Jumeau numérique ou simulation

Principaux enseignements

• La simulation constitue le meilleur point de départ pour la validation de la conception, car elle permet d'intervenir avant que les données réelles des actifs ne soient disponibles et reste plus facile à maîtriser.
• Les jumeaux numériques ne sont rentables que lorsqu'un équipement en service nécessite des estimations de son état actuel afin de faciliter la maintenance, le contrôle ou la gestion des défaillances.
• C'est l'exécution en temps réel et la qualité des données de télémétrie qui déterminent si un jumeau numérique facilite le travail d'ingénierie ou s'il ne fait que reproduire des données bruitées.

Optez pour la simulation pour la conception et la validation, et n'utilisez un jumeau numérique que lorsqu'un équipement physique doit rester synchronisé avec les données en temps réel.

Les équipes se retrouvent dans une impasse lorsqu’elles considèrent ces outils comme interchangeables. Une simulation permet de tester le comportement attendu d’un système avant l’installation du matériel ou avant que les opérations en production ne deviennent critiques. Un jumeau numérique assure le suivi d’un actif spécifique à partir de mesures en temps réel et d’estimations de son état. La consommation mondiale d’électricité devrait augmenter en moyenne de 3,4 % par an jusqu’en 2026; les modèles liés aux systèmes d’exploitation doivent donc répondre à un objectif plus précis.

La différence réside dans la synchronisation en temps réel avec les actifs physiques

La principale différence entre un jumeau numérique et une simulation réside dans la synchronisation avec un actif physique. Une simulation consiste à faire fonctionner un modèle en se basant sur des données d'entrée et des conditions hypothétiques. Un jumeau numérique, quant à lui, reste connecté à un actif ou à un parc d'actifs grâce à des données en temps réel. Ce lien permet de comparer le comportement attendu et le comportement réel au fur et à mesure du déroulement des opérations.

Une simulation de variateur de vitesse permet de faire varier la fréquence de commutation, le couple de charge et les gains du variateur bien avant la livraison du matériel. Un jumeau numérique du même variateur installé recueille les valeurs des capteurs, les journaux de pannes et l'historique de maintenance afin d'estimer son état actuel. L'un des modèles vous aide à répondre aux questions relatives à la conception avant la mise en service. L'autre vous aide à répondre aux questions relatives à l'actif après la mise en service.

C'est important, car le travail à réaliser varie selon le modèle. Une simulation nécessite des modèles physiques fiables, des hypothèses claires et des cas de test pertinents. Un jumeau numérique, quant à lui, nécessite une mise en correspondance des données, une gestion rigoureuse des horodatages, l'identification des actifs et une logique de mise à jour. Si vous ne tenez pas compte de cette distinction, vous finirez par créer un modèle coûteux qui ne remplira correctement aucune de ces deux fonctions.

La simulation permet de valider la conception avant que les données d'exploitation ne soient disponibles

La simulation est particulièrement indiquée lorsque vous devez tester le comportement d'un système avant son installation ou avant de pouvoir vous fier aux données d'exploitation. Elle vous permet de soumettre une conception à des conditions extrêmes dans de nombreux scénarios. Vous pouvez faire varier les défaillances, les charges, les délais et les paramètres des contrôleurs. C'est donc la première étape idéale pour la plupart des équipes d'ingénieurs.

Une équipe chargée des onduleurs, par exemple, peut modéliser les pertes de commutation, la réponse thermique et la stabilité de la commande plusieurs mois avant même que le premier prototype ne soit câblé. Une Aérospatial peut vérifier les limites des actionneurs et la synchronisation des lois de commande avant même le début d’un essai au banc. Vous travaillez à partir d’équations, de contraintes et d’entrées attendues. Cette approche suffit lorsque l’objectif est de valider l’intention de conception.

Le coût et la rapidité expliquent pourquoi la simulation prime. Elle permet d’exécuter rapidement de nombreux scénarios, de les répéter sans difficulté et de modifier les hypothèses sans avoir à intervenir sur les équipements sur site. Elle évite également de lier trop tôt le modèle à des données d’usine bruitées. Si la conception continue d’évoluer chaque semaine, un jumeau numérique entraînera une charge de maintenance bien avant d’apporter des informations utiles.

Les jumeaux numériques conviennent aux actifs dont l'état doit être mis à jour en permanence

Les jumeaux numériques conviennent aux actifs dont l'état actuel est tout aussi important que leur modèle de conception. Ils sont particulièrement efficaces lorsque l'état évolue au fil du temps et que ces changements ont une incidence sur la maintenance, le contrôle ou les risques. Le modèle doit intégrer les nouvelles mesures et les concilier avec le comportement attendu. C'est ce qui en fait un « jumeau » plutôt qu'un modèle statique.

