Un digital twin o gemello digitale è una replica digitale di un’entità fisica, che può essere un oggetto semplice o complesso, una risorsa o un processo. Serve per comprendere lo stato del bene, simulare situazioni, monitorarne il funzionamento e risolvere problemi. Le applicazioni sono davvero vaste: si spazia dal settore aerospaziale (dove è stato utilizzato per la prima volta) al contesto industriale fino alla gestione di un edificio o di una città. Tecnologicamente parlando, si basa su tre pilastri: un oggetto o dispositivo fisico e reale, un alter ego virtuale esistente nel mondo digitale e un “ponte” in grado di collegare le due parti, connettendole, raccogliendo e inviando informazioni.
Il concetto e la definizione di digital twin l’ha introdotto nel 2002 Michael Grieves, della University of Michigan come parte della propria ricerca sulla gestione del ciclo di vita del prodotto (Product Lifecycle Management – PLM).
Il settore aerospaziale è stato pioniere nell’utilizzo del digital twin: la NASA è stata la prima a sperimentarne le potenzialità, fin dagli albori dell’esplorazione dello spazio, ancora prima che fosse identificato e teorizzato. L’ambito si prestava bene dato che in un contesto così distante da mezzi fisici occorreva controllare, effettuare manutenzione e riparare sistemi. Da qui l’ente spaziale statunitense ha avviato studi che hanno poi portato a impiegare i gemelli digitali in contesti molteplici, potendo simulare condizioni d’uso.
Se il nome è stato introdotto nei primi anni del secondo millennio, è stato grazie all’avvento dell’Internet of Things che il digital twin – chiamato anche copia digitale dinamica – ha trovato evoluzione, compimento e sviluppo. Si è reso così possibile processare e analizzare una mole di dati notevole in modo rapido ed efficace. Il gemello digitale, grazie all’IoT e all’intelligenza artificiale permette oggi di analizzare un flusso enorme di dati e di monitorare i sistemi per svolgere manutenzione predittiva, ampliando la gamma di applicazioni e riducendo al contempo i costi di un progetto.
Ciò che rende esclusivo il digital twin è la sua capacità di fornire informazioni sullo stato attuale, le prestazioni e la salute delle risorse e dei processi tanto quanto simulare opzioni future per ottimizzare attività e servizi.
L’importanza che assumerà il digital twin è sintetizzata dalle previsioni di Markets & Markets, che stimano un mercato in crescita esponenziale: al 2025 si prevede raggiungerà i 15,66 miliardi di dollari, con un CAGR del 37,87%.
La tecnologia digitale gemellare utilizza sensori collegati al cloud integrati nelle macchine per caricare dati operativi in tempo reale, producendo simulazioni virtuali aggiornate di macchine reali. I produttori possono quindi utilizzare l’analisi dei margini per analizzare e valutare il rendimento dei loro prodotti sul campo. L’obiettivo finale è avere un contesto digitale in esecuzione per ogni risorsa del mondo reale sul campo, con la replica virtuale pronta ad aggiornare il suo stato grazie alla ricezione e analisi dati.
L’Internet of Things, come detto, è la chiave per implementare tale tecnologia. La crescente convenienza dei sensori, l’uso ormai diffuso del Wi-Fi e la capacità di trasmissione dei dati del cloud si combinano per rendere l’applicazione della modellazione digitale accessibile su larga scala per una vasta gamma di soluzioni e per un’ampia platea di aziende.
I gemelli digitali stanno diventando il modo per digitalizzare asset, sistemi e processi industriali per comprendere, prevedere e ottimizzare meglio le prestazioni industriali per ottenere migliori risultati di business.
Ma da dove si origina un gemello digitale? In generale, la creazione di un gemello digitale risponde a due esigenze, spiega Deloitte: da una parte, progettare i suoi processi e i requisiti informativi nel ciclo di vita del prodotto, dalla progettazione dell’asset all’uso sul campo e alla manutenzione dell’asset nel mondo reale; dall’altra, creare una tecnologia abilitante per integrare l’asset fisico e il suo gemello digitale e il relativo flusso di dati in tempo reale dei sensori e delle informazioni operative e transazionali provenienti dai sistemi centrali dell’azienda, come espresso in un’architettura concettuale.
