Jumeau numérique ou simulation

Principaux enseignements

• La simulation apporte une réponse à une question d'ingénierie bien définie et prend fin, tandis qu'un jumeau numérique reste lié à un équipement déployé grâce à des données mesurées en temps réel.
• Une connexion aux données en temps réel, une unité nommée et un rapprochement continu : voilà ce qui distingue un modèle « twin » même du modèle hors ligne le plus détaillé.
• Les jumeaux ne sont rentables que lorsqu’un élément unique revêt suffisamment d’importance pour justifier la mise en place d’une infrastructure de données permanente et la maintenance du modèle.

Une simulation répond à une question que vous posez une seule fois, tandis qu'un jumeau numérique continue d'y répondre tant que l'actif physique reste en service.

Cette distinction permet de dissiper la plupart des confusions entre ces deux termes et de clarifier le débat budgétaire qui s'ensuit. La simulation est une méthode : on construit un modèle, on l'applique à un scénario, on analyse le résultat, puis on y met fin. Un jumeau numérique, quant à lui, est une instance persistante de ce modèle, liée à un matériel spécifique par une liaison de données en temps réel et mise à jour en continu tant que le matériel fonctionne. Cette confusion a des implications financières, puisque le marché de la simulation et des jumeaux numériques devrait atteindre 379 milliards de dollars d'ici 2034, contre 35 milliards en 2024.

Il est important de bien définir les limites, car ces deux approches ont des coûts différents. Une étude de simulation prend fin lorsque le rapport est signé. Un « jumeau » implique un engagement permanent en matière de gestion des données, de maintenance du modèle et de validation par rapport aux mesures qui ne cessent d’affluer. Les équipes qui considèrent un « jumeau » comme une simple simulation plus sophistiquée se retrouvent avec un modèle obsolète présenté comme « en temps réel », ce qui représente une façon coûteuse de se tromper.

Ce qu'une simulation fait réellement au sein d'un processus d'ingénierie

La simulation consiste à faire fonctionner un modèle de système selon un scénario défini afin de répondre à une question bien délimitée, généralement avant que le matériel n'existe ou ne soit exposé à des risques. Elle comporte un début, une fin, des hypothèses que vous contrôlez et un résultat que vous comparez à une exigence. Aucune connexion n'est maintenue une fois la simulation terminée.

Prenons l'exemple d'un onduleur de traction destiné à équiper un premier véhicule. L'équipe exécute des milliers de scénarios en boucle fermée sur un modèle de système, en faisant varier la température, l'état de charge de la batterie et le moment d'apparition des défauts, jusqu'à ce que le logiciel de contrôle résiste à des conditions qu'aucun prototype ne pourrait supporter en toute sécurité. Les bancs d'essai de type « Simulation HIL » ont également leur place ici, puisque le contrôleur est réel et que le système est modélisé.

La valeur réside dans les questions que l’on peut poser à moindre coût. On peut simuler un défaut phase-terre une centaine de fois en un après-midi sans endommager une pile, puis remonter jusqu’à la milliseconde exacte où le régulateur de courant a perdu le contrôle. Ce que l’on n’obtient pas, en revanche, ce sont des informations concernant un appareil spécifique en service.

Ce qu'apporte un jumeau numérique en plus d'un modèle autonome

Un jumeau numérique est un modèle représentant un équipement physique spécifique, synchronisé en permanence avec cet équipement grâce à des données de mesure, de sorte que son état reflète celui du matériel au fil du temps. La modélisation sous-jacente relève d'un travail de simulation classique. Ce qui en fait un « jumeau », c'est son lien avec un numéro de série et l'obligation de rester à jour.

Une éolienne jumelle illustre clairement ce changement. Dès que les vibrations de la nacelle, l'angle de pas et le courant du générateur sont enregistrés toutes les quelques secondes, le modèle de chaîne cinématique cesse de décrire les éoliennes en général et commence à décrire l'éolienne n° 41 de la rangée 3. Les opérateurs s'en servent pour estimer la fatigue du réducteur, que nul capteur ne signale directement.

