Des boucles réel-virtuel

Les entreprises visionnaires tirent parti des données opérationnelles et des modèles virtuels grâce aux « jumeaux numériques »

William J. Holstein
30 December 2017

9 minutes

Les fabricants du monde entier construisent des capteurs et des systèmes de communications qu'ils intègrent dans leurs appareils pour collecter des données en temps réel. Les systèmes les plus avancés introduisent ces données dans ce que les analystes appellent des « jumeaux numériques », créant des boucles de feed-back en temps réel entre les appareils utilisés et les simulations 3D qui ont permis de créer ces appareils.

Les moteurs diesel à quatre temps, conçus et fabriqués par la société finlandaise Wärtsilä, fournissent de l'énergie aux navires-cargo et aux navires de croisière dans 70 pays. Ils font partie des plus grands moteurs au monde et affichent une durée de vie allant généralement de 25 à 30 ans. L'édition 2015 du livre Guinness des records a également reconnu les moteurs de Wärtsilä comme les plus efficaces au monde.

Comment Wärtsilä a-t-il pu réaliser cette performance ? Dès les années 70, Wärtsilä a compris qu'il était bien trop coûteux de construire des prototypes physiques pour identifier et éliminer les erreurs sur chaque moteur géant. L'entreprise est ainsi devenue une pionnière de la modélisation et de la simulation 3D avancées, pour réaliser des conceptions de moteurs « performants dès le premier essai » lors de leur fabrication.

« Recourir à la simulation est habituel dans ce secteur », explique Juho Könnö, directeur de la plate-forme de conception numérique de l'entreprise. « L'objectif est de se rapprocher de plus en plus de la réalité. Ainsi, vous comprenez mieux votre produit et vous pouvez identifier les éléments essentiels à examiner. »

Aujourd'hui, Wärtsilä alimente ses modèles et simulations avec des données de performance réelles provenant de centaines de capteurs installés sur chaque nouveau moteur, créant ainsi une simulation à l'aide d'un « jumeau numérique » qui reproduit les conditions réelles de fonctionnement.

Utilisées pour piloter des simulations 3D avec une précision scientifique, les données permettent aux experts Wärtsilä de visualiser la façon dont un moteur spécifique est utilisé, et d'exécuter divers scénarios potentiels afin de rechercher des opportunités d'amélioration des performances. Sur la base de cette analyse, Wärtsilä peut recommander aux propriétaires de navires certaines modifications des réglages et des paramètres de fonctionnement, pour améliorer l'utilisation des moteurs.

Wärtsilä peut également intégrer les améliorations de conception identifiées dans les futures conceptions de moteurs.

GE Power Division cherche à créer des modèles digitaux 3D très précis de ses turbines, tels que ce générateur électrique 9Emax. Les modèles sont la première étape vers la création d'un jumeau numérique complet, permettant d'optimiser la conception pour différentes applications et conditions de fonctionnement. (Image © GE Power Division)

« Il est très important d'obtenir des données provenant de véritables moteurs afin de développer la méthodologie de simulation », explique Juho Könnö. « Nous essayons d'utiliser cette méthode autant que possible pour étalonner nos moteurs. Nous faisons également l'inverse : nous utilisons des modèles de simulation pour identifier les éléments à mesurer et leur emplacement sur les moteurs.

JUMEAU NUMÉRIQUE : UNE TENDANCE À LA HAUSSE

Dans le monde entier, des entreprises innovantes s'efforcent de trouver cet équilibre optimal dans leurs propres industries. En associant une puissance de calcul en expansion rapide, des machines équipées de capteurs et la collecte et l'analyse de données en temps réel via l'Internet des objets (IoT), ces entreprises propulsent la simulation 3D intelligente au niveau supérieur, améliorant considérablement les processus de conception et de construction, les environnements de fabrication et les taux d'engagement client.

Le cabinet de conseil en technologies de l'information Gartner a d'ailleurs classé le « jumeau numérique » parmi les 10 principales tendances technologiques stratégiques pour 2017.

Bien que la plupart des entreprises n'aient pas atteint le niveau de sophistication de Wärtsilä, les têtes de file d'autres industries cherchent également à tirer profit de cette boucle réel-virtuel de feedback et d'expérimentation en continu.

Dans le domaine automobile, par exemple, Onroak Automotive, une unité de conception et de production du groupe Everspeed, basé en France, travaille pour la deuxième année, sur un projet qui devrait durer trois ans, à repenser la façon dont elle construit les voitures, forme les mécaniciens et les pilotes, et gère les courses des 24 h du Mans, la plus ancienne course d'endurance automobile de sport au monde. Cette course annuelle exige que le véhicule soit opérationnel durant 24 heures de suite, et puisse effectuer 12 boucles sur une piste qui combine routes publiques fermées et circuit de course.