Il gemello digitale serve come replica virtuale di ciò che sta effettivamente accadendo in un ambiente in tempo reale. Questo è possibile grazie ai sensori, distribuiti ovunque nell’ambiente fisico e nelle componenti di processo, che sia un’azienda con macchinari o uno smart building con sale e impianti vari. I sensori processano i segnali, di vario tipo, permettendo al gemello digitale di catturare dati operazionali e ambientali, e grazie alla tecnologia di aggregazione tra il mondo fisico e il mondo digitale vengono elaborati mediante tecniche analitiche, impiegate per analizzare i dati attraverso simulazioni algoritmiche. Da qui la risposta, tramite attuatori, ovvero dispositivi fisici che rispondono a una determinata esigenza o problema da risolvere.
Il digital twin si candida a rivoluzionare il modello di gestione di un edificio, apportando benefici in ambito predittivo. Ma questo vale in molti ambiti. Grazie al gemello digitale, infatti, sarà possibile guardare in avanti, simulando comportamenti o situazioni varie e complesse in tempi rapidi. Ne trarrà vantaggio l’edilizia e il settore immobiliare, ma ne godrà anche il settore industriale, specie in ottica Industry 4.0. Anzi, proprio il comparto produttivo già in qualche modo conosce e in parte ha sperimentato il gemello digitale.
La storia del gemello digitale nasce, infatti, in un contesto industriale. Si è scritto che fu Michael Grieves a introdurre per la prima volta il concetto nel 2003, e lo fece pubblicando un articolo intitolato “Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication” (Digital Twin: Eccellenza nella produzione attraverso la replica virtuale in fabbrica).
Il gemello digitale è un elemento fondamentale per Industria 4.0, dal punto di vista teorico, e per la digitalizzazione della produzione. Il suo contenuto è basilare durante tutte le fasi del ciclo di vita e all’interno di diversi tipi di piattaforme e strumenti, dall’ingegneria ai servizi post-vendita. Ora alla teoria serve passare alla pratica ed è su questo che lavora una parte della ricerca, in ambito accademico e non solo. Afferma Franco Fummi, docente di Ingegneria informatica dell’Università di Verona, responsabile del progetto di Eccellenza del dipartimento di informatica che:
«La direzione di ricerca relativa al gemello digitale è di interesse per l’ambito industriale in quanto ci si è accorti che è uno degli aspetti più complessi da approcciare, specie per quelle aziende che contano già su linee produttive, costituite il più delle volte assemblando parti senza però avere una visione di insieme. Tutto ciò produce squilibri anche in termini di efficienza complessiva. Qui entra in gioco il digital twin: assicurando la possibilità di effettuare simulazioni, permettendo di comprendere se determinate scelte o azioni possono offrire vantaggi o meno».
Le caratteristiche del digital twin lo rendono ideale per la gestione aziendale. Per questo Gartner sostiene che sebbene oggi solo il 13% delle organizzazioni che implementano progetti basati sull’Internet of Things lo impieghi già, il 62% sta già cercando come stabilire l’utilizzo del gemello digitale o stia pianificando di farlo. La previsione è che entro il 2022, oltre due terzi delle aziende che già contano su soluzioni IoT avranno implementato almeno un digital twin nel ramo produttivo.
Il modello rappresentato dal digital twin applicabile nel segmento industriale è possibile trasportarlo nel real estate, ma con opportuni distinguo. In ambito industriale i singoli componenti appartenenti a una linea di produzione possono avere un grado di complessità elevatissimo. Un esempio è dato dalla necessità di comprendere l’attività di ogni singola macchina e cosa ciò significhi in termini di monitoraggio, con la necessità di stabilire modelli cinematici con un grado di dettaglio che include anche micro operazioni. Tutto questo richiede un’estrema complessità, ma la connessione delle singole macchine è semplice. Invece in un mondo, quale un edificio, non implica operazioni così complesse: ci sono persone che si muovono negli ambienti, le grandezze da manipolare non sono quindi così problematiche. «La singola operazione è più semplice, ma è più complesso rappresentare l’interazione tra le singole operazioni», sottolinea Fummi.
