Gemelos Digitales: qué son, ventajas y cómo funcionan

Hoy queremos explicarte que son los gemelos digitales. Un nuevo concepto que se extiende a día de hoy pero que igual no es tan nuevo.

¿Recuerdas? 2001: una odisea del espacio.

El superordenador HAL 9000 hablaba con los astronautas, monitorizaba la nave y gestionaba su funcionamiento.

¿Ciencia ficción?

Quizás entonces sí, ahora ya no. Los gemelos digitales han hecho realidad esta ficción.

Hace ya tiempo, con el problema que tuvo el Apollo 13 (“Houston, tenemos un problema”, ¿recuerdas?), supuso la aparición de lo que hoy en día ha revolucionado la industria: el gemelo digital.

La NASA empleó un gemelo digital del Apollo 13 para poder diagnosticar problemas y encontrar soluciones estando a millones de kilómetros de distancia.

El desarrollo de este gemelo digital supuso un coste muy elevado, pero desde entonces la tecnología ha avanzado mucho llegando a ser una realidad en la industria.

¿Qué es un gemelo digital?

Un gemelo digital o digital twin es una representación virtual de un proceso o de un producto al que se le incorporan datos en tiempo real.

Se trata de sistemas informáticos que se conectan con sus gemelos reales a través de sensores para poder simular su funcionamiento con datos en tiempo real, analizarlo y definir posibles mejoras.

Una vez recolectada la información, esta se procesa con la ayuda de la  Inteligencia Artificial, el internet de las cosas (IoT), los servicios en la nube (Cloud Computing) y el Machine Learning para obtener una representación virtual que siente, piensa y actúa.

Esto permite el análisis inteligente de datos y la monitorización de sistemas en un entorno protegido, pudiendo evitar defectos de producción, construir nuevos escenarios de funcionamiento, desarrollar nuevas oportunidades de negocio, planificar tareas de mantenimiento o realizar previsiones a futuro.

Un gemelo digital es el modelo virtual más preciso de un espacio real, ya sea un producto, un edificio o una ciudad entera.

Muchas empresas están empezando a usar estos modelos antes de construir el producto real para evaluarlo antes.

Ventajas de utilizar gemelos digitales

Una de las principales ventajas de los gemelos digitales es que permiten detectar problemas con antelación y resolverlos más rápidamente.

Cuando se construye una réplica digital de un producto o espacio, se puede predecir virtualmente lo que sucederá en el mundo físico, de manera que se pueden subsanar errores y crear productos más fiables sin que esto afecte al entorno real.

Por este motivo, los gemelos digitales son especialmente útiles para el mantenimiento de máquinas y equipos conectados que generan y analizan grandes volúmenes de datos.

Algunas de las ventajas de los gemelos digitales destacables son:

1. Disponer de un modelo fiel al real sobre el que realizar ensayos y pruebas sin poner en riesgo el sistema replicado.
2. Diseñar y observar nuevos escenarios cuando se modifican las variables que le afectan.
3. Saber si se van a originar y cuándo los fallos en el sistema, permitiendo desarrollar planes de mantenimiento por adelantado.
4. Desarrollar el sistema productivo de forma ágil y constante, incorporando cambios que optimen la productividad de forma real.
5. Predecir el resultado esperado con datos inequívocos.

En las primeras etapas, los gemelos digitales se orientaban especialmente al diseño de equipos, análisis de sistemas y procesos y mantenimiento, pero a día de hoy se extienden a prácticamente todas las áreas de la vida, aumentando así sus ventajas.

Ciudades virtuales (la ciudad alemana de Herenberg o Singapur son claros ejemplos de esto), turismo, estudios para prevenir la expansión del COVID, arquitectura, etc., son algunos de los ejemplos que encontramos usando ya gemelos digitales.

¿Cómo funcionan y se crean los gemelos digitales?

Se trata de reproducir un proceso real, dentro de un entorno virtual.  Las fases para pasar de un sistema real a la simulación virtual, se pueden dividir en tres:

• La descripción: la copia digital de los elementos físicos.
• La predicción: permite prever problemas y aplicar técnicas de mantenimiento predictivo.
• La simulación: posibilidad de comprobar la respuesta del sistema ante cambios en sus condiciones.

