Gemelo Digital, origen y primeros pasos hacia el Metaverso Industrial

¿Podemos llegar a ver cómo funciona una fábrica antes de haberla construido? ¿Y reunirnos en esta fábrica virtual de forma inmersiva y con personas de diferentes localizaciones para validar su funcionamiento? ¿O no esperar a darnos cuenta en el último momento de la validez de una pieza ya que vamos a poder modelar, prototipar y testearla en tiempo real? Estas son algunas del tipo de situaciones que nos permitiría cubrir el Metaverso Industrial.

Lo primero de todo hay que indicar que, para Siemens, el Metaverso industrial es una continuación de nuestra tecnología de gemelo digital en la que ya llevamos más de 15 años trabajando con excelentes resultados para potenciar la sostenibilidad, eficiencia, resiliencia y competitividad de nuestros clientes.

El concepto de gemelo digital es utilizado en muchos ámbitos diferentes, y lo podríamos definir como una representación en un entorno virtual de sistemas físicos reales, desde el modelado de una pieza para análisis mecánicos hasta la simulación de plantas de producción completas, que permiten entender sistemas muy complejos con múltiples interacciones entre sus distintos elementos.

En el entorno industrial los gemelos digitales más utilizados son los del producto y la producción, ya que son los que aportan un mayor valor. Tomando como ejemplo la producción de baterías, que recientemente ha cobrado una gran importancia, el gemelo digital del producto permite entender, prever y optimizar el funcionamiento de las mismas. En este caso se trata de un producto complejo, dado que se deben contemplar aspectos químicos, eléctricos, térmicos y mecánicos. Sin las herramientas de modelado y simulación en las que se basa el gemelo digital, este problema de diseño sería mucho más difícil de abarcar e implicaría un gran número de costosos ensayos, encareciendo y retrasando la liberación del producto.

Tras alcanzar un diseño de la batería, optimizado para los objetivos establecidos (sostenibilidad, peso, durabilidad…), el gemelo digital de la producción proporciona herramientas para modelar el sistema productivo con el que fabricar dichas baterías. Este gemelo digital abarca un amplio abanico de modelos de simulación, entre los que se pueden destacar a modo de ejemplo los siguientes:

Simulación del proceso físico de deposición de las láminas sucesivas de ánodo y cátodo, en el que tendrán gran relevancia aspectos como la tensión del material que forma las láminas.
 

Modelo de las máquinas encargadas de crear y apilar las láminas según el proceso simulado en el punto anterior. Permite validar diseños mecánicos, programas de automatización y hasta dimensionar los motores que moverán la máquina y conocer sus consumos.
 

Simulación de las líneas que conforman la planta de producción, con la que analizar la productividad global, flujos de material, cuellos de botella y otros aspectos cruciales para lograr un sistema de producción lo más eficiente posible.
 

Resulta evidente que gracias al gemelo digital del producto y la producción se alcanza un conocimiento profundo del sistema completo y las interdependencias entre los diferentes subsistemas. Esto es especialmente importante cuando se trata de desarrollos novedosos, pero no se debe pensar que el gemelo digital solo es aplicable en industrias nuevas o en evolución. En toda industria es clave mejorar e innovar continuamente para mantener la competitividad en el mercado, que cada vez es más dinámico y exige mayor agilidad y flexibilidad a los fabricantes.

Otro punto a destacar es que estos gemelos digitales y modelos de simulación no solo son útiles durante la fase de diseño e ingeniería, sino que, explotados correctamente, aportan valor a lo largo del ciclo completo de vida del sistema. Una vez el sistema entra en producción, el gemelo digital se puede ir actualizando para asegurar que representa la realidad de la forma más fiel posible, e incluso comparando las predicciones del modelo con los datos reales del sistema se pueden implementar estrategias de mantenimiento predictivo.