In termini di gestione, ci sono altre differenze, ma anche analogie: a livello tecnologico, i sensori per il real estate si basano sull’Internet of Things, mentre nel contesto industriale si adottano soluzioni Industrial IoT. Il simulatore di base, adottato nel comparto industriale e immobiliare, è diverso perché da una parte si hanno eventi discreti, dall’altra continui, così pure sono differenti le scale temporali. Le lavorazioni possono avvenire in secondi o in decimi di secondi, la temperatura o il grado di umidità di un ufficio non si alterano repentinamente. Detto questo, i concetti sono analoghi: esistono azioni che modificano un ambiente, che deve essere monitorato con opportuni sensori e si deve contare su un modello per sapere come l’ambiente evolverà nel tempo e, a fronte di sensori che catturano dati reali, è possibile confrontare ciò che si sta pensando che avvenga con ciò che sta accadendo realmente.
Il processo progettuale e costruttivo si apre sempre più alle possibilità offerte dalla digitalizzazione. Fondamentalmente ci sono due importanti presupposti per passare da una visione analogica a una digitale: BIM e digital twin. A volte però i due concetti vengono confusi, mentre invece dalla sinergia si potranno avere benefici consistenti.
Come abbiamo scritto, il digital twin è una replica digitale di un’entità fisica, che può essere un oggetto semplice o complesso, una risorsa o un processo. Nato nel mondo manifatturiero nel 2003, ma introdotto già decenni prima alla NASA, è considerabile come l’evoluzione del BIM, acronimo di Building Information Modeling, un processo basato su modelli 3D che fornisce ai professionisti dell’architettura, dell’ingegneria e dell’edilizia le conoscenze e gli strumenti per pianificare, progettare, costruire e gestire edifici e infrastrutture in modo più efficiente.
Potremmo dire che il BIM caratterizza l’edificio come dovrebbe essere, mentre il digital twin è come l’edificio è e sarà. Più nel dettaglio, il BIM nasce per coadiuvare il progettista a contare su tutte le informazioni utili per la realizzazione di un edificio. Ma non può fornire informazioni in tempo reale, cosa invece possibile al digital twin. Quest’ultimo, contando su sensoristica IoT applicata e su funzioni di Intelligenza Artificiale, abilita lo sviluppo di smart building, edifici capaci di rispondere immediatamente ai bisogni e ai desideri degli utenti. Le informazioni ricavate dall’analisi dei dati in tali edifici vengono gestite automaticamente per migliorare le prestazioni degli utenti, abilitando servizi e informandoli. La tecnologia che caratterizza il gemello digitale può essere di aiuto al mondo immobiliare, ad esempio, per comprendere meglio le esigenze dei clienti, consentendo di apportare migliorie più rilevanti su prodotti, servizi e modelli di valore che migliorano significativamente l’esperienza del cliente.
Grazie al digital twin diventa quindi più facile interagire con e nell’immobile per le finalità più disparate, specifica BIM Italy. Si potranno, infatti:
“testare nuove soluzioni architettoniche o verificare piani di sicurezza, affittare i locali commerciali ed effettuarvi progetti di rinnovo, pianificare ed effettuare ispezioni agli impianti, o anche solo, più semplicemente, catalogare e archiviare documenti, schede tecniche ed informazioni necessarie alla gestione e manutenzione dei suoi singoli componenti”.
Il segmento immobiliare avrebbe quindi solo da guadagnarci nell’applicare il gemello digitale: oggi, infatti, si parte da un contesto diverso. «Immaginiamo di avere un modello in 3D di un edificio, in cui collocare sensori in grado di monitorare le sue grandezze fisiche (temperatura, umidità, luminosità, consumi energetici dei vari apparati…). Mettere in comunicazione le due parti, virtuale e reale, è fattibile, tecnologicamente parlando – spiega Franco Fummi, docente di Ingegneria informatica dell’Università di Verona – Questo consente di avere un modello visibile in una control room dove poter vedere come sta evolvendo, dal punto di vista delle grandezze, il mio edificio fisico. Però il modello 3D non è assimilabile al concetto di digital twin, ovvero non è capace di rappresentare l’evoluzione dell’edificio, ma sta offrendo una geolocalizzazione della sensoristica, al pari di una mappatura».