Wärtsilä recueille des données à partir des essais physiques de ses moteurs terminés, puis utilise les données pour affiner sa méthodologie de simulation. Cette méthodologie est, à son tour, utilisée pour étalonner les moteurs terminés et planifier le placement des capteurs dans les futures conceptions de moteurs. (Images © Wärtsilä)

Les gains les plus petits soient-ils peuvent faire la différence entre une victoire et une défaite, et Onroak Automotive est convaincue que les fonctionnalités de ses jumeaux numériques offriront à ses équipes un avantage concurrentiel.

« Nous pouvons utiliser ce nouveau système pour concevoir et produire des voitures », explique Sébastien Metz, directeur du site Le Mans d'Onroak Automotive. « Nous pouvons également l'utiliser pour la formation des mécaniciens pit-stop. Vous pouvez savoir où sont placées les pièces et comment elles s'assemblent, quels espaces sont disponibles pour passer les mains et si vous pouvez y accéder. Cela vous permet de former mécaniciens et pilotes. Vous pouvez ainsi réaliser des choses incroyables ! »

Onroak Automotive est particulièrement enthousiaste à l'idée d'utiliser un jumeau numérique pour gérer une course réelle. Actuellement, Onroak Automotive dispose de 10 à 15 points de données sur chaque voiture, qu'elle peut surveiller en temps réel lorsque les données sont envoyées dans sa simulation 3D via l'IoT. Mais Sébastien Metz anticipe déjà le jour où il pourra disposer de 500 points de données pour alimenter le modèle digital, offrant à l'équipe de précieuses informations pour mieux gérer la course, réduire les coûts et améliorer ses chances de victoire.

« Nous serons un jour en mesure de simuler un pit-stop (avant que la voiture ne l'atteigne réellement) », affirme Sébastien Metz. « Nous pouvons aider l'équipe des mécaniciens à choisir le bon type de pneu en fonction de l'état de la voie ou simuler différentes conditions météorologiques, pluvieuses ou sèches. En fait, nous pouvons simuler le fonctionnement réel de la voiture sur la piste. »

À l'instar de Wärtsilä, Onroak Automotive cherche à obtenir un flux bidirectionnel d'informations entre la voiture réelle et la simulation virtuelle, informations qui, selon l'entreprise, permettront d'économiser entre 5 % et 8 % sur le carburant. Selon M. Metz, l'élimination d'un seul pit-stop dans une course pourrait être synonyme de victoire. Onroak Automotive espère également appliquer les leçons apprises sur le circuit aux fonctionnalités haut de gamme des véhicules grand public.

CONSTRUCTION ET EXPLOITATION D'UNE RAFFINERIE JUMELLE

En termes de taille, l'un des plus grands déploiements mondiaux du concept de jumelage numérique se trouve dans la zone économique spéciale de Palu (ZES), sur l'île indonésienne de Sulawesi, où un consortium international d'entreprises du secteur de l'énergie prévoit de construire une raffinerie intégrée de pétrole brut de 9,8 milliards d'euros (11,5 milliards de dollars américains), une réserve stratégique de pétrole et un complexe de traitement pétrochimique en aval.

Fin septembre 2017, le Palu GMA Refinery Consortium (PGRC) a annoncé le lancement d'un projet sur quatre ans, visant à construire une nouvelle raffinerie, s'inspirant en partie de la simulation de données en direct que la ville de Singapour, toute proche, utilise pour l'ensemble de sa ville-État. Cette simulation, appelée Virtual Singapore, permet aux urbanistes de visualiser, comprendre et optimiser absolument tout ce qui se passe dans la ville, de la circulation à l'élimination des déchets en passant par la qualité de l'air et l'emplacement des nouveaux bâtiments. Le modèle numérique de PGRC aidera à optimiser la conception physique du complexe, puis à rationaliser sa construction, à en gérer le séquencement, à coordonner les sous-traitants, à éliminer les erreurs et à réduire le gaspillage et les reprises. Pour Mohammad Rusydi, PDG de PGRC et directeur Investissements et finances, il s'agit de la première raffinerie intégrée construite à l'aide d'une réplique virtuelle complète. Au-delà du modèle 3D, explique M. Rusydi, le jumeau numérique de PGRC comprend deux autres dimensions : la planification et la gestion de projet, ainsi que le contrôle budgétaire.

