Le jumeau numérique, à la frontière du virtuel et du réel

Un extrait de « Jumeau numérique et réalité virtuelle pour la modélisation de systèmes complexes », par Pierre-Antoine BEAL, Cyril SEPTSEAULT, Matthieu AUBRY, Lise LORENZATO, Pierre-Armand THOMAS.

Dans un système complexe, la variété des modèles employés – tout autant que leurs capacités à retranscrire une évolution souvent non linéaire et difficile à appréhender par l’esprit humain – représente une difficulté.

Simulation vs jumeau numérique

Le jumeau numérique est une réplique virtuelle dynamique d’un système physique réel. Il centralise les connaissances, données, simulations et interactions relatives à ce système, et se distingue des simples outils de simulation par sa capacité à évoluer en temps réel grâce aux informations transmises par des capteurs. Cette connexion permanente lui permet de retracer l’historique du système, d’en analyser l’état actuel et d’anticiper son évolution future. Il peut également constituer un atout majeur lors de la certification d’un produit.

Conçu pour accompagner le système tout au long de son cycle de vie, de la conception à la fin d’exploitation, le jumeau numérique se construit sur une architecture modulaire, capable d’intégrer les évolutions du système réel. Il est interopérable, ce qui lui permet de communiquer avec d’autres jumeaux, capteurs physiques ou logiciels tiers. Sa richesse réside aussi dans sa dimension multidisciplinaire, en réunissant des modèles issus de domaines variés – physique, économie, facteurs humains – facilitant ainsi le dialogue entre experts et une approche globale du système.

La capacité du jumeau numérique à représenter fidèlement les phénomènes repose à la fois sur son expressivité, c’est-à-dire la variété des scénarios qu’il peut reproduire, et sur sa précision, mesurée par l’écart entre simulations et données réelles. Il permet ainsi de tester virtuellement des scénarios (opération compliquée ou en conditions dégradées, remplacement d’un système, paramétrage, etc.) et de choisir le meilleur.

Des enjeux forts

Le jumeau numérique doit être autonome et reproduire au mieux le comportement d’un système physique. Il pourra ainsi servir de véritable tableau de bord, voire proposer des assistants intelligents pour la maintenance prédictive par exemple. Enfin, le jumeau numérique est aussi une manière de structurer la donnée pour la rendre intelligible, ce qui permet d’imaginer de nouveaux « business model ».

Les cas d’usage du jumeau numérique sont multiples. Il permet d’éclairer les choix stratégiques en simulant différentes hypothèses, d’optimiser en temps réel les performances d’un système ou de planifier sa maintenance. Il constitue un outil précieux dans le processus de certification, car sa représentativité renforce la confiance dans les résultats simulés. Il est également utilisé dans les domaines de la formation et de la communication, où ses représentations en trois dimensions permettent de visualiser clairement les composantes et les dynamiques du système. Intégré à un planning prévisionnel, il facilite le suivi de projet en liant activités et composants physiques. Ainsi, un certain nombre de vérifications fastidieuses peuvent être effectuées automatiquement, et la production de masse améliorée. Enfin, les données issues de capteurs du système peuvent être injectées dans le jumeau numérique pour l’archivage, à partir duquel ce jumeau numérique sera en mesure d’analyser le comportement du système.

Le jumeau numérique, gourmand d’intelligences

L’intelligence artificielle renforce encore les capacités du jumeau numérique. Grâce au machine learning, il peut ajuster ses modèles à partir de jeux de données, qu’ils soient réels ou générés artificiellement. Cependant, il est indispensable de disposer de milliers de cas à analyser manuellement pour pouvoir donner à l’algorithme d’intelligence artificielle les informations nécessaires pour faire son apprentissage. Il devient alors possible d’explorer des situations rares ou critiques, d’anticiper les comportements du système dans des conditions extrêmes, et de compenser l’absence de données réelles par la simulation. Par ailleurs, le jumeau numérique doit être conçu pour être manipulable et compréhensible par l’humain.

La relation entre l’humain et le jumeau numérique est en effet essentielle. L’utilisateur doit pouvoir interagir facilement avec l’outil, qu’il s’agisse de visualiser les données, de tester des hypothèses ou de s’immerger dans des environnements simulés, via la réalité virtuelle avec une représentation 3D du système, pour mieux comprendre des situations complexes.

En définitive, le jumeau numérique ne vise pas à remplacer les experts, mais à les assister dans leurs prises de décision. En rendant les systèmes complexes plus accessibles, intelligibles et prévisibles, il s’impose comme un levier stratégique pour l’innovation, la gestion et l’optimisation des systèmes, à l’intersection du monde réel et du monde virtuel.