Generación de gemelos digitales interactivos

Generación de gemelos digitales interactivos

Dr. Carles Creus López

27 de Febrero de 2020

INTRODUCCIÓN

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Contexto

https://mts-consultingpartner.de/industrie-4-0/

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Digital Twin

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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.”

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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)





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)





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)





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)



• Energético

• Construcción

• Medicina


• Infraestructura


• 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)



• Energético

• Construcción

• Medicina


• Infraestructura


• 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

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XR

Data model extraction

Real World Digital Twin

CAD + scans


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XR



Interactive visualization

Cyber-security

Simulation

What-if scenarios

CAD + scans


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XR




Cyber-security

Decision-making supportSimulation

What-if scenarios

CAD + scans


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XR




Cyber-security


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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Sensors (IoT)

Scanned 3D data

3D models (CAD)

Factory layout


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XR



Sensors (IoT)

Scanned 3D data

3D models (CAD)

Factory layout

CAD + scans


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XR




Cyber-security

Simulation

What-if scenarios

Sensors (IoT)

Scanned 3D data

3D models (CAD)

Factory layout

CAD + scans


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XR




Cyber-security


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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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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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

Generación de gemelos digitales interactivos

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