Le transformateur de puissance en est un exemple frappant. La température, l'historique de charge, le vieillissement de l'isolation et les conditions ambiantes déterminent son état actuel. Un bloc-batterie présente le même schéma, car l'état de charge, le déséquilibre et la répartition thermique varient au fil de chaque cycle de fonctionnement. Il est donc nécessaire de disposer d'une estimation en temps réel de son état actuel, qui tienne compte du dernier cycle de fonctionnement et de l'historique thermique.

Les mises à jour en continu n'ont d'intérêt que si elles débouchent sur une action concrète. Cette action peut prendre la forme d'un plan de maintenance, d'un ajustement des paramètres de contrôle ou d'une analyse de panne. Si personne n'utilise les données en temps réel pour mener une action spécifique, le jumeau numérique devient un simple miroir de données coûteux. Les bons jumeaux numériques justifient leur existence par la valeur opérationnelle qu'ils apportent au quotidien, et non par la seule complexité de leur modèle.

« Un jumeau numérique reste connecté à un actif ou à une flotte grâce à des données en temps réel. »

Faites votre choix en fonction de la fréquence à laquelle le modèle doit être mis à jour

La vitesse de mise à jour est souvent le critère le plus déterminant. Si votre modèle peut rester utile avec des données planifiées et des études par lots, une simulation suffit. S’il doit refléter l’état de l’actif à vitesse de fonctionnement, vous avez besoin d’un jumeau numérique. Plus les contraintes de temps sont strictes, plus votre flux de données et votre capacité de calcul sont importants.

Une étude d'extension d'une ligne d'alimentation peut très bien s'appuyer sur des profils de charge planifiés et des scénarios prévisionnels. Ce n'est pas le cas d'un contrôleur de convertisseur devant réagir à des défauts du réseau. Le choix ne repose pas tant sur la sophistication du modèle que sur la fréquence de mise à jour et l'impact sur l'exploitation. Cette approche permet de dissiper la confusion qui entoure les jumeaux numériques et la simulation.

La simulation en temps réel rend les jumeaux numériques utiles pour les tests de contrôle

La simulation en temps réel est essentielle lorsqu'un jumeau doit interagir avec du matériel ou des logiciels de contrôle au même rythme que le système physique. Une lecture statique ne suffit pas pour cette tâche. Le contrôleur doit recevoir des entrées crédibles au bon moment. Le modèle doit répondre avec une synchronisation stable et une réponse fidèle du système.

Un contrôleur d'onduleur de réseau illustre clairement ce problème. Si vous lui fournissez une tension décalée, un courant erroné ou un comportement de défaut simplifié, votre test semblera correct alors que la logique du contrôleur n'aura pas été vérifiée. Les équipes qui utilisent OPAL-RT relient souvent le matériel de contrôle, les modèles de réseau électrique et les flux de mesures en boucle fermée, de sorte que les défauts de synchronisation apparaissent avant la mise en service sur site. Cette configuration rend le « twin » utile aussi bien pour les tests en boucle fermée que pour la surveillance.

Les équipes confondent souvent ces deux notions. Un jumeau numérique dépourvu de capacité d'exécution en temps réel peut tout de même permettre le suivi et le diagnostic des équipements. Il ne vous indiquera toutefois pas comment un relais, un convertisseur ou un contrôleur de vol se comporte dans des conditions de synchronisation très strictes. Dès lors que la synchronisation des commandes devient cruciale, le jumeau doit fonctionner exactement comme le système qu’il représente.

Les réseaux électriques recourent d'abord à la simulation, puis passent aux jumeaux

Les réseaux électriques ont généralement besoin de ces deux outils, qui doivent être utilisés successivement plutôt que comme des solutions de remplacement. La simulation intervient en premier lieu pour la conception, les études de défauts, le réglage des systèmes de contrôle et les vérifications des protections. Les jumeaux numériques interviennent ensuite pour l'exploitation des installations qui nécessitent un suivi de l'état et une comparaison continue avec les mesures. Cette approche par étapes permet d'adapter l'effort de modélisation à la maturité du système.

micro-réseau illustre clairement ce schéma. Les ingénieurs commencent par modéliser les lignes d’alimentation, les commandes des convertisseurs et les cas de défaut afin de vérifier la stabilité et les réglages de protection. Après la mise en service, seuls certains équipements sélectionnés font l’objet d’une modélisation jumelée, comme un système de batteries ou un transformateur de sous-station. Aux États-Unis, la capacité de stockage par batterie à l’échelle des services publics est passée d’environ 1 GW en 2019 à plus de 16 GW en 2023, ce qui explique en partie pourquoi l’état des actifs et la réponse opérationnelle revêtent désormais une importance accrue dans les programmes liés au réseau.