¿Cómo funciona el gemelo digital y las nuevas tecnologías?

Veamos cómo funciona realmente un gemelo digital y qué aporta cada tecnología de las mencionadas en este funcionamiento.

Hablar de IoT, Big Data, Cloud Computing y Machine Learning requiere de una explicación sencilla.

IoT (Internet de las cosas)

El IoT o Internet de las cosas es un concepto que se refiere a una interconexión digital de los objetos cotidianos con Internet. A veces de forma directa (móvil) y otras a través de redes intermedias (como las pulseras de actividad).

Un gemelo virtual requiere la mayor cantidad de información posible. Es decir, cuantos más datos e información tenga, mejor representado estará el sistema real.

Es en esto donde el IoT entra en juego. Se instalan sensores y herramientas de recopilación de datos sobre el proceso o producto en tiempo real.

A mayor cantidad de datos recogidos, más fiel será el gemelo virtual que se reproduzca.

Big Data

El Big data es el análisis masivo de datos. Una cantidad de datos tan grande que con las aplicaciones tradicionales no podríamos capturar, tratar y analizar.

En la construcción de gemelos digitales, se van a generar tal cantidad de datos que sería impensable gestionarlos sin un sistema de BigData que pueda aprovechar esta información.

Cloud Computing

El Cloud Computing o computación en la nube ofrece servicios ya acceso al software de manera flexible y desde cualquier lugar.

En la creación de gemelos digitales, es necesario recibir y procesar toda la información obtenida de diferentes lugares, así como un acceso a la información real,  de manera que es necesario un sistema en la nube.

Machine Learning

El Machine Learning es una disciplina de la Inteligencia Artificial que hace referencia a crear sistemas que aprenden automáticamente (esto implica que los sistemas se mejoran de forma autónoma con el tiempo). Evidentemente aprenden identificando patrones complejos en millones de datos. De ahí la importancia de aportar la mayor cantidad de datos posibles.

Se entiende entonces, que para los gemelos digitales, una vez recibidos los datos de IoT, analizados y procesados gracias al BigData, las simulaciones son capaces de analizar, aprender y perfeccionar los modelos gracias al Machine Learning.

Con esto, ya es posible generar el producto o proceso y ensayar cambios en este entorno antes de replicarlos en el real. De esta manera será posible acelerar los procesos de innovación con menor probabilidad de errores.

Dificultades

Pese a las grandes ventajas de los gemelos digitales, se siguen encontrando ciertos obstáculos para poder obtener los beneficios de esta tecnología.

Capacidades técnicas.

Es importante contar con la formación adecuada cuando hablamos de dispositivos de Iot, análisis con BigData y desarrollo de la Inteligencia Artificial para crear modelos.

No siempre vamos a encontrar estas capacidades dentro de las empresas por lo que es importante buscar aliados tecnológicos.

Ciberseguridad industrial.

Es necesario proteger el entorno tecnológico en el que vamos a desarrollar los gemelos digitales.

Es necesario dotar a las empresas con los recursos para evitar ciberataques.

Digitalizar la industria.

Es necesario digitalizar los modelos de producción tradicional.

La tan nombrada transformación digital es imprescindible para desarrollar estos modelos.

Coste

Las tecnologías de BigData presentan aún un coste elevado por lo que puede ser una dificultad añadida para algunas empresas.

Resistencia al cambio

Cualquier transformación importante en una empresa supone una resistencia al cambio, por lo que hay que invertir en la formación y adaptación de las personas.

Ejemplos o referentes

Como ya hemos comentado hay muchas aplicaciones para los gemelos virtuales además de la industria.

De hecho, la pandemia del COVID ha hecho agudizar el ingenio para poder explotar esta tecnología.

Gemelos digitales en pandemia

¿Cómo ayudan los gemelos digitales para luchar contra la pandemia?

Un ejemplo real fue el gemelo digital de Cataluña (desarrollado por inLab FIB UPC) que permite prever escenarios de evolución de la propagación del COVID y entender la dinámica de propagación de este.

