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Digital twin: cos’è, come funziona e perché è utile agli smart building

Digital twin: cos’è, come funziona e perché è utile agli smart building

Cos’è e come funziona il digital twin

Un 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) a un contesto industriale fino alla gestione di un edificio. 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.

Nascita, evoluzione e situazione attuale

Il concetto 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 un 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 2023 si prevede raggiungerà i 15,66 miliardi di dollari, con un CAGR del 37,87%.

Il cuore tecnologico del digital twin

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.

Origine e struttura di una copia digitale

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.

Digital twin, dall’Industria 4.0 al real estate

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.

Digital twin nell’Industry 4.0

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».

La diffusione del gemello digitale in azienda

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.

Digital twin, tra industry e real estate

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.

Industria e immobiliare, differenze e analogie

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.

 

 

Digital Twin e BIM

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.

Gemello digitale e building information modeling, differenze

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”.

I vantaggi per il settore immobiliare

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».

 

Scritto da
Andrea Ballocchi