Vous obtiendrez de meilleurs résultats si vous ne mettez en avant que les modèles qui favorisent l'action opérationnelle. Les modèles de planification peuvent rester au stade de simulations. Les modèles d'actifs liés à la dégradation, à la mise en service ou à la réponse aux défaillances doivent être transférés vers l'environnement « jumeau ». Cette approche permet aux équipes de se concentrer sur une maintenance utile plutôt que de créer des liens en temps réel pour chaque composant du schéma unifilaire.

La plupart des défaillances trouvent leur origine dans une télémétrie de mauvaise qualité

La plupart des défaillances des jumeaux numériques trouvent leur origine dans des problèmes liés aux données, et non dans des problèmes liés au modèle. Si les horodatages dérivent, si les capteurs ne sont pas synchronisés ou si les identifiants des actifs ne correspondent pas au système physique, le jumeau numérique signalera un état erroné avec une grande certitude. Ce type de problème est plus difficile à détecter qu’une simulation défaillante. Vous ferez confiance aux résultats, car le modèle semble à jour.

Un jumeau de transformateur dont les données de température sont incomplètes peut sous-estimer les contraintes thermiques pendant plusieurs jours. Un jumeau de batterie dont les identifiants de modules ne correspondent pas peut envoyer les équipes vers le mauvais rack. L'historique des défauts perd également tout son sens si les journaux d'événements et les enregistrements de formes d'onde utilisent des horloges différentes. Vous avez besoin d'une chaîne de télémétrie aussi rigoureuse que le modèle lui-même.

• Les horodatages des capteurs ne correspondent pas d'un système à l'autre.
• Les identifiants d'actifs diffèrent selon qu'il s'agit des registres techniques ou des registres d'exploitation.
• Les valeurs manquantes sont remplacées par des données obsolètes.
• Les fréquences d'échantillonnage varient en cas de congestion du réseau.
• Les fiches de maintenance ne peuvent pas être associées à l'historique d'un seul bien.

Ces problèmes peuvent être résolus, mais ils doivent être traités dès le début. Vous devez tester le chemin de transmission des données avec la même rigueur que celle employée pour la logique du contrôleur ou les études de protection. Un système jumelé reposant sur une télémétrie défaillante entraînera des fausses alarmes, des alarmes manquées, voire les deux. Il est plus prudent de recourir à la simulation jusqu’à ce que votre chaîne de mesure ait fait ses preuves.

Un jumeau numérique ne se rentabilise qu'une fois déployé

« Les équipes qui tirent le meilleur parti de leurs ressources utilisent la simulation pour les travaux de conception à grande échelle et réservent les jumeaux numériques aux actifs dont l'état, les systèmes de contrôle et les risques justifient leur maintenance. »

Un jumeau numérique justifie son coût lorsqu’un équipement mis en service nécessite une surveillance continue de son état, une intervention rapide et une maintenance rigoureuse. La simulation trouve toute sa place bien plus tôt, car les questions de conception se posent avant la collecte des données réelles et restent plus faciles à gérer. La plupart des équipes devraient commencer par la simulation. Seul un petit nombre de modèles devrait évoluer vers le statut de jumeau numérique après la mise en service.

Une centrale éolienne, un parc de batteries ou un système d’alimentation de traction n’a pas besoin que chaque modèle d’ingénierie soit transposé en « jumeau en temps réel ». Les jumeaux utiles sont liés aux défauts, à la maintenance, à la gestion de la charge, aux réponses des dispositifs de protection ou au comportement des contrôleurs qui ont une incidence sur le service. C’est pourquoi les équipes travaillant avec OPAL-RT considèrent souvent la simulation comme le principal banc d’essai de validation, avant de mettre en service certains modèles sélectionnés. Cette distinction permet de concentrer les efforts sur l’objectif visé.

Vous passerez moins de temps à débattre de la terminologie et davantage à élaborer des modèles auxquels les gens peuvent se fier. Ce principe s'applique aussi bien aux laboratoires d'ingénierie qu'aux programmes de services publics et aux installations d'essai. Il permet également de lier la mise à jour des modèles au travail que les gens doivent accomplir.