilité de simuler des scénarios avant de les appliquer dans l’exploitation réelle. Cela permet d’évaluer des changements opérationnels, de tester de nouvelles configurations ou d’analyser différents scénarios sans interrompre la production ni prendre de risques inutiles.
  
  

• Amélioration de la qualité et réduction des déchets : En analysant le comportement du processus dans son contexte, les jumeaux numériques aident à détecter les écarts avant qu’ils ne deviennent des défauts. Cela contribue à améliorer la stabilité du processus de production, à réduire les rebuts et à optimiser l’utilisation des matières premières et des ressources.
  
  

• Capacité d’analyse et prise de décision accrues : En combinant les données opérationnelles, les données historiques et le contexte du système dans un même environnement, les jumeaux numériques permettent de mieux comprendre le comportement du système dans le temps. Cela facilite l’identification des tendances, l’évaluation de l’impact économique de différentes décisions et la priorisation des améliorations ou des investissements sur une base analytique plus solide.

Application des jumeaux numériques

Les jumeaux numériques ont démontré leur valeur dans de nombreux secteurs, depuis la fabrication jusqu'au design des villes intelligentes. Voyons quelques exemples spécifiques de la façon dont cette technologie transforme diverses industries :

• Jumeaux numériques en fabrication: facilitent la simulation et l'optimisation des lignes de production, permettant de détecter les goulets d'étranglement et maximiser la productivité. Ils facilitent la maintenance prédictive, anticipant les pannes et réduisant les temps d'arrêt. Selon McKinsey, certaines usines ont réussi à réduire leurs coûts opérationnels de 5% à 7% en optimisant leur planification et en éliminant les goulets d'étranglement grâce au jumeau numérique.
  
  

• Jumeaux numériques en AECO: aident à optimiser la conception des bâtiments via la RA, à améliorer la planification, l'efficacité et la sécurité sur le chantier. Ils permettent de visualiser l'information BIM/CAD sur place et même de visualiser les parties des infrastructures par couche pour améliorer la compréhension. Et en plus, à la fin de la construction, ils servent à continuer la surveillance et planifier la maintenance prédictive, se transformant en ce que Innowise définit comme “le cerveau de tout le cycle de vie du bâtiment”.
  
  

• Jumeaux numériques dans les Smart Cities: Les répliques urbaines numériques aident les villes à gérer des systèmes clés tels que la mobilité, les services urbains, la consommation d'énergie et d'eau dans les infrastructures publiques et la gestion des déchets. Comme l'indique PwC, dans le contexte urbain, un jumeau numérique recueille en continu des informations de l'environnement construit via des capteurs et des drones pour une représentation constamment mise à jour.
  
  

• Jumeaux numériques dans l'énergie: ils permettent de répliquer virtuellement des infrastructures énergétiques complètes, des centrales génératrices (éoliennes, solaires, offshore) aux réseaux de distribution. Cela offre une gestion avancée et en temps réel des actifs et ressources, identifiant les zones d'amélioration de la distribution et réduisant les pertes énergétiques.
  
  

• Jumeaux numériques dans l'éducation: permettent la gamification des tâches sous forme de défis et réussites, rendant l'apprentissage plus dynamique et motivant pour les étudiants. Ils permettent de pratiquer des compétences dans des environnements sûrs et contrôlés et favorisent un suivi détaillé du progrès de chaque élève pour un enseignement plus aligné sur les besoins de chaque élève.
  
  

• Jumeaux numériques dans les télécommunications: Facilitent la surveillance visuelle intégrale des antennes, des tours, des nœuds et des centres de données répartis dans différentes localisations. Ils fournissent des informations détaillées et en temps réel sur l'état des actifs, permettant de détecter les pannes ou anomalies rapidement et intuitivement via des représentations graphiques et modèles 3D.

Exemples de jumeaux numériques

Jumeau numérique pour la simulation et optimisation des lignes de production

DIMECO se spécialise dans la fabrication et la fourniture de lignes de production automatisées pour le traitement de pièces métalliques.

Dans le cas de succès de DIMECO, nous expliquons comment nous avons appliqué notre logiciel de jumeau numérique TOKII pour la représentation graphique de l'IHM de ses lignes de production et le calcul du bouclage et de la vitesse de production.

