generación de gemelos digitales interactivos
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Generación de gemelos digitales interactivos
Dr. Carles Creus López
27 de Febrero de 2020
INTRODUCCIÓN
2
Contexto
https://mts-consultingpartner.de/industrie-4-0/
3
Digital Twin
4
Digital worldShop-floor
Cyber-Physical Equivalence
MES, Simulation data…Raw sensor, Production data…
Definición
“A Digital Twin is a multi-physics, multi-scale, probabilistic, ultra-fidelity simulation that reflects, in a timely manner, the
state of a corresponding twin based on historical data,real-time sensor data, and physical model.”
5
E. Glaessgen, D. Stargel, “The digital twin paradigm for future NASA and US Air Force vehicles”, 2012
(Otra) Definición
Un Digital Twin es:
• una réplica digital de un
objeto físico o un proceso,
• representa los elementos y sus
dinámicas de funcionamiento
a lo largo de su ciclo de vida,
• y mantiene sincronizado
ambos mundos, físico y virtual.
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https://new.siemens.com/global/en/company/stories/research-technologies/digitaltwin/digital-twin.html
Evolución
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https://medium.com/@marcellvollmer/what-is-a-digital-twin-and-how-can-business-network-collaboration-accelerate-d6a833f17bea
https://cocop-spire.eu/content/digital-twins
Casos de uso + Potencial económico
Posibilidades:• Simular, predecir, optimizar el producto / línea producción• Demostrar impacto de:
– Cambios en el diseño
– Escenarios de uso
– Condiciones ambientales
¡Sin usar prototipos físicos!
Beneficios:• Soporte a la toma de decisiones• Validar sistemas• Predecir cambios• Descubrir oportunidades
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Emmet, Warner Bros. https://www.amazon.es/Figura-Peque%C3%B1a-Hard-Emmet-Movie/dp/B00I604GVA
Ámbitos (I)
Generalmente se ha asociado a la producción industrial:
• Fábricas inteligentes
• Líneas de producción
• Máquinas individuales
Sectores:
• Aeroespacial
• Aeronáutico
• Automoción
• Semiconductores
• Etc.
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https://www.visualcomponents.com/products/ecatalog/
https://area-info.net/smart-factory-market-growth-2019-2024/
https://www.logisticsit.com/articles/2019/03/07/with-tecnomatix-and-teamcenter,-electrolux-creates-uniform,-efficient-manufacturing-processes-and-systems/
Ámbitos (I)
Generalmente se ha asociado a la producción industrial:
• Fábricas inteligentes
• Líneas de producción
• Máquinas individuales
Sectores:
• Aeroespacial
• Aeronáutico
• Automoción
• Semiconductores
• Etc.
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https://www.aviationtoday.com/2018/09/14/boeing-ceo-talks-digital-twin-era-aviation/https://www.boeing.com/features/innovation-quarterly/may2017/feature-technical-model-based-engineering.pagehttps://www.ge.com/research/offering/digital-twin-creationhttps://www.linkedin.com/pulse/twin-building-army-ge-previews-first-ever-digital-twin-colin-parris
Turborreactor GE90 (Boeing 777)
Ámbitos (I)
Generalmente se ha asociado a la producción industrial:
• Fábricas inteligentes
• Líneas de producción
• Máquinas individuales
Sectores:
• Aeroespacial
• Aeronáutico
• Automoción
• Semiconductores
• Etc.
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Ensamblado fuselaje Airbushttps://www.spotlightmetal.com/the-digital-twin-in-aircraft-construction-a-855498/
Ámbitos (I)
Generalmente se ha asociado a la producción industrial:
• Fábricas inteligentes
• Líneas de producción
• Máquinas individuales
Sectores:
• Aeroespacial
• Aeronáutico
• Automoción
• Semiconductores
• Etc.
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Tesla Model 3
https://www.tesla.com/autopilot
https://assets1.dxc.technology/analytics/downloads/DXC-Analytics-Digital-Twin.pdf
https://www.axios.com/what-tesla-knows-about-you-1f21d287-a204-4a6e-8b4a-0786b0afac45.html
Ámbitos (II)
Pero también se puede ampliar a otros ámbitos y sectores:
• Inventariado / logística
• Energético
• Construcción
• Medicina
• Servicios (transporte público, etc.)
• Infraestructura
• Países (e.g., Digital Built Britain)
• Etc.
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Digital Wind Farm (General Electric)
https://www.ge.com/reports/post/119300678660/wind-in-the-cloud-how-the-digital-wind-farm-will-2/https://youtu.be/2dCz3oL2rTw - “Minds + Machines: Meet A Digital Twin”
Ámbitos (II)
Pero también se puede ampliar a otros ámbitos y sectores:
• Inventariado / logística
• Energético
• Construcción
• Medicina
• Servicios (transporte público, etc.)
• Infraestructura
• Países (e.g., Digital Built Britain)
• Etc.
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Orangetheory fitnesshttps://www.orangetheoryfitness.com/pages/science
https://www.clubindustry.com/news/orangetheory-fitness-exceeds-1-billion-2018-system-wide-revenue
Ámbitos (II)
Pero también se puede ampliar a otros ámbitos y sectores:
• Inventariado / logística
• Energético
• Construcción
• Medicina
• Servicios (transporte público, etc.)
• Infraestructura
• Países (e.g., Digital Built Britain)
• Etc.
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Open Data
(Visual Analytics)
https://www.ics.gencat.cat/sisap/diagnosticat/principal?lang=cs&patologia=Grip
https://www.donostia.eus/ataria/es/web/donostia-data/urumea-ibaiaren-altuera
https://www.embalses.net/pantano-1230-sau.html
1. CREACIÓN DEL DIGITAL TWIN
2. A QUIÉN VA ORIENTADO
3. QUÉ DATOS SE USAN
4. OPERATIVA
5. REALISMO
Retos
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1. CREACIÓN del DIGITAL TWIN + (actualizaciones)• Crear un Digital Twin funcional de una máquina real
• En convivencia con otros elementos funcionales
• Que esté en permanente actualización con los cambios de la entidad real
• Cómo visualizar / plataforma
2. A QUIÉN VA ORIENTADO• Perfiles de usuario
• Democratizar el acceso a los Digital Twin al público
3. DATOS• Intercomunicar diferentes Digital Twin
4. OPERATIVA• Virtual Commissioning
5. REALISMO ≈ Test de Turing
Retos
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https://www.logisticsit.com/articles/2019/03/07/with-tecnomatix-and-teamcenter,-electrolux-creates-uniform,-efficient-manufacturing-processes-and-systems/https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Macintosh_SE_b.jpg
GENERACIÓN DE DIGITAL TWIN
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Retos GENERACIÓN de un Digital Twin
Problemáticas:
• Fuentes heterogéneas de datos
• Confidencialidad de los datos
• Realismo en las simulaciones
• Modelos CAD vs modelos
genéricos vs modelos reales
• Personalización: Operator 4.0
• Plataforma de visualización &
plataforma de desarrollo
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https://www.cadavshmeip.com/solidworks/solidworks-flow-simulation-2018/Emmet, Warner Bros. https://www.amazon.es/Figura-Peque%C3%B1a-Hard-Emmet-Movie/dp/B00I604GVA
Retos GENERACIÓN de un Digital Twin → Tipos
Tipo 1:
Partiendo de datos virtuales, genero un modelo digital para
validar y luego pasar al mundo real
Tipo 2:
Partiendo de un modelo real, genero un modelo digital para
monitorizar e interoperar con él virtualmente en la toma de
decisiones
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Flujo 1 de GENERACIÓN: Real Digital
21
XR
Data model extraction
Real World Digital Twin
CAD + scans
Flujo 1 de GENERACIÓN: Real Digital
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XR
Data model extraction
Real World Digital Twin
Interactive visualization
Cyber-security
Simulation
What-if scenarios
CAD + scans
Flujo 1 de GENERACIÓN: Real Digital
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XR
Data model extraction
Real World Digital Twin
Interactive visualization
Cyber-security
Decision-making supportSimulation
What-if scenarios
CAD + scans
Flujo 1 de GENERACIÓN: Real Digital
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XR
Data model extraction
Real World Digital Twin
Interactive visualization
Cyber-security
Decision-making supportSimulation
What-if scenarios
Sensors (IoT)
Scanned 3D data
3D models (CAD)
Factory layout
CAD + scans
Monitoring
IoT, Connectivity,Remote Sensing
Retos GENERACIÓN de un Digital Twin → Tipos
Tipo 1:
Partiendo de datos virtuales, genero un modelo digital para
validar y luego pasar al mundo real
Tipo 2:
Partiendo de un modelo real, genero un modelo digital para
monitorizar e interoperar con él virtualmente en la toma de
decisiones
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Flujo 2 de GENERACIÓN: Real → Digital
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Real World Digital Twin
Sensors (IoT)
Scanned 3D data
3D models (CAD)
Factory layout
Flujo 2 de GENERACIÓN: Real → Digital
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XR
Data model extraction
Real World Digital Twin
Sensors (IoT)
Scanned 3D data
3D models (CAD)
Factory layout
CAD + scans
Flujo 2 de GENERACIÓN: Real → Digital
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XR
Data model extraction
Real World Digital Twin
Interactive visualization
Cyber-security
Simulation
What-if scenarios
Sensors (IoT)
Scanned 3D data
3D models (CAD)
Factory layout
CAD + scans
Flujo 2 de GENERACIÓN: Real → Digital
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XR
Data model extraction
Real World Digital Twin
Interactive visualization
Cyber-security
Decision-making supportSimulation
What-if scenarios
Sensors (IoT)
Scanned 3D data
3D models (CAD)
Factory layout
CAD + scans
Monitoring
IoT, Connectivity,Remote Sensing
Funcionalidades deseadas en un Digital Twin
• Dependiente del dominio y las personas involucradas (Operator 4.0)– Roles, casos de uso, …
– Periodo de vigencia
• Características funcionales:– Fiel: “ultra-realista”
• Lo más cercano posible a la realidad… acorde a su objetivo• En comportamiento y en apariencia estética
– Vivo: evolución con la captura de datos en tiempo real
– Analizable: • Información pasado: Historical Analytics• Información en tiempo real: Real-time Analytics
– Simulación futuro: what-if scenarios / Prescriptive Analytics
• Accesibilidad / democratización DT
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Emmet, Warner Bros. https://www.amazon.es/Figura-
Peque%C3%B1a-Hard-Emmet-Movie/dp/B00I604GVA
Estrategia / Metodología
1. Materia prima– Máquinas, planta, etc.
– Sensórica
– Usuarios
2. Comportamiento– Elementos activos → Cinemática, acciones, eventos, etc.
3. Simulación– Basada en modelos empíricos → Big Data, IA, …
– Basada en modelos físicos → Ciencia
– Optimización para uso en entornos interactivos
4. Interactividad y visualización– 2D → gráficas, diagramas, etc. – data visualization
– 3D → Web, Escritorio
– VR / AR / MR → Nuevas tecnologías31
1. Materia prima del Digital Twin
• Máquinas– 3D: CAD, …
– Adquiridos scanner
• Sensórica– Protocolos industriales
– M2M, OPC UA, industrial ethernet, …
• Usuarios– Perfiles
– Capacidades
– …
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https://www.fiverr.com/shubhampatel142/create-your-2d-drawing-3d-models-cad-and-catia-designshttps://www.aliexpress.com/item/32847894975.htmlhttps://market.samm.com/electret-microphone-amplifierhttps://www.amazon.com/Oiyagai-HC-SR501-Pyroelectricity-Infrared-Detector/dp/B0757JN66G/ref=sr_1_2?keywords=raspberry+body+sensor&qid=1581956557&sr=8-2Emmet, Warner Bros. https://www.amazon.es/Figura-Peque%C3%B1a-Hard-Emmet-Movie/dp/B00I604GVA
1. Materia prima del Digital Twin – Dificultades
Ficheros CAD:
• Estáticos
• Paramétricos
• Pesados
Adquiridos (scanner):
• Filtrar ruido
• Alineamiento
• Nubes de puntos
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• Requieren simplificación / limpieza
• Adaptación manual / artística
• Filtrar ruido & reconstrucción (scanner)
Entornos VR interactivos:
• Dinámicos
• Texturizados + materiales fotorrealistas
• Ligeros
vs.