Il tema della predizione è più complesso ed è per questo che serve un modello più sofisticato per la simulazione. Per esempio, se si vuole gestire il condizionamento e quindi il comfort, dovendo considerare il numero di persone che occupano un ambiente e che si spostano, monitorando i cambiamenti in tempo reale, occorre aggiungere sensoristica specifica. Se poi aggiungiamo il grado di temperatura prevista, facendo coincidere esposizione e di orientamento solare, il modello assume una complessità ancor più avanzata. Qui ci deve porre la domanda su quale tipo di modello dell’edificio si voglia arrivare. Ed è a questo proposito che entra in gioco il gemello digitale: può fornire soluzioni utili a gestire questioni complesse.
Uno dei vantaggi che promette il digital twin è la sua applicabilità con il Building Information Modeling. Il BIM è un sistema che permette di raccogliere tutte le informazioni sulla progettazione e sulla conduzione dell’edificio: «quando si parlava prima di modello 3D è, in sintesi, ciò che è possibile col BIM, che è la summa di tutte le informazioni raccolte riguardanti l’edificio – specifica Fummi – Se si aggiunge capacità simulativa al BIM, tramite la connessione a sensori reali, si avrebbe il digital twin di un building».
Il digital twin è uno strumento ideale per lo smart building, per mettere in atto la gestione e l’efficienza energetica e soddisfare al meglio l’esigenza di comfort e di benessere di chi vive e abita l’edificio. È l’evoluzione del Building Information Modelling (BIM) e di tutti i sistemi di rappresentazione dell’edificio in maniera geometrica e virtuale. In pratica, oltre a comprendere la parte relativa alla progettazione, permette di contare su tutti i dati e le informazioni in tempo reale tratti dall’edificio-impianto.
Il gemello digitale va considerato alla stregua della cartella clinica del costruito, in cui oltre ai dati passati entrano anche quelli presenti e futuri per il costante monitoraggio del suo “stato di salute”. Nel caso del building, i dati al presente sono quelli generati e comunicati grazie all’Internet of Things, che ha fornito a macchine e impianti la possibilità di dialogare tra loro e con i sistemi di supervisione e controllo.
Da qui bisogna partire, non solo per le nuove costruzioni, ma anche e soprattutto per quelle esistenti, da sottoporre a una profonda opera di riqualificazione energetica e tecnologica. Occorre riferirsi al modello smart building, ovvero un edificio che utilizza tecnologia per condividere le informazioni su ciò che accade al suo interno tra i sistemi, in modo da ottimizzare le prestazioni complessive. Queste informazioni sono poi impiegate e finalizzate per gestire in modo automatizzato i vari sistemi che spaziano dal riscaldamento alla climatizzazione fino alla sicurezza e alla prevenzione incendi. La caratteristica fondamentale di un edificio intelligente risiede nel fatto che i sistemi centrali al suo interno sono collegati e in dialogo tra loro e generano dati.
Ottenere informazioni mirate risponde inoltre alla finalità del digital twin per rendere “intelligenti” gli spazi: gli smart spaces sono appunto questo. Rispondono alla finalità di sapere come gli ambienti sono vissuti, aprendo opportunità notevoli in tema di smart working, per esempio, e centrando in pieno il concetto di space as a service, spazi e servizi ottimizzati per il lavoro che deve svolgere ogni individuo, come e quando ne ha bisogno.
Il gemello digitale, è bene ricordarlo, è una rappresentazione virtuale dinamica di un bene fisico. Utilizza dati in tempo reale per rappresentare virtualmente come funziona un edificio, dove è necessario provvedere a interventi dedicati e prevedere eventuali criticità o fattori di stress.
A tale proposito, questo strumento offrirà al facility manager la possibilità di accedere alle informazioni in maniera più semplice e immediata, potendo così svolgere interventi necessari alla manutenzione degli edifici, immediatamente e in remoto. Non solo: il digital twin comprende anche la possibilità di avere sempre a disposizione lo storico dell’edificio, avendo ben presente la traccia digitale sia la possibilità di analizzare interventi ordinari e predittivi. A quest’ultimo proposito il contributo dell’Intelligenza artificiale sarà importante per riuscire a comprendere prima eventuali necessità cui rispondere.
Il digital twin risponde alla necessità di fare efficienza energetica, obiettivo principale cui rispondono gli smart building. Il 40% circa dell’energia prodotta a livello globale è consumata dall’edilizia. Un modello 3D dell’edificio, arricchito con informazioni tecniche rilevanti per le operazioni successive è la base per una gestione dell’edificio efficiente, ma non solo. Le simulazioni degli edifici possono essere utilizzate per valutare il fabbisogno energetico, la qualità dell’ambiente interno, le emissioni di CO2 e i periodi di ammortamento delle misure di risparmio energetico per tutta la durata di vita del bene.
