A fondo. Digital twins: herramientas para una industria 4.0

La digitalización que está acometiendo la industria quizá sea la mayor transformación desde la Revolución Industrial, gracias a la robotización, la aplicación del internet de las cosas (IoT), el uso de big data o la utilización de la inteligencia artificial (IA).

La combinación de varias de estas tecnologías está permitiendo el desarrollo de los denominados digital twins, gemelos digitales o gemelos virtuales. Según Juniper researchv, el gasto mundial en digital twins alcanzará los 12.700 millones de dólares en 2021, con un aumento del 17% respecto a los 10.800 millones que suponía este sector en 2019.  MarketsandMarkets va aún más allá y señala que este mercado alcanzará un valor de 35.800 millones de dólares en 2025, multiplicando casi por diez los 3.800 millones que suponía en 2019.

¿Qué es un digital twin?

“Un gemelo digital es una tecnología que crea una representación virtual del mundo físico y sus relaciones. El objetivo es monitorizar algo físico -como un motor de un avión o una pieza de un vehículo- a través de sensores y modelado computerizado. Sería como una ‘maqueta digital’ para hacer pruebas antes de fabricar un componente concreto”, explica Roberto Moral, director de Arquitecturas de Cisco España.

Las empresas pueden utilizar estos gemelos digitales pueden ser usados como banco de pruebas. “Una vez que un digital twin ha sido creado, puede ser almacenado, manejado, analizado y presentado”, explica Juanjo García, responsable de Azure Business de Microsoft España. “Nos ayudan a probar hipótesis, tratamientos, etc., para ver cómo reaccionan en los modelos y saber si podrían y deberían aplicarse en los reales”, reseña Nicolas Loupy, director general de Dassault Systèmes para España y Portugal.

Todo se cimienta sobre la sensorización. “El gemelo digital consume datos en tiempo real del objeto y de su entorno a través de múltiples sensores, y produce simulaciones, predicciones, o, incluso, actuaciones directas sobre él si los sensores lo permiten”, comenta Enrique Bertrand, director técnico de Software AG España.

A partir de ahí, se construye todo. Los digital twins exprimen las posibilidades de todo un conjunto de tecnologías como IoT, data science, 3D modeling, IA machine learning, deep learning, big data, cloud computing, realidad aumentada, etc. “El IoT permite gestionar y operar de forma continua sobre los sensores y, por ende, sobre el objeto en el que se encuentran. El análisis de datos en tiempo real combina reglas de negocio y modelos predictivos basados en el aprendizaje automático. Y las tecnologías de integración permiten combinar los datos de operación con los datos que provienen de los sistemas de gestión”, comenta Bertrand.

Predictibilidad y mayor vida útil

Los digital twins ofrecen múltiples beneficios en el ámbito industrial. “Son una pieza clave de la transformación digital, ya que permiten simular nuevos procesos, servicios o productos, desde la fase de diseño y prototipado hasta la fase de operaciones y mantenimiento. Con el gemelo digital se pueden ensayar nuevos enfoques o ideas virtualmente, con mucho menor coste y con menor disrupción del negocio que si se hace físicamente. También se puede evaluar cómo se comporta un proceso, producto o servicio en tiempo real, predecir su funcionamiento, realizar mantenimiento predictivo, analizar escenarios ‘what if’, simular y validar la eficiencia, optimizar los procesos de planificación y calidad, etc.”, desgrana José Esteban, director de Innovación de Atos en Iberia.

Por ejemplo, Moral señala que los digital twins se emplean en la predicción de problemas y aumentan la vida útil de los activos. “Ayudan a aumentar la fiabilidad del equipo, las líneas de producción y otros activos. La reducción de los costes se obtiene mediante la predicción de los problemas de mantenimiento antes de que ocurran las averías”, apunta.

También destaca su aplicación en la mejora continua de los productos. “Los conocimientos obtenidos ayudan a mejorar la calidad de los productos”. Asimismo, señala que optimizan el rendimiento de los procesos. “Al proporcionar un análisis de la réplica virtual, ayudan a las empresas a detectar problemas, mejorando los procesos de producción y estableciendo cadenas de suministro y entrega eficientes. Lograr una reducción del tiempo de inactividad es una de las ventajas clave de los gemelos digitales”, explica el responsable de Cisco.