En los hospitales, se pueden realizar simulaciones para evitar colapsos,  anticiparse a lo que le pasaría a un paciente infectado por COVID, predecir cuándo y dónde se puede producir un rebrote, minimizar los contagios, etc.

Pero no solo es útil en los hospitales, también es posible analizar el comportamiento de los visitantes en una ciudad (especialmente útil para el sector del turismo).

Por ejemplo, la ciudad de Herenberg en Alemania, ha digitalizado todos sus lugares emblemáticos para que los turistas puedan recorrerlos de forma virtual. Y esto no solo es útil para realizar estas visitas virtuales, sino que permite predecir la respuesta de las personas cuando el turismo vuelva a permitirse.

Planificación de ciudades

Otra aplicación, para las ciudades, es crear un modelado espacial del entorno, simulando movimientos de personas, evacuaciones de emergencia, riesgos de inundación, gestión de la energía, etc.

Singapur ha desarrollado Singapur Virtual, un modelo dinámico tridimensional que permitirá ser usada por diferentes sectores para solucionar los desafíos de esta ciudad. 

Gemelos digitales en la construcción

En construcción, cuentan con su propio lenguaje para establecer gemelos digitales. Empleando la metodología BIM (Building Information Modeling), modelan edificaciones, monitorizan y realizan representaciones de las construcciones.

De esta forma se detectan interferencias entre elementos constructivos, mejoran la eficiencia y permiten simular el comportamiento de los elementos físicos mejorando la eficiencia y los costes.

Los gemelos digitales guardan información sobre planos de edificios, medidas y el estado del proyecto permitiendo que todas las partes involucradas colaboren desde el diseño hasta el  final del proyecto.

Gemelos digitales en la industria

Algunos ejemplos de su uso en la industria pueden verse por ejemplo en General Electrics, que está usando una plataforma Iot para sus turbinas de viento para encontrar una solución para protegerlas de los violentos vientos del Atlántico Norte o Rolls Royce, que usa gemelos digitales para mejorar el diseño de sus motores de avión.

¿Qué dicen los expertos acerca de los gemelos digitales?

La idea de los gemelos digitales no es nueva. Diferentes expertos en las nuevas tecnologías han hecho referencia a ellos desde hace ya bastante tiempo.

Ya en 2002 Michael Grieves, ingeniero informático, mencionó la posibilidad de crear representaciones digitales de sistemas físicos que tuvieran entidad por sí mismas.

Más tarde las consultoras han marcado la tendencia de los gemelos digitales como una tecnología futura y en evolución.

En 2017 Deloitte o KPMG ya plantearon que los gemelos digitales iban a transformar numerosos procesos (en los informes Industry 4.0 and the digital twin y Beyond the hype, respectivamente)

En 2017, Deloitte, en el informe Industry 4.0 and the digital twin, analizaba los beneficios de los gemelos digitales, incluyendo la prevención de tiempos de inactividad y previsión de problemas reduciendo así los fallos, además de la posibilidad de planificar y simular nuevos procesos o productos, la capacidad de personalizar la producción según los requerimientos del cliente y desarrollar nuevas oportunidades de negocio.

La consultora IDC detectó en 2018 mejoras del 30% en los procesos críticos de aquellas compañías que invirtieron en esta tecnología.

Según la consultora Gartner representa la cuarta tendencia tecnológica de 2019, prediciendo que para el año 2021, el 50% de las principales compañías industriales implementará el uso de los gemelos digitales, lo que proporcionará a estas empresas un incremento del 10% en su eficacia.

Es tal su evolución que según un estudio de Juniper Research, la tecnología del gemelo digital experimentará en 2021 un crecimiento en su inversión hasta alcanzar los 12,7 billones de dólares.

Por tanto, está claro que los gemelos digitales se han convertido en una figura clave para el desarrollo de la industria 4.0. y que en los próximos años va a suponer un auténtico cambio para todos los que sepan aprovechar sus ventajas.

Se trata de transformar y digitalizar la industria, y en esta transformación digital los gemelos virtuales engloban mejor que ningún otro sistema estos cambios tecnológicos.

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