El gemelo digital: del sueño a la realidad

La creciente demanda de digitalización y del Internet industrial de las cosas (IIoT) hace del gemelo digital un facilitador clave para las industrias digitales. Veamos cómo los gemelos digitales mejoran las tecnologías digitales, impulsan el desarrollo y la normalización de las arquitecturas y crean nuevos casos de uso y modelos de negocio.

Somayeh Malakuti ABB Corporate Research Center Ladenburg, Germany, somayeh.malakuti@de.abb.com

Las representaciones digitales se han utilizado durante muchos años para modelar la información relativa a los activos a lo largo de su ciclo de vida. Estos modelos no se llamaron «gemelos digitales» hasta que el término se acuñó por primera vez en 2003 en un curso universitario. Con el tiempo, han surgido muchas definiciones diferentes de gemelo digital. Estas definiciones suelen centrarse en el caso de uso particular del gemelo digital. →01. Recientemente, diferentes consorcios, como el Industrial Internet Consortium (IIC), al que ABB contribuyó, se han propuesto definir el mundo de los gemelos digitales más allá de los límites de casos de uso específicos. Así, el IIC define el gemelo digital como la representación digital de una entidad (por ejemplo, un dispositivo, una unidad de producción o una planta) que cumple los requisitos de un conjunto particular de casos de uso [1,2].Esta definición tiene dos implicaciones:

• Si bien muchos asocian el gemelo digital al IIoT, la definición no hace hincapié en los aspectos del IIoT, ya que la noción de gemelo digital (aunque no el nombre) era anterior al IIoT.
• Los gemelos digitales deben tratarse desde una perspectiva de los casos de uso que permiten, lo que determina los datos, los modelos, los cálculos y los servicios que deben ofrecerse.

01. Los gemelos digitales son impulsores clave de la digitalización en muchos sectores industriales. A menudo
se definen por el entorno en el que se han utilizado.
01. Los gemelos digitales son impulsores clave de la digitalización en muchos sectores industriales. A menudo se definen por el entorno en el que se han utilizado.

El gemelo digital en los sistemas industriales
Los datos del ciclo de vida de los dispositivos industriales pueden clasificarse como datos de tecnología de ingeniería (ET), datos de tecnología de la información (IT) y datos de tecnología operativa (OT). Estos datos del ciclo de vida a menudo se almacenan en diferentes lugares y formatos debido a requisitos de funcionalidad, necesidades de distintos usuarios, fusiones de empresas, etc. →02. Estos silos de datos conducen a una falta de interoperabilidad en varios niveles de acceso a los datos y requieren intercambios de datos manuales que resultan laboriosos y propensos a errores. También dificultan la combinación de datos para su aprovechamiento por parte de aplicaciones analíticas.

02. El gemelo digital aborda el problema de los silos de datos.
02. El gemelo digital aborda el problema de los silos de datos.

Estos problemas pueden resolverse mediante gemelos digitales, que pueden desplegarse localmente o en la nube. En este caso, el gemelo digital puede ofrecer un modelo de información común para definir datos de ET, IO y OT que de otro modo serían incompatibles. Este modelo sirve de base para que las interfaces de programación de aplicaciones (API) accedan a los datos y definan correlaciones semánticas entre conjuntos de datos que normalmente estarían dispersos. El gemelo digital puede ofrecer API unificadas para consultar varios tipos dedatos del ciclo de vida, independientementede si los datos están en la nube o en fuentes dedatos externas [4].

El nivel de madurez de los gemelos digitales puede aumentar aún más si se expresan las correlaciones entre los diferentes modelos incorporados en el gemelo digital y se obtiene más razonamiento de esta información →03. El contenido del gemelo digital puede ampliarse aún más utilizando modelos de simulación y aprendizaje automático. Esta mejora aumenta la inteligencia del gemelo digital y mejora el razonamiento por lo que respecta al estado del gemelo físico. También ofrece asistencia para modelos de simulación en tiempo real. Combinando varios modelos, pueden conseguirse casos de uso más avanzados, como disponer de modelos de simulación inteligentes para predecir el estado de un dispositivo.

