Le tecnologie abilitanti lo sviluppo di prodotti virtuali destinati a risiedere in contesti IoT – sempre più sensorizzati e con capacità di condividere informazioni sul proprio stato reale e istantaneo – rendono possibile l’ottimizzazione del funzionamento e del comportamento del gemello fisico che agisce e funziona all’interno di questa dimensione

di Umberto Cugini, Politecnico di Milano

Viviamo in un mercato sempre più definito e pilotato da esigenze e nuovi gusti di clienti potenziali cui viene applicata una inconsapevole e automatica profilazione, orchestrata, gestita e monetizzata da parte dei proprietari delle piattaforme con cui il singolo cliente interagisce. In questa situazione il lavoro dei responsabili dell’innovazione e dello sviluppo prodotto – sotto la spinta delle “rivoluzioni” e dei rapidi cambiamenti del mercato – si fa sempre più complesso e pressante anche perché le tecnologie abilitanti e/o di supporto, evolvono e cambiano allo stesso ritmo.

Di fronte a questo scenario in continuo cambiamento cosa progettare, come e con cosa? E inoltre, qual è la reale situazione delle tecnologie abilitanti  – stabili, robuste, supportate – disponibili “off the shelf”, e come queste impattano sul metodo di progettazione?

Un percorso in divenire

Negli ultimi 50 anni siamo passati attraverso varie generazioni tecnologiche dei ben noti sistemi CAD, nelle loro varie evoluzioni: 2D, 3D, più o meno flessibili, parametrici, intelligenti (ICAD, KAD), orientati o condizionati dalle tecnologie di produzione (CIM) e/o di gestione del processo di gestione delle informazioni relative alla intera vita del prodotto (PLM).

Ma ora quando la richiesta pressante che viene dal mercato è di prodotti innovativi, integrati, emozionali, affidabili, sostenibili, ottimizzati quali sono gli strumenti a disposizione e da usare per progettare questi Nuovi Prodotti?

Dimenticato il CAD, tristemente obsoleto anche se onnipresente, abbiamo già assimilato, anche se non completamente attuato, il concetto di Virtual Prototyping per il Virtual Testing che riduce tempi di sviluppo e costi. Abbiamo poi, solo molto parzialmente, fronteggiato il passaggio all’iVP (interactive VP), cioè un Virtual Prototype usabile attraverso interfacce fisiche, “reali” o assimilabili, per poter validare in anticipo, in linea con un approccio AGILE, un uso generico da parte di reali utenti prima di congelare le specifiche e far partire la produzione del “Prodotto Innovativo TO BE”.

Ultimamente sentiamo sempre più spesso far riferimento al Digital Twin (DT), questo “gemello digitale” essenziale oggi in settori di riferimento trainanti come l’Aerospace e l’Impiantistica più integrata.

Digital Twin: Come, dove, quando e perché utilizzarlo? E chi lo realizza e con quali tecnologie? Ma soprattutto; cos’è questo Digital Twin di cui sempre più si parla? L’idea, come vedremo è concettualmente semplice.

Digital Twin: cosa, come e perché

In senso strettamente tecnico il DT è un sistema integrato di modelli (il VP per intenderci) – realizzato e usato nella fase di progettazione/validazione per arrivare al prodotto fisico – che viene inserito nell’ambiente reale di utilizzo e lì convive con la vita reale del prodotto (Physical Twin). Lo possiamo quindi definire come un insieme connesso di modelli e sistemi di simulazione che consente di simulare il risultato/conseguenza di un’azione/manovra di un sistema reale che opera in un ambiente reale.

Avere in linea il DT permette perciò di verificare (tramite simulazione di complessi, e non previsti a priori, fenomeni fisici derivanti da potenziali manovre “non standard”) le conseguenze di azioni/situazioni straordinarie prima di attivarle. In altre parole permette di verificare, attraverso la simulazione, le conseguenze di un “ what if ..” nel contesto reale, ma con qualche sostanziale differenza rispetto alla progettazione:

  • nella fase di progettazione il VP viene usato per le varie simulazioni, singolarmente e/o integrate, per verificare/validare e ottimizzare il progetto rispetto a target di performance relativi a efficienza e efficacia, in situazioni limite definite a priori utilizzando come dati di riferimento (che caratterizzano il Contesto di utilizzo) i valori massimi e/o minimi previsti e/o imposti da regole di omologazione e certificazione.
  • il DT è il VP usato però come sistema aperto connesso con tutta la sensoristica interna del Physical Twin funzionante nella situazione reale che è a disposizione per poter attivare simulazioni partendo da dati reali che arrivano dal contesto reale sempre più infarcito da oggetti e sensori smart che monitorano e trasmettono dati sullo stato della situazione reale attuale.

