Le "jumeau numérique" dans la simulation Simulation HIL (HIL) : un abécédaire conceptuel

Michael Grieves a prononcé pour la première fois l'expression "jumeau numérique" en 2003, et depuis lors, elle a fait couler beaucoup d'encre et de pixels. Nous allons être relativement brefs. Si le terme "jumeau numérique" peut signifier beaucoup de choses pour de nombreuses personnes, il a une signification plus restreinte dans le contexte de la simulation en temps réel et/ou des tests de Simulation HIL (HiL).

Pour commencer à expliquer ce sens plus restreint, imaginons une copie miroir d'un disque dur. Il s'agit d'une copie périodiquement mise à jour d'un disque dur en cours d'utilisation, destinée à être redondante en cas de besoin. Le contenu du disque en miroir peut être validé en tant que duplicata du disque source à tout moment. Il s'agit donc d'un mécanisme de protection à quatre dimensions (longueur/largeur des données, profondeur des bits, plus la dimension de la durée ou du temps) d'un disque dur. Pourtant, cette métaphore n'a pas la complexité requise pour décrire correctement tout ce dont nous devons parler ici.

L'oiseau de fer à l'ère numérique

Une autre métaphore pourrait mieux nous servir ici. Dans le cycle de conception et d'ingénierie des aéronefs, qui comprend le MEA (More Electrical Aircraft), il existe un concept connu sous le nom d'"oiseau de fer" - un banc d'essai d'intégration. Tous les systèmes et sous-systèmes d'un avion sont assemblés, disposés sur le sol d'un hangar, par exemple, de sorte que l'ensemble de l'avion est, par essence, opérationnel, à l'exception du châssis lui-même - mais il n'est pas physiquement dans les airs.

Pour clarifier les choses : à l'époque de sa création, vers 1985, l'oiseau de fer était un avion hybride physique/simulé à une époque où les avions étaient dotés de systèmes de plus en plus nombreux et de plus en plus complexes. (Les raisons pour lesquelles les essais en vol n'ont pas été plus nombreux à mesure que ces "systèmes de systèmes" se développaient devraient être évidentes : dépenses massives, permutations et combinaisons innombrables, temps de développement énormes, pertes de vies humaines, etc.)

Toutes les pièces constitutives de cet assemblage sont validées, reçoivent des stimuli en direct et émettent des réactions et des sorties comme si l'avion lui-même volait - mais les interactions avec les moteurs, l'appareil d'atterrissage, les volets, etc. peuvent être virtuelles ou non, en fonction de la phase de vérification et de validation (V & V). La phase de test de l'oiseau de fer doit être aussi bonne (validée, précise, entièrement reproductible) que la "vraie vie", c'est-à-dire qu'elle doit correspondre à un vol réel - il n'y a que très peu ou pas de marge de manœuvre dans l'aviation - sinon cette phase de test et ce concept n'ont aucune utilité.

L'utilisation d'oiseaux de fer pour la V&V d'Aérospatial , où les composants physiques sont partiellement remplacés par des pièces numériques/virtuelles et par l'utilisation de la simulation en temps réel - encore une fois, en fonction de la phase de V&V - permet aux fabricants d'avions et à leurs développeurs d'équipements d'économiser de grandes fortunes sur le prototypage coûteux. Bien entendu, en fin de compte, les modèles virtuels doivent faire l'objet d'une validation dynamique et d'une validation de réponse plus approfondies avant d'être prêts à vous transporter vers vos prochaines vacances solaires.

Un jumeau numérique : bien plus qu'un simple simulateur

Maintenant, si nous ajoutons d'autres éléments à la notion de duplication/redondance (voir : la copie miroir du disque dur), et si nous ajoutons certains niveaux de complexité, d'interchangeabilité et de communication (voir : l'oiseau de fer), le fonctionnement de ce que nous entendons actuellement par "jumeau numérique" dans le contexte de la simulation en temps réel (ou HIL) commence à être plus clair.

Si nous devions le décomposer fonctionnellement en fonction de ce qu'il fait, de ce qu'il est capable de faire et de ce en quoi il excelle conceptuellement dans notre lecture actuelle :

• Le jumeau numérique peut lire des données de/vers son homologue physiquement opérationnel et rendre compte de lui-même via son environnement matériel/logiciel à une entité de supervision - pour la maintenance, l'enregistrement, le rapport, le contrôle, etc.
  • Signification : le jumeau numérique - lui-même virtuel - dispose d'un pont de connectivité avec le "monde réel".
• Le jumeau numérique a son propre profil sous la forme d'un modèle dynamique et de paramètres connexes, et il s'ajuste, en comparaison étroite, avec son homologue physique en temps réel ou "quasi temps réel
  • Il est donc auto-adaptatif
• Le jumeau numérique est capable de décrire les interactions de ses composants internes de manière beaucoup plus détaillée que son homologue physique, puisque ce dernier dispose d'un nombre limité de capteurs
  • Il peut donc agir en tant qu'observateur approfondi, retiré en une seule étape
• Le jumeau numérique peut répondre aux mêmes stimuli que son homologue physique et aider à identifier les opérations anormales, les dysfonctionnements et la source du problème.
  • Il s'agit donc d'un outil de prise de conscience de la situation et d'aide à la décision
• Le jumeau numérique peut répondre à des stimuli synthétiques et contribuer à l'analyse de scénarios de simulation qui ne peuvent être analysés à volonté par son homologue physique pour des raisons pratiques. En ce sens, il diffère d'une simulation (ou d'une simulation en temps réel) puisqu'il s'agit d'une réplique dynamique validée de son homologue physique.
  • Il s'agit donc d'un outil prédictif extrêmement puissant, qui peut également être utilisé comme outil de conception et de planification.

L'image ci-dessus décrit comment un jumeau numérique d'un réseau électrique pourrait interagir avec son homologue physique par le biais d'analyses avancées, d'une gestion dynamique et permanente des données, d'une automatisation et d'opérateurs de système. Il s'agit d'une technologie clé qui contribuera à garantir le fonctionnement sûr et fiable des futurs réseaux électriques tout au long de leur cycle de vie, alors que nous assistons actuellement à une pénétration accrue de l'Énergie renouvelable et à une diminution de l'inertie. Le jumeau numérique est décrit comme de multiples instanciations, chacune ayant son propre objectif, sa propre architecture et sa propre représentation du modèle mathématique. La technologie de simulation en temps réel est sans aucun doute un élément clé pour de nombreuses applications, y compris l'accélération des simulations prