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¿Qué son los gemelos digitales? Aplicaciones en la Industria

Los principales impulsores de lo que denominamos Industria 4.0 son sin duda la conectividad y el desarrollo vertiginoso de las tecnologías de la información. Uno de los principales factores que nos traen hasta aquí es la incorporación – cada vez mayor – de sensores. La capacidad de integrar sensores a casi cualquier dispositivo hace que también aumente la capacidad de recopilar y transmitir datos en tiempo real, para su posterior análisis. El avance de la tecnología de sensores, su diseño cada vez más compacto, sus precios cada vez más bajos, y su capacidad de integración cada vez mayor, hace que su aplicación trascienda del uso en sistemas de producción, e incluso podemos interactuar con ellos día a día en un entorno doméstico; a este fenómeno se le conoce como la Internet de las Cosas (IoT) y la Internet Industrial de las Cosas (IIoT).

IoT no es el único conjunto de tecnologías de conectividad y seguimiento. Más adelante mencionaremos algunas de las tecnologías disponibles.

¿Qué logramos a través de la Internet de las Cosas? ¿Cómo puede representar un factor de transformación digital? Básicamente, las proyecciones al año 2021 estiman que cerca de 4.000 millones de personas estén conectadas a Internet; y el siguiente paso implica que no solo las personas, sino las cosas, los procesos, las instalaciones o los negocios en general, puedan conectarse entre sí, formando una red de redes; en este caso, las proyecciones estiman que más de 50 billones de objetos estén conectados a lo que hoy conocemos como Internet (2021).

¿Qué evolución estamos viendo en este contexto? En este sentido, considero que estamos siendo testigos de la materialización de muchas de las ideas más disruptivas de los 90s y de los años 2000; tal es el caso de los gemelos digitales (digital twins).

 

¿Qué es un gemelo digital (digital twin)?

Un gemelo digital es una representación virtual computarizada de un objeto (entidad), una persona, un activo, sistema o un servicio físico. En esencia, un objeto físico transmite la información deseada la cual es procesada y proyectada en un entorno digital, esta información se actualiza periódicamente a través de los datos de sensores, a través de tecnologías de seguimiento, y en teoría, una mayor frecuencia de actualización y una mayor calidad de los datos, mejorará la precisión del modelo digital.

Los gemelos digitales pueden contener y rastrear el contexto histórico de los objetos digitalizados, y esto puede resultar útil para para probar, registrar, reparar determinados comportamientos de la entidad que se duplica digitalmente, e incluso predecir el comportamiento futuro de la misma. Uno de los principales atractivos de los gemelos digitales consiste en la posibilidad de conectar a un objeto físico para recopilar datos en tiempo real de este. El concepto ha existido desde los primeros días de la computación, pero se está volviendo cada vez más importante en el siglo XXI a medida que se desarrollan las tecnologías habilitadoras, como las tecnologías de seguimiento, Big Data y Cloud Computing.

En teoría, los gemelos digitales deberían funcionar exactamente como el objeto o el sistema del mundo real; para lograrlo, debe articular tres conceptos claves: el objeto (la entidad física), la conectividad entre el mundo físico y el mundo digital (mediante sensores, actuadores y controladores) y la simulación (el entorno 3D que sirve como interfaz entre los usuarios y el gemelo digital).

La primera introducción formal del concepto de crear una representación virtual de un sistema físico ocurrió en 2002: Los investigadores de la Universidad de Michigan propusieron crear una imagen reflejada computarizada del ciclo de vida real de un producto manufacturado. Su propuesta tenía como objetivo ayudar a los fabricantes a crear productos de una manera más eficiente y rentable. Fuente: Research Starters

¿Cuáles son las aplicaciones de los gemelos digitales?

Una organización puede emplear un gemelo digital en múltiples contextos, por ejemplo, es posible obtener una representación virtual de un automóvil, de los ascensores de una unidad residencial, de las bahías de parqueo de un centro comercial, de una planta completa de producción, etc. En este sentido, los gemelos digitales tienen la capacidad potencial de proporcionar formas eficientes de probar cómo funciona cada unidad digitalizada, como un homólogo de la entidad en el mundo real.

Puede considerarse como una evolución de la simulación convencional, toda vez que los parámetros de cada entidad estarían recibiendo información posiblemente en tiempo real de acuerdo a la conectividad establecida: sensores, tecnologías de seguimiento y parámetros de medición.

Una de las principales aplicaciones de los gemelos digitales es la monitorización de productos en busca de fallas, antes de su salida al mercado; en este orden, sería posible predecir problemas, soportar la identificación de soluciones y probar escenarios a través de los entornos digitales.

El alcance de los gemelos digitales guarda directa relación con la naturaleza de los sensores y la capacidad de procesamiento de los datos, y su ámbito de aplicación dependerá del tipo de información que cada dispositivo pueda obtener y procesar de la entidad física. De acuerdo al desarrollo de la industria de sensores, de los procesadores y de la Big Data, los gemelos digitales tienen ámbitos ilimitados de aplicación: Producción, locaciones administrativas, logística, salud, energía, industria aeroespacial, etc.

¿Qué tecnología de seguimiento utilizan los gemelos digitales?

De acuerdo Michal Ukropec (Experto en gemelos digitales), elegir la mejor tecnología de seguimiento es complicado. Existen en el mercado tecnologías como: GPS, BLE, UWB, RFID, WiFi, IoT o cámaras, las cuales no son excluyentes, pero la elección del conjunto de tecnologías dependerá del contexto de aplicación.

Algunas consideraciones que comparte Michal:

  • Para un posicionamiento general de alta precisión en interiores, UWB puede ser la opción correcta: hay muchas etiquetas disponibles, montables, portátiles. La infraestructura es más costosa, pero básicamente es posible rastrear casi cualquier cosa.
  • Para auditoría logística interna / externa parece ser la combinación correcta de BLE y GPS. No es tan preciso, pero la instalación es rápida y fácil (no se necesita entrenamiento especial) y el dispositivo inteligente rastreado le permite además de posicionar también la comunicación bidireccional. Muy efectivo, pero, solo puede rastrear dispositivos inteligentes.
  • Para el seguimiento de materiales de bajo costo puede ser RFID una buena opción. Solo tiene que considerar sus especificaciones exactas, porque en la mayoría de los casos está limitado solo a georreferenciación y, en ocasiones la legibilidad limitada a etiquetas.
  • Las tecnologías Wi-Fi/IoT son bastante inexactas (precisión de 15 metros aproximadamente), pero si solo necesita saber si la etiqueta está «en la zona X«, puede ser suficiente.
  • Los rastreadores de IoT pueden ser muy útiles, porque si eliges LoRaWAN, puedes construir tu propia red, y configurarla de acuerdo a tus necesidades. Puedes enviar mensajes cada minuto, no genera costes de funcionamiento, etc. Genial, pero no hay roaming entre proveedores, por lo que, si necesita rastrear algo a nivel de campo puede ser un problema.
  • Si elige Sigfox, tiene roaming real, pero la cobertura en interiores puede ser más débil, puede enviar mensaje máximo cada 10 minutos y el sensor no tiene retroalimentación si el mensaje ha llegado.
  • Con NB -IoT tienes muy buena cobertura, confirmación de mensajes, pero no roaming en la mayoría de los casos y precios más altos.
  • Las cámaras son un tema especial: La Inteligencia Artificial le permite aportar nuevas características a la logística: seguimiento y conteo de materiales.

Consideraciones al momento de implementar un gemelo digital

Consideremos, por ejemplo, la aplicación de un gemelo digital que represente toda la operación de una planta de producción. Los datos alrededor de la operación llegarán quizá en tiempo real, las líneas reportarán rendimientos, movimientos; las máquinas registrarán su grado de utilización, etc. Los datos que anteriormente estaban disponibles en lotes cada 8, 12, 24 horas, ahora estarán disponibles cada minuto. La pregunta que me surge es ¿Qué va a hacer con esa información? ¿La restricción de su proceso de toma de decisiones se ve limitada por la disponibilidad de información en tiempo real? No lo sé, pero es un interrogante que vale la pena formularse, y evocaré a Javier Arévalo (Goldratt Partner) quien hace poco me mencionaba: “Lo que usted no haga bien en papel y lápiz, difícilmente lo hará bien con tecnología”.

“Lo que usted no haga bien en papel y lápiz, difícilmente lo hará bien con tecnología”.

Es por eso que vale la pena plantearse si la disponibilidad de información en tiempo real de mi sistema (entidad, proceso, producto, etc.) es una necesidad que justifica un proyecto de implementación de gemelos digitales.

El conjunto de datos requerido para la construcción del gemelo digital de un sistema de producción varía de un sistema a otro, sin embargo, puede considerar la información del siguiente cuadro como un caso típico:

Datos estructurales de la planta Layout
Número de máquinas
Número de Sistemas de Manejo de Materiales (MHS)
Rutas de los MHS
Áreas
Restricciones
Datos de manufactura Tiempos de ciclo
Tiempos de carga (Setup)
Calendario de mantenimiento preventivo
Datos del flujo de materiales Rutas y secuencias de productos
Rutas producto – MHS
Redes de transporte detalladas (transportadoras)
Datos de la producción Planes de producción
Calendarios de producción
Volúmenes de producción
Tipo de producción (Masiva/Lotes)

Así podemos ver entonces, que el desarrollo de un gemelo digital requiere del conocimiento profundo del objeto físico (entidad, activo, sistema, etc.). Además, de la consideración de las tecnologías de seguimiento, pero sobre todo, del enfoque sistémico que le permita determinar sobre la pertinencia de esta aplicación tecnológica.

 

Caso de aplicación: Whirlpool Corporation (Polonia)

Whirlpool Corporation en Polonia con 80.000 m², docenas de montacargas y remolcadores. Más de 250 sensores RTLS para el análisis de logística y 60 estaciones de trabajo equipadas con un sistema de pedidos automatizado para la gestión logística. Diagramas de espagueti, análisis de mapas de calor y saturación para identificar cuellos de botella, ineficiencias y otros potenciales de mejora continua.


¿Quieres probar demos de gemelos digitales?

 

gemelos digitales

Si quieres probar un demo de gemelo digital desde tu celular, puedes hacerlo a través de:

Bryan Salazar López

Ingeniero Industrial, Magíster en Logística Integral, especializado en productividad, con interés y experiencia en el modelamiento de procesos bajo dimensiones de sostenibilidad, industria 4.0, transformación digital y modelos de optimización. Fundador de Ingenieriaindustrialonline.com, sitio donde se recogen las aportaciones de investigaciones, artículos y referencias.

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