Da tutto quanto affermato sinora si evince, quindi, che avere un DT in linea e in parallelo al  Physical Twin – in situazioni eccezionali e/o non previste nelle specifiche di progetto o di omologazione – vuol dire avere la disponibilità integrata di modelli interconnessi di simulazione pilotabili da dati che rappresentano situazioni interne ed esterne “qualsiasi”, In altra parole si è nella possibilità di attivare in real time processi di simulazione “what if ?” prima inimmaginabili. Una situazione che consente di ottimizzare manovre non standard, e relative conseguenze, quando questo si renda necessario.

Gli evidenti e ovvi vantaggi in situazioni critiche sono solo una questione di tempo di risposta della simulazione e di ottimizzazione rispetto al tempo a disposizione (non previsto a priori) per decidere cosa fare.

 Un sistema di modellazione integrato

L’evoluzione che ha contraddistinto questo scenario gioca per fortuna a nostro favore. Le tecnologie abilitanti il DT non sono infatti del tutto nuove e si sono via via sviluppate come un insieme eterogeneo di sistemi di modellazione geometrica e fisica, intesa nelle sue singole e diverse componenti (statica, cinematica, dinamica, fluidica, elettrica, magnetica, energetica, termica, etc).

L’insieme integrato di tutti questi modelli – più le varie modalità di simulazione dei singoli fenomeni modellati, più i sistemi vari di ottimizzazione, il tutto aperto alla comunicazione con una realtà esterna sempre più IoT –  costituisce l’architettura, la sostanza e il dirompente potenziale del Digital Twin.

Tutto si basa su tecniche di modellazione e simulazione numerica che permettono di modellare situazioni e/o fenomeni singoli (Monophysics) che si riferiscono a situazioni limite definite a priori sulla base della conoscenze dovute ad esperienza, norme definite per la sicurezza, ipotesi di situazioni estreme etc. che vengono individuate definite e quantificate da progettisti per fare delle verifiche di performance (tipicamente di non failure ) atte a validare a priori il prodotto to be progettato al momento.Tutto questo per fare in modo numerico (non fisico) una verifica sperimentale con tutti i tempi, costi e vincoli fisici che esistono.

Gli obiettivi, le modalità di simulazione e quanto avviene durante la simulazione è definito nel dataset iniziale della simulazione. Quando queste vengono definite vengono scelte le situazioni più estreme e a rischio di failure per ogni singola performance (rottura statica, fatica, collasso, usura, vibrazioni, crash, etc. ) definendo in maniera precisa e quantificata la situazione esterna ed il suo evolversi. Non necessariamente simulando anche l’evoluzione del mondo esterno, che richiederebbe una modellazione altrettanto fedele del mondo esterno che non si conosce a priori.

Queste simulazioni, singolarmente e nel loro insieme, richiedono di solito consistenti potenze di elaborazione e tempi lunghi. Ma la legge di Moore e le sue più che prevedibili conseguenze (da più di 50 anni ) permette di prevedere con precisione quando queste simulazioni potranno essere in real time relativamente al fenomeno in esame.

Il cambio di paradigma

L’uso di tecnologie e strumenti Model-Based, esistenti e robusti, implica però un cambiamento di paradigma non più incrementale, orientato non soltanto a progettare prodotti fisici e/o servizi, ma inteso a sviluppare Twin (Digital & Physical) ovvero Simulation-Driven System destinati a risiedere in contesti IoT – sempre più sensorizzati e con capacità di condividere informazioni sul proprio stato reale e istantaneo – rendendo possibile ottimizzare il funzionamento e il comportamento del gemello fisico che agisce e funziona all’interno di questo mondo.

In un mondo sempre più IoT cioè popolato da cose smart che “sentono”, misurano e trasmettono, il contesto in cui avvengono tutti i fenomeni risulta essere sempre più monitorato in tempo reale e, quindi, in situazioni eccezionali in cui il nostro nuovo prodotto fisico verrà a trovarsi, si potrà attivare la simulazione per sapere cosa succederà in queste impreviste situazioni.

Basterà inviare queste informazioni al Digital Twin sempre acceso per attivare un processo di What if coerente con la situazione per poi scegliere l’azione non prevista dalle procedure certificate a priori che è meno rischiosa e/o letale. Dipende tutto dal tempo a disposizione per prendere una decisione rispetto al tempo di simulazione con il Digital Twin.