Asimismo, contribuyen a la planificación y seguimiento. “Ofrecen una representación de los espacios, proporcionando información sobre cómo mejorar la configuración de los procesos de fabricación y de suministro y los flujos de trabajo. También ayudan a encontrar los activos dentro de un espacio de manera precisa”, detalla.

Esfuerzo de adaptación

Las ventajas de los digital twins parecen evidentes, pero adoptarlos no siempre es sencillo. “En principio, cualquier producto o proceso industrial puede tener un gemelo digital, pero construirlo es, habitualmente, una tarea compleja que requiere el ensamblaje de componentes tecnológicos diversos”, reseña el responsable de Software AG.

“Además, la precisión y sensibilidad del gemelo digital varia enormemente. El término abarca un espectro de representaciones muy amplio, dependiendo de la ingesta y calidad de los datos, de la complejidad de los modelos analíticos y predictivos utilizados y de la versatilidad de las técnicas de simulación y modelado. El acceso limitado a ciertos datos, que se gestionan como silos aislados dentro de la organización, suele ser un obstáculo recurrente”, matiza.

Por otra parte, Esteban incide en que su adopción requiere una inversión y evolucionar la forma de trabajar. “Hay que invertir en crear los gemelos de interés e integrarlos con los sistemas corporativos. Además, hay que trabajar en el doble modo virtual y físico, cambio que los profesionales suelen recibir de buen grado porque mejora su forma de trabajar”, afirma.

El responsable de Cisco también hace hincapié en que “los modelos digital twin se apoyan en la conectividad de red, que debe ser altamente fiable, inteligente y segura dentro de la planta, la instalación de fabricación o el espacio de producción”.

Múltiples aplicaciones reales

Loupy afirma que “esta tecnología es beneficiosa para cualquier empresa, porque al probar primero el modelo virtual, puede adivinar lo que funciona y lo que no y ponerlo en práctica después, de modo que puede optimizar tanto los recursos de máquinas como de personal y, por lo tanto, trabajar de manera más productiva y eficiente y ahorrar costes”.

Y aunque encuentran su principal aplicación en el ámbito industrial, su uso puede extenderse prácticamente a cualquier sector. “Una amplia variedad de entornos puede beneficiarse de este tipo de tecnologías y dar pasos adelante en su transformación digital, desde almacenes y oficinas hasta colegios, hospitales y bancos. Incluso se puede utilizar para estadios, fábricas, estacionamientos, parques, cuadrículas inteligentes y ciudades”, recalca el responsable de Azure Business de Microsoft España.

Por ejemplo, indica que los digital twins pueden servir para “predecir las necesidades de mantenimiento de una fábrica, analizar los requisitos de energía en tiempo real para una red eléctrica, optimizar el uso del espacio disponible para una oficina, rastrear la temperatura diaria en varios estados, monitorear las rutas de los aviones no tripulados ocupados, identificar vehículos autónomos o analizar los niveles de ocupación de un edificio”.

El responsable de Dassault Systémes presenta otros ejemplos, como la creación de un gemelo virtual del cuerpo humano. “En él se podrían probar drogas, tratamientos, etc., para averiguar si son los adecuados para curar a un cierto tipo de paciente. Es una de las soluciones que más se discute cuando se habla de la pandemia COVID-19”. Y también cita su aplicación aeropuertos. “Se podrían simular los controles de capacidad en las áreas comunes, los de los pasajeros dentro de los aviones…”, anota.

Más allá de su potencialidad, ya tenemos ejemplos reales de uso. “Una empresa del sector de la energía está utilizando gemelos digitales de aerogeneradores para seguir en tiempo real el funcionamiento de un parque eólico, para realizar tareas de mantenimiento predictivo en los aerogeneradores y para reducir el tiempo necesario en realizar intervenciones cuando se produce una incidencia. Y una empresa del sector químico está utilizando gemelos digitales de proceso para aumentar drásticamente la calidad de la fabricación de un producto líquido cuyos componentes son muy caros, ya que cada incidencia de calidad supone un gran coste”, explica el director de Innovación de Atos Iberia.