03. Nivel de madurez del gemelo digital.
03. Nivel de madurez del gemelo digital.

En la era del IIoT, tecnologías como la nube, la computación en el borde, la conectividad 5G y la realidad aumentada permiten llevar el concepto de gemelo digital al siguiente nivel dando lugar a mejoras de las tecnologías digitales, el desarrollo y la normalización de arquitecturas, la creación de interacciones innovadoras entre sistemas o usuarios y el establecimiento de modelos de negocio →04.

04. Descripción general de temas relacionados con el gemelo digital.

Combinados con estas tecnologías e interacciones, los gemelos digitales pueden permitir nuevos casos de uso, como la gestión integrada de la información en todo el flujo de valor, ingeniería integrada basada en la nube, plug-and-produce para dispositivos de campo y asistencia virtual insitu. La integración de los gemelos digitales en los procesos de automatización permite reducir el tiempo y el esfuerzo de puesta en servicio y acorta el tiempo hasta el inicio de la producción.

Dos casos prácticos —ingeniería integrada basada en la nube y plug-and-produce para dispositivos de campo— ilustran las ventajas que aportan los gemelos digitales:

Ingeniería integrada basada en la nube
En lugar de tener en cuenta el amplio alcance que se muestra en →02, nos centraremos solo en el uso del gemelo digital para el intercambio integrado de datos entre herramientas. Por ejemplo, los parámetros de dispositivos utilizados anteriormente pueden almacenarse como un modelo dedicado dentro del gemelo digital en la nube, de manera que se puede seleccionar la herramienta de ingeniería más adelante parainicializar correctamente los parámetros de ingeniería. El gemelo digital también permite realizar copias de seguridad en la nube y restaurar los datos de ingeniería.

Plug-and-produce para dispositivos de campo
Hoy en día, la configuración o sustitución de los dispositivos de campo a menudo puede ser laboriosa, ya que debe recopilarse información potencialmente no estandarizada de diferentes fuentes en diferentes formatos. Sin embargo, el gemelo digital de un dispositivo de campo permite un escenario plug-and-produce que acelera la puesta en servicio del dispositivo de campo. Gracias al descubrimiento automático de dispositivos y la computación en la nube, combinado con formatos normalizados de información, como AutomationML y OPC UA, es posible descubrir automáticamente los dispositivos conectados a la red, realizar mapas de ingeniería y parámetros operativos entre sí y descargar los parámetros apropiados de la nube a los dispositivos. Aunque la sustitución física aún requiere personal capacitado, el gemelo digital permite la reconfiguración instantánea sin necesidad de que intervenga un experto en dispositivos o procesos.

Normalización e iniciativas del gemelo digital
Hay varias actividades de normalización en curso relacionadas con los gemelos digitales. Por ejemplo, la tecnología Aspect Object, normalizada en la norma IEC-81346, define los denominados aspectos necesarios para estructurar la información relacionada con varias vistas (por ejemplo, producto, función o ubicación) de un sistema industrial. La IEC 62832 define un marco de fábrica digital con la representación de los activos de la fábrica en su centro, si bien esta representación no se denomina gemelo digital.

En los últimos años, han aparecido más iniciativas: La IEEE P2806 pretende definir la arquitectura del sistema de representaciones digitales de objetos físicos en entornos de fábrica, centrándose en los requisitos de conectividad y los atributos de datos de inteligencia artificial industrial. Asimismo, la ISO/AWI 23247 impulsa el uso de gemelos digitales para la fabricación mediante la definición de una arquitecturade referencia.

Aunque las empresas suelen ofrecer gemelos digitales como soluciones aisladas, muchos casos de uso podrían beneficiarse de las interacciones entre gemelos digitales de distintos proveedores. La plataforma alemana «PlattformIndustrie 4.0» lanzó Asset Administration Shell [3] como el gemelo digital industrial para la fabricación inteligente con el fin de promover la nteroperabilidad en todo el flujo de valor.