Jumeau numérique pour centraliser et superviser les données en temps réel

VICINAY MARINE est un leader dans la conception, l'innovation, la production et la fourniture de chaînes et lignes d'ancrage pour les industries éolienne et navale. Dans ce cas, ils ont eu le défi d'intégrer et d'organiser les données stockées pendant plus de 20 ans, qui se trouvaient sur différentes plateformes.

Dans le cas de succès de VICINAY, nous expliquons comment avec TOKII nous avons réussi à centraliser ces données sous une interface interactive qui permet la surveillance en temps réel.

Jumeau numérique pour l'entretien des actifs

TEICON est une entreprise d'ingénierie et de construction axée sur l'innovation et l'industrie 4.0. Ils utilisent notre plateforme de jumeaux numériques pour centraliser les informations techniques de toutes les machines en un seul point de contrôle et gérer l'entretien plus efficacement. Dans le cas de succès de TEICON, nous expliquons le processus en détail.

Questions fréquentes sur les jumeaux numériques : tout ce que vous devez savoir

• Les jumeaux numériques sont-ils simplement des modèles 3D ?

Pas nécessairement. Bien qu'ils incluent souvent des représentations visuelles ou des modèles 3D, leur véritable valeur réside dans leur capacité à refléter le comportement dynamique de l'actif répliqué. Ce qui fait vraiment la valeur des jumeaux numériques, c'est la couche intelligente : la connectivité des données en temps réel, l'analyse des données, la capacité de prédire des scénarios et l'optimisation des processus.

• Les jumeaux numériques sont-ils seulement pour les grandes entreprises ?

Non. Bien que les grandes industries en retirent davantage d'avantages grâce à un budget supérieur, les jumeaux numériques génèrent également une grande valeur pour les petites et moyennes entreprises. En effet, ils sont particulièrement utiles pour celles qui ne disposent pas de leurs propres équipes d'analyse de données et préfèrent gérer l'information en interne.

La grande avantage est qu'ils sont évolutifs : on peut commencer avec un seul actif, machine ou processus, et étendre progressivement pour inclure des usines complètes ou même plusieurs projets.

Dans nos cas de succès, vous trouverez des exemples de PME utilisant déjà des jumeaux numériques pour la maintenance prédictive et l'optimisation opérationnelle, obtenant des bénéfices tangibles dès les phases très précoces.

• Les jumeaux numériques sont-ils difficiles à utiliser ?

Cela dépend de la solution utilisée. Notre plateforme de jumeaux numériques TOKII, par exemple, a été conçue pour être aussi intuitive que possible, même pour les utilisateurs sans expérience technique. L'interface est simple, la configuration de l'environnement 3D et des KPIs se fait par clics et les prédictions avec IA sont entièrement sans code, c'est-à-dire, ne nécessitent pas de programmation.

• Quelle structure est nécessaire pour implémenter des jumeaux numériques ?

L'idéal est de disposer de capteurs et d'appareils intelligents qui alimentent le système en temps réel : plus la couche sensorique est complète, plus la réplique sera précise. Il est également très précieux d'avoir des données historiques, car cela permet de former des modèles prédictifs et d'augmenter la fiabilité des simulations.

Dans les cas où on ne dispose pas de suffisamment de données, il est possible de générer des scénarios simulés comme point de départ, qui seront ensuite ajustés avec des données réelles au fur et à mesure qu'elles sont capturées.

• Quelles sont les inconvénients d'un jumeau numérique ?

Le principal inconvénient est l'investissement initial requis. Le coût d'un jumeau numérique peut varier en fonction de plusieurs facteurs. Dans des projets très sophistiqués, l'investissement peut être élevé, mais lorsqu'il répond à un besoin clair, il se traduit par des économies, une efficacité et un ROI qui dépasse l'investissement réalisé.

Chez IMMERSIA, nous offrons une formation et un accompagnement continu pour que nos clients tirent toujours le meilleur parti de TOKII.

Pour plus de conseils ou d'informations sur notre logiciel de jumeaux numériques, réservez une démonstration personnalisée, parlez-nous de vos besoins et nous vous aiderons à définir le meilleur ajustement pour votre projet.