C'est au niveau de la persistance que se situent les coûts d'ingénierie. Les capteurs dérivent, les micrologiciels sont mis à jour et les composants sont remplacés ; le jumeau numérique a donc besoin d'une routine d'étalonnage permettant de réaligner le modèle sur les mesures réelles. Les équipes d'OPAL-RT en font l'expérience lorsqu'un modèle en temps réel ayant passé avec succès les tests de réception doit être réajusté un an plus tard. Un jumeau numérique qui n'est pas réconcilié n'est rien d'autre qu'une ancienne simulation dotée d'un tableau de bord.

En quoi le jumeau numérique et la simulation divergent-ils concrètement dans la pratique ?

La principale différence entre un jumeau numérique et une simulation réside dans la connexion en temps réel aux données d'un équipement physique. Une simulation est une expérience délimitée réalisée sur un modèle générique. Un jumeau numérique est une représentation permanente d'une unité particulière, mise à jour à partir de mesures, et dont la qualité est évaluée en fonction de sa capacité à refléter fidèlement cette unité.

« La principale différence entre un jumeau numérique et une simulation réside dans la connexion en temps réel aux données d'un équipement physique. »

Les cas limites sont source de débat entre les équipes. Une plate-forme alimentée par des données de terrain enregistrées ressemble à un jumeau virtuel, mais reste une simulation, car la reproduction est figée et non liée à une unité réelle en temps réel. Si vous diffusez ces données en continu à partir d’un actif identifié, vous franchissez la ligne. Le critère déterminant n’est pas la fidélité, puisque des jumeaux virtuels grossiers sont utilisés quotidiennement en production.

Choisir entre une étude de simulation et un jumeau numérique en temps réel

Optez pour la simulation lorsque la question est posée. Optez pour une solution « jumeau » lorsque l’actif prime sur la réponse. Les programmes qui nécessitent une décision de conception, un résultat de certification ou une campagne de réglage des commandes trouvent tout ce dont ils ont besoin dans la simulation. Les opérations ayant des répercussions sur une unité sur le terrain justifient les efforts supplémentaires que cela implique.

Les gestionnaires de réseau présentent clairement leurs calculs. Aux États-Unis, les promoteurs prévoient d’ajouter 86 GW de capacité à grande échelle en 2026, le solaire et le stockage par batterie représentant respectivement 51 % et 28 % de ce total. À ce niveau de part de marché, l’électronique de puissance modifie la manière dont un réseau réagit en quelques millisecondes ; ainsi, les études de planification restent au stade de la simulation, tandis qu’un site de stockage par batterie soumis à une obligation de compensation se voit attribuer un site jumeau.

Un « twin » fait ses preuves lorsque plusieurs d'entre eux se maintiennent en même temps.

• Une seule unité a des répercussions financières ou en matière de sécurité suffisamment importantes pour justifier une attention constante.
• Des capteurs y sont déjà installés et leurs mesures résistent aux contrôles d'étalonnage.
• La quantité qui vous intéresse ne peut pas être mesurée et doit être déduite.
• C'est quelqu'un qui est responsable du modèle après la remise et qui dispose du budget nécessaire à son entretien.
• Une décision est réexaminée si souvent qu'une étude ponctuelle perd de sa pertinence.

La plupart des équipes se situent entre ces deux extrêmes : elles commencent par utiliser des modèles de simulation conçus pour la validation de la conception, puis font évoluer une partie de ces modèles vers des jumeaux numériques une fois que l'actif est mis en service.

Idées reçues courantes qui brouillent la distinction entre ces termes

Trois idées reçues sont à l'origine de la plupart des problèmes. Un « jumeau » va au-delà d'un simple modèle plus détaillé ; une visualisation en 3D ne constitue pas à elle seule un « jumeau » ; et l'exécution en temps réel ne suffit pas à elle seule à faire d'un système un « jumeau ». Chaque erreur entraîne un gaspillage budgétaire qui ne sera jamais rentabilisé.