La stessa Navigant Research ammette che una soluzione che integri BIM e digital twin comporta un elevato impegno economico e di modelli iniziali, “ma i benefici a lungo termine superano significativamente i costi aggiuntivi”.
Un esempio: il Siemens Campus a Zugo (Svizzera) è un modello all’avanguardia che rappresenta concretamente quelle che sono le potenzialità tecnologiche combinate in edilizia. La struttura è dotata di sistemi di automazione degli edifici innovativi, sistemi di recupero del calore e di raccolta dell’acqua piovana, di impianti solari fotovoltaici ed è un modello di riferimento per mettere in pratica le opportunità di efficienza energetica, digitalizzazione e analisi dei dati nel settore delle tecnologie edilizie. Costato circa 250 milioni di dollari, la struttura di 18.400 metri quadri, è certificato LEED Platinum, per il plesso adibito agli uffici e LEED Gold per lo stabilimento produttivo. Entrambi gli edifici sono stati qualificati con lo standard svizzero Minergie, sinonimo di efficienza e mantenimento del valore nel tempo, ma che mette al centro il comfort abitativo e lavorativo degli utenti.
Attuare il gemello digitale permette di ridurre il fabbisogno energetico e i costi relativi. L’esempio, in questo senso, è fornito dalla Nanyang Technological University (NTU) di Singapore. IES, la società che ha fornito un modello interattivo di visualizzazione 3D e masterplanning per l’ateneo, ha calcolato che il risparmio ottenibile dall’implementazione della soluzione, dai test virtuali, dalla modellazione operativa dettagliata di 21 edifici e dalla conseguente ottimizzazione delle prestazioni, ha permesso un risparmio energetico del 31%, quantificato in 4,7 milioni di dollari.
Recentemente si sono sviluppate delle applicazioni del gemello digitale in ambito smart city. Questa tecnologie permetterebbe infatti di avere un approccio più olistico alla progettazione urbana alla gestione delle infrastrutture cittadine, portando diversi vantaggi di ottimizzazione, maggiore efficienza, risparmio sui costi operativi e maggiore sostenibilità.
I principali casi applicativi in città riguardano la simulazione dei movimenti delle persone e delle evacuazioni di emergenza, ma anche la stessa progettazione di edifici intelligenti, infrastrutture come ponti o reti e la gestione dell’energia.
Il digital twin viene fondamentalmente usato per analizzare lo stato di un oggetto, simulare situazioni, monitorarne il funzionamento e risolvere eventuali problemi e criticità. Si basa sull’uso di sensori wireless, telecamere intelligenti e altri dispositivi smart.
Esistono già casi di applicazione del digital twin in ambito smart city. A Singapore, ad esempio, è stato realizzato Virtual Singapore, un modello 3D in cui virtuale e reale si combinano, unendo dati reali e simulazioni virtuali su mobilità, clima, inquinamento atmosferico, situazione di emergenza in aree critiche ecc.
In Europa, abbiamo esempi a Rotterdam e a Helsinki, che sta sperimentando i benefici di queste nuove tecnologie già dal 1987.
Sempre in Europa, il programma LEAD porterà alla sperimentazione dei Digital Twins in 6 città: Madrid, L’Aia, Budapest, Lione, Oslo e Porto. L’obiettivo è quello di testare soluzioni innovative per migliorare la logistica, la mobilità e le infrastrutture delle smart city.
In Italia, a Genova, si stanno facendo diverse sperimentazioni sul campo. In particolare, sono in fase di sviluppo tre casi interessanti legati alla riqualificazione di alcune infrastrutture che vedo il coinvolgimento di alcune istituzioni e centri tecnologici di eccellenza, come Start 4.0, Leonardo e l’IIT (Istituto Italiano di Tecnologia).
Smart building sono nati per gestire al meglio l’energia, ottimizzare i consumi e rendere più confortevole e sicura la vita dei residenti. Ecco quali sono le loro caratteristiche, la loro storia e i vantaggi che garantiscono
Nella smart city, le tecnologie sono usate per rendere la città più efficiente, sicura e sostenibile e per migliorare la qualità della vita dei cittadini