Además de la IIC y Plattform Industrie 4.0, existen otros grupos, como la Industrial DigitalTwin Association, una organización de usuarios de Plattform Industrie 4.0 con intenciones de código abierto; el Digital Twin Consortium [5], que impulsa la homogeneidad en el vocabulario, la arquitectura, la seguridad y la interoperabilidad; la Open Manufacturing Platform [6], que pretende ofrecer soluciones independientes de plataforma; y el proyecto GAIA-X [7], con la interoperabilidad a nivel de modelos de información y los gemelos digitales como piedra angular de su visión.

El gemelo digital y los modelos de negocio digitales y el futuro
El gemelo digital sienta las bases para nuevos servicios y colaboraciones digitales y ayuda aque los servicios existentes sean más accesibles y eficientes. Además, dado que muchos errores de producción vienen provocados por datos erróneos o obsoletos, disponer de un medio ampliamente acordado para acceder e intercambiar datos relacionados con los dispositivos facilita la ingeniería colaborativa durante todo el ciclo de vida [8] →05.

05. Los gemelos digitales pueden proporcionar un amplio acceso a los datos sobre el dispositivo y ayudar a eliminar errores de producción causados por datos erróneos o obsoletos.
05. Los gemelos digitales pueden proporcionar un amplio acceso a los datos sobre el dispositivo y ayudar a eliminar errores de producción causados por datos erróneos o obsoletos.

A diferencia del dispositivo físico, un gemelo digital y todos sus aspectos pueden estar ampliamente disponibles, con las medidas de ciberseguridad adecuadas, lo que permite aplicaciones «X-as-a-service» basadas en la nube.

Además, el acceso integrado a los datos de ET, ITy OT a través de las API de los gemelos digitales permite establecer reglas de uso y acceso a los datos a escala de los gemelos digitales. Este acceso gestionado a los datos elimina la necesidad de definir estas reglas individualmente para cada fuente de datos y facilita la definición de políticas de uso para los consumidores externos de los datos del gemelo digital.

No hay duda del papel crítico que desempeñará el gemelo digital en la rápida evolución digitalde la industria. A través de diversos proyectos y colaboraciones, y contribuciones a consorcios como el IIC y la Plattform Industrie 4.0, ABB está ayudando a impulsar el establecimiento de definiciones y normas comunes para los gemelos digitales. 

Referencias
[1] Industrial Internet Consortium, “Digital twins for Industrial Applications.” Available: https://www.iiconsortium.org/pdf/IIC_Digital_Twins_Industrial_Apps_White_Paper_2020-02-18.pdf [Accessed February 10, 2021].
[2] Industrial Internet Consortium and Plattform Industrie 4.0, “The digital twin and Asset Administration Shell Concepts and Application in the Industrial Internet and Industrie 4.0.” Available: https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/EN/Downloads/Publikation/Digital-Twin-and-Asset-Administration-Shell-Concepts.pdf [Accessed February 10, 2021].
[3] Plattform Industrie 4.0, “Details of the Asset Administration Shell – Part 1: The exchange of information between partners in the value chain of Industrie 4.0.” Available: https://www.plattform-i40.de/PI40/Redaktion/DE/Downloads/Publikation/Details_of_the_Asset_Administration_Shell_Part1_V3.html [Accessed February 10, 2021].
[4] S. Malakuti et al., “A Four-Layer Architecture Pattern for Constructing and Managing Digital Twins,” Software Architecture, Springer International Publishing, pp. 231 – 246, 2019.
[5] The Digital Twin Consortium, https://www.digitaltwinconsortium.org/
[6] Open Manufacturing Platform, https://open-manufacturing.org/
[7] GAIA-X, https://www.data-infrastructure.eu/GAIAX/Navigation/EN/Home/home.html
[8] S. Malakuti et al., “The digital twin: An Enabler for New Business Models,” Automation 2019 conference, 2019.

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