La visualisation pose problème à la plupart des équipes. Une représentation de l'usine avec des valeurs de balises en temps réel n'est qu'un tableau de bord reposant sur un historique de données. Comme rien derrière ne calcule ce qui va se passer ensuite, si vous lui posez une question sur une vanne qui n'est pas encore tombée en panne, elle n'aura rien à vous répondre.

Une fidélité excessive coûte plus cher. Les équipes partent du principe qu’un jumeau numérique a besoin du modèle le plus détaillé dont elles disposent, puis se rendent compte qu’un modèle trop lourd pour s’exécuter plus rapidement que l’actif lui-même ne permet pas de répondre à aucune question prospective. Les jumeaux numériques sont donc créés avec la fidélité minimale nécessaire, tandis que les modèles hors ligne détaillés restent à leur place, c’est-à-dire dans les phases de conception et de validation.

« Les jumeaux numériques sont créés avec la fidélité minimale nécessaire, tandis que les modèles hors ligne détaillés restent là où ils doivent être, c'est-à-dire dans les phases de conception et de validation. »

Questions fréquemment posées par les équipes d'ingénieurs au sujet des jumeaux virtuels et des simulations

Un jumeau numérique, c'est la même chose qu'une simulation ?

Non. La simulation est la méthode qui permet de modéliser un comportement, tandis qu’un « jumeau » correspond à une application concrète de cette méthode à un actif physique donné, alimentée par un flux de données en temps réel. Chaque « jumeau » contient une simulation, mais très peu de simulations sont des « jumeaux ».

Peut-on créer un jumeau numérique sans modèle physique ?

Il est possible de créer un jumeau exclusivement basé sur les données à partir de mesures historiques et de l'apprentissage automatique ; de nombreux produits de surveillance de l'état fonctionnent d'ailleurs de cette manière. Ce type de jumeau aura toutefois du mal à gérer les points de fonctionnement que l'actif n'a jamais atteints, et c'est là que la physique entre en jeu.

L'exécution en temps réel fait-elle d'un modèle un jumeau numérique ?

L’exécution en temps réel est une condition indispensable pour que les jumeaux virtuels suivent le rythme du matériel, mais elle n’est pas suffisante à elle seule. Une installation de l’ Simulation HIL fonctionne en temps réel toute la journée sans être reliée à une unité déployée sur le terrain ; il s’agit donc toujours d’une simulation.

Par lequel une équipe devrait-elle commencer ?

Commencez par la simulation. La modélisation, la validation et le travail sur les paramètres débouchent directement sur la création d'un jumeau virtuel, et vous apprendrez d'emblée de quoi dépend le comportement de l'actif.

Définir clairement les limites avant d'engager le budget dédié à l'ingénierie

Une définition claire des limites permet de réaliser davantage d’économies que n’importe quelle décision relative à l’outillage qui en découle. La simulation justifie son utilité en apportant des réponses à des questions complexes avant même que le matériel n’existe. Un jumeau numérique justifie son utilité en offrant une image fidèle d’un équipement déjà en service. Confondre les deux conduit à des modèles coûteux auxquels personne ne fait confiance.

La rigueur se manifeste dans des domaines peu prestigieux. Il faut bien que quelqu’un soit responsable des paramètres du modèle une fois l’équipe de projet dissoute, que quelqu’un remarque lorsqu’un capteur commence à fournir des données erronées, et que quelqu’un décide du niveau de précision que le jumeau numérique doit garantir à ses utilisateurs. Les équipes qui éludent ces questions se retrouvent avec un modèle qui s’est écarté de l’actif depuis deux versions de micrologiciel, sans que personne ne s’en soit aperçu.

C'est au niveau de la couche de simulation que cette discipline prend tout son sens, car la fiabilité d'un jumeau numérique dépend entièrement de celle du modèle sur lequel il repose. OPAL-RT intervient à ce niveau en créant des modèles en temps réel validés par rapport au matériel ; ainsi, lorsque l'on vous demande comment le moteur alimente le jumeau numérique, vous pouvez justifier votre réponse. Si le modèle est correct, le jumeau numérique devient alors une simple question de maintenance à laquelle vous pouvez répondre.