Moral se detiene en el ejemplo del puerto de Rotterdam, “el más grande y activo de toda Europa, con un tráfico de 140.000 buques cada año, 8 millones de contenedores y más de 468 millones de toneladas de carga gestionadas”. “Con el fin de digitalizar el puerto de Rotterdam, Cisco creó un ecosistema de IoT para el control de los buques. Una de las aplicaciones fue crear un gemelo digital para el puerto, que permite a los trabajadores utilizar la representación virtual para probar, crear y supervisar las operaciones. Esta tecnología puede ayudar a calcular cuánta carga puede ser descargada en ciertas áreas, acelerando así la movilidad de los buques. Los sensores también recogen información en tiempo real sobre la temperatura, velocidad del viento, salinidad del agua y otros factores”, expone.

García explica el caso de Steelcase, dedicada al diseño de espacios de trabajo. “Desarrolló una red de sensores infrarrojos construidos sobre la plataforma Microsoft Azure IoT con la tecnología Azure Digital Twins, Estos sensores espaciales en la nube surgen para ayudar a crear espacios de trabajo que respondan a las necesidades de las personas y, a la vez, que optimicen las inversiones en bienes. Gracias a esto, la compañía puede ofrecer análisis avanzados las 24 horas del día, lo que les permite recibir estadísticas en tiempo real, a la par que se mantiene la fiabilidad y la seguridad de la empresa”, indica.

También habla de PCL Construction: “Mediante el uso de las tecnologías Microsoft Azure, Azure IoT y Azure Digital Twins, creó la aplicación Job Site Insights (JSI) para proporcionar una visión unificada de negocio en lo relativo a todos los aspectos de la construcción. Al recopilar y analizar los datos de los dispositivos IoT, ha mejorado sus procesos, aumentando la seguridad, la eficiencia y la productividad”.

Loupy indica que Dassault Systèmes, gracias a ‘3DEXPERIENCE’, “ha ayudado a Singapur a crear ‘Virtual Singapore’, plataforma de colaboración para un entorno urbano inteligente para la planificación de evacuaciones de emergencia y una vida urbana cómoda, entre otras cosas”, permitiendo anticipar cómo evolucionará la ciudad con el crecimiento de la población, las nuevas construcciones, etc.

También ha participado en ‘Living Heart Project’, “el primer modelo de simulación realista en 3D de un corazón humano, con el objetivo de aportar grandes avances a la industria de las Ciencias de la Vida, ya que está ayudando a comprender mejor ciertas enfermedades, así como a diseñar y probar nuevos tratamientos”, puntualiza. Esta experiencia se ha extendido al cerebro, a través del ‘Living Brain Project’, con el objetivo de entender las lesiones cerebrales traumáticas, la neuromodulación, la progresión de las enfermedades neurodegenerativas o la entrega de medicamentos a través del líquido cefalorraquídeo.

Por su parte, Software AG es confundadora de ‘ADAMOS’, “un consorcio de empresas de robótica industrial e ingeniería mecánica, como Dürr, DMG Mori o Zeiss”, comenta Bertran, “Dürr es capaz de gestionar remotamente, detectar anomalías y realizar el mantenimiento predictivo de sus estaciones de pintura, muy utilizadas en la industria de automoción, reduciendo los costes de fabricación y operación y garantizando a sus clientes niveles máximos de calidad”, señala.

También ha prestado su ayuda a diversos fabricantes para ofrecer gestión remota de sus máquinas como un servicio de valor añadido para sus clientes, como a un fabricante de máquinas de coser para la industria de la confección o a un fabricante de hornos de pan para la industria alimentaria. “Recogen información continua de sus máquinas, comprueban su nivel de operación, detectan potenciales problemas, lanzan acciones de mantenimiento y ofrecen nuevos servicios como la reconfiguración automática o la optimización de los parámetros de operación”, precisa.

Asimismo, participa en iniciativas de gestión urbana avanzada basada en la sensorización masiva y la monitorización en tiempo real, como la desplegada en Dubai. “Un gemelo digital de una ciudad, o de parte de sus infraestructuras, es una herramienta clave para la gestión de incidencias o la planificación de nuevos servicios”, comenta.