« Nous appelons cela la 5D », dit-il. « Le projet sera terminé à temps et nous ne serons pas confrontés à un dépassement de budget. » Une fois les opérations commencées, explique Rusydi, « nous pouvons exploiter une raffinerie numérique parallèle. Tout peut être testé et simulé dans le jumeau numérique. On peut résoudre un problème avant qu'il ne se produise. »

Par exemple, le modèle digital alerte les responsables de l'équipement usé, leur permettant ainsi de le remplacer avant qu'il ne tombe en panne, et sert à former les opérateurs sur les interventions en cas d'urgence ou d'incendie. « C'est comme un pilote de ligne qui s'entraîne dans un simulateur », explique-t-il. « Si un incendie se déclare dans le poste de pilotage, ils savent comment le gérer. »

Selon Mohammad Rusydi, le consortium s'attend à ce que les informations fournies par son jumeau numérique permettent à PGRC de construire le complexe avec des coûts réduits de 25 % par rapport à la construction sur plan, et des améliorations opérationnelles de 15 % à 20 % par rapport aux normes de l'industrie.

Virtual Singapore offre de nombreux services aux citoyens et aux visiteurs. En cours de développement : un service pour identifier différentes options de déplacement personnalisées. Exemple de scénario : Marisole prend habituellement le train de 7 h 45, l'heure de pointe dans le métro de Singapour, de la gare de Jurong Est, à son bureau près de Raffles Place. À l'avenir, elle pourra consulter Virtual Singapore pour choisir une option de transport moins surchargée. La fonction trajet affichera les différents choix possibles, incluant un train à 7 h, avant les heures de pointe, et un bus à la même heure. Les deux options donnent droit à la gratuité avant les heures de pointe. La gare étant plus proche à pied et le système signalant l'arrivée d'une tempête, Marisole choisit le train. (Left image © monkeybusinessimages / iStock; right image © Virtual Singapore)

ADAPTATION DES PROCESSUS EXISTANTS

Les nouveaux projets tels que le complexe de raffinerie PGRC sont d'abord conçus sous forme de jumeau numérique. A contrario, les processus de développement de projets et de fabrication établis avant l'ère numérique s'adaptent difficilement à ce nouveau concept. La division Turbine de General Electric fait face à ce type de défi. Selon Jeff Erno, responsable du développement de produits virtuels pour GE Power Generation à Greenville, en Caroline du Sud, leurs produits, utilisés pour générer de l'énergie pour l'industrie et les services publics, comprennent jusqu'à 60 000 pièces.

Les turbines sont installées partout dans le monde, à des endroits où les températures et le climat varient. Le réglage précis de chaque turbine pour obtenir une efficacité optimale dans son environnement particulier représente donc un défi permanent.

« Une machine qui fonctionne au sommet d'une montagne pluvieuse a des composants complètement différents de ceux utilisés dans une vallée au climat sec », explique Jeff Erno. « C'est la nature même du problème. »

Chacune des différentes fonctions de la division – conception, ingénierie des pièces, ingénierie des systèmes et fabrication, entre autres – a pour habitude de se concentrer sur les défis spécifiques à son équipe, sans visibilité globale. Chaque fonction travaille avec des systèmes informatiques spécialisés, déconnectés et isolés les uns des autres, qui les obligent à recourir à des processus séquentiels qui entravent la collaboration en temps réel sur les questions interdépendantes.

« Personne ne peut visualiser notre produit en 3D virtuelle », explique M. Erno. « Nos outils existants ne sont pas réputés pour bien gérer les données. Les systèmes de CAO et les systèmes de simulation ne vous permettent pas d'obtenir une bonne vue d'ensemble. » Selon M. Erno, GE Power Generation doit d'abord s'atteler à créer un « fil numérique », un ensemble unique de données cohérentes en temps réel, auquel chaque fonction et service peut accéder, automatiquement mis à jour lorsque des changements surviennent, n'importe où dans la chaîne de valeur. D'après lui, convertir ce fil numérique en jumeau numérique robuste d'une turbine centrale permettrait à chaque fonction d'optimiser la conception, pour différentes applications et conditions de fonctionnement.

« C'est pour cela que nous testons cette technologie : pour gérer ces différentes configurations », déclare M. Erno. « Adopter une gestion complètement différente serait plus facile. » Selon lui, un modèle unique accélérerait la mise au point des turbines de chaque site et réduirait considérablement les coûts.

Dans chaque secteur et chaque pays, les entreprises réalisent, à des rythmes différents, tous les avantages qu'elles pourront tirer des jumeaux numériques dans leurs activités. Pour Wärtsilä, Onroak Automotive, PGRC et GE Power Generation, cette technologie change véritablement la donne et pourrait offrir des avantages énormes par rapport à des concurrents moins visionnaires et engagés.

Pour plus d'informations sur Virtual Singapore
3ds.one/Virtual_Singapore
3ds.one/VirtualSingaporeCompasss

Autres resources

S'abonner

Register here to receive a monthly update on our newest content.