1. Materia prima del Digital Twin – Dificultades
• Sensórica
– Interferencias
– Coherencia
– Frecuencia
– Volumen
• Usuarios
– Formación
– Actualización
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2. Modelado del comportamiento
• Qué hace mi Digital Twin
• Analizar y describir:
– Cinemática
– Acciones
– Eventos
– Etc.
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2. Modelado del comportamiento
Ej: Máquina punzonadora
• Movimientos:– Mover plancha de metal
– Selección de herramientas
– Proceso de punzonado
• Otras operaciones:– Apertura trampillas para eliminar material
– Integración de entrada automática de material (feed)
– Extracción de resultado con brazos robóticos
Modelado del comportamiento:
• Elementos interactivos dentro del modelo 3D
• Definición de acciones
• Programas NC– G-Code→ acción concreta sobre un elemento interactivo
– G68 → girar torreta para seleccionar una herramienta como activa
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2. Modelado del comportamiento
Ej: Gestión y monitorización del inventario de TU almacén
• Configuración estructural de:– Pasillos
– Baldas
– Maquinaria
• Obtención inventario en tiempo real según datos del ERP
• Búsqueda y localización visual de los productos en 3D
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3. Simulación
• Cómo lo hace mi Digital Twin
• Basada en modelos empíricos
– Big Data, IA, …
• Basada en modelos físicos
– Ciencia
– Ecuaciones en forma cerrada / analíticas
– Aproximaciones
• Optimización para uso en entornos interactivos
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3. Simulación
Ej: Simulación propagación calor en chapas de metal• Corte de chapa con láser / plasma• Calcular de forma gráfica e interactiva
cómo afectan las fuentes de calor a la chapa durante el proceso de corte:– Cálculo geométrico del corte
– Cálculo analítico de transferencia de calor (usando propiedades del láser y metal)
• Permite:– Definir la mejor estrategia y orden de corte de
la chapa, evitando posibles deformaciones
– Anticipar y detectar anomalías no previstas
– Ahorros en tiempo de máquina, materiales y energía, reduciendo averías / accidente
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D. Mejia, A. Moreno, A. Arbelaiz, J. Posada, O. Ruiz-Salguero, R. Chopitea, “Accelerated Thermal Simulation for Three-Dimensional Interactive Optimization of Computer Numeric Control Sheet Metal Laser Cutting”, 2018
3. Simulación
Ej: Propagación y extinción de incendios
• Cálculo basado en:
– Pendiente del terreno
– Dirección y velocidad del viento
– Spotting fires
– Extinción y evaporación
• Entorno virtual interactivo para
entrenamiento de bomberos, con
escenarios forestales, urbanos y mixtos
40https://www.youtube.com/watch?v=GSK3W5usdhA
4. Interactividad y visualización
• Qué se muestra a los usuarios
– Web
– Aplicaciones nativas
– XR: VR / AR / MR
– Ubiquitous access
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4. Interactividad y visualización
Ej: Diseño producción por lotes (ISA-88)
• Coordinación en tiempo real
• Acceso desde múltiples empresas
• Visualización paso-a-paso
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CONCLUSIONES
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Retos presentes en la GENERACIÓN del Digital Twin
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1. Obtener modelos– Los datos fuente suelen ser archivos de ingeniería (CAD) o datos en
bruto (scanner, fotos)• No están preparados (ni pensados) para su visualización interactiva
• No disponen de información de interactividad
– Requieren adaptación manual:• Segmentación en elementos interactivos
• Teselación, simplificación, texturizado, puesta en escena
– Se tiene que repetir (en parte) el proceso en cada actualización
2. Comportamiento– Formalizar procedimientos, pormenorizar el elemento / sistema, extraer
lógica
– Modelar ese conocimiento digitalmente
Retos presentes en la GENERACIÓN del Digital Twin
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3. Simulación– Desarrollo nueva ciencia / aproximaciones
• Ha de ser computable y eficiente
– IA para filtrar, interpretar, y proyectar los datos• Volumen de datos de entreno
• Tiempo de entreno
4. Interactividad y visualización– Adaptarse a distintas potencias de cálculo (PC / móvil / headsets / …)
– Nuevas generaciones de VR / AR / MR que alivien:• Fatiga visual Nuevas ópticas, displays
• Simulation sickness Más potencia
– Modos de interacción ergonómica en VR / AR / MR Hand tracking
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Gracias