Una vez vistas las ventajas que nos aporta el uso del gemelo digital en la industria, el siguiente paso sería el Metaverso Industrial (MI). Vamos a definir el MI como un entorno donde experimentar de primera mano con los activos industriales; entendiendo por activos industriales los productos, las máquinas, los sistemas o cualquier otro elemento del ámbito industrial. El Metaverso industrial trata de unir el mundo físico con el mundo virtual para dar soluciones a problemas que tenemos actualmente en el mundo real. Las principales características que van a definir el Metaverso industrial son:

• Inmersivo: vamos a poder visualizar el gemelo digital de una forma fotorrealista que se asemejará a la forma en la que vemos las cosas en el mundo real. Este tipo de entornos de gemelo digital más inmersivo ya lo tenemos actualmente en Siemens a través de herramientas del tipo Comos Walkinside, que nos van a permitir realizar entrenamientos de operarios y simular situaciones de riesgo en plantas virtuales.
• Interactivo: Vamos a poder interactuar con el gemelo digital: hacer modificaciones sobre este y ver los resultados en tiempo real. El Metaverso Industrial contaría también con “históricos”, a través de los cuales seríamos capaces de conocer la evolución de un Gemelo Digital. Vamos a poder ir hacia atrás en el tiempo para buscar el origen de anomalías o desviaciones de resultados que estén ocurriendo actualmente, o aprender de situaciones de riesgo para luego evitar que ocurran en la realidad.
• Colaborativo: equipos multidisciplinarios van a poder colaborar desde cualquier parte del mundo y conectarse a través de distintos dispositivos y plataformas a este espacio virtual para tomar decisiones en torno al gemelo digital. Decisiones importantes a nivel de ingeniería, como validar su funcionamiento, planteamiento de mejoras, etc.
   

¿Y qué tipo de tecnologías vamos a necesitar para construir el Metaverso industrial? La primera de ellas ya está comentada: el gemelo digital, que va a ser la piedra angular del Metaverso industrial. Pero también estará formado por la evolución y convergencia de otras tecnologías como IoT, Edge y Cloud Computing, que ya ofrecen soluciones muy potentes en industria, así como la IA, que tiene un grado de aplicaciones prácticamente ilimitado. Además de estas tecnologías ya existentes nos vamos a apoyar en la Realidad Virtual/Aumentada, que proporcionan ese carácter más inmersivo. Nos faltaría dotarlo de conectividad (5G/6G) para poder integrar todas estas tecnologías de forma coherente, poder computacional para poder ejecutar todas estas experiencias inmersivas en tiempo real y de una forma fotorrealista, que sea una solución abierta para que permita una colaboración fluida entre las diferentes tecnologías y, por último, interoperabilidad y precisión, tanto desde el punto de vista del comportamiento como de la interacción.

Se está realizando ya un primer caso real de Metaverso Industrial con Freyr, que es un fabricante noruego de baterías, y que en colaboración con Siemens está creando la primera gigafábrica en este Metaverso industrial. No sólo se va a utilizar para el diseño y la comprobación de la capacidad productiva, sino también para mantener y optimizar estos niveles de producción una vez que se construya la fábrica real. Esto de nuevo es posible gracias a nuestro ecosistema de partners, con Nvidia proporcionando esta tecnología inmersiva y AWS dotando del soporte necesario en la nube para poder llevar a cabo este proyecto.

Entre los casos de uso que se están desarrollando con Fryer podemos destacar: el acceso remoto y la visita virtual, diseño, supervisión y optimización de los activos industriales, teniendo en cuenta que cualquier modificación se va a ver reflejada automáticamente en el Metaverso y empezará a simular las consecuencias de estos rediseños en tiempo real. También la gestión energética, que es vital en un proceso productivo para controlar el consumo y establecer objetivos de sostenibilidad. El Metaverso Industrial, al ser un entorno siempre online, encendido, está constantemente simulando el consumo energético de nuestra fábrica virtual. Y, por último, la puesta en marcha virtual, simulando todos los aspectos de ella como son productos, producción y operación.

Álvaro Hernández y Raúl García 

Ingenieros de Digitalización en Siemens 

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Este artículo aparece publicado en el nº 549 de Automática e Instrumentación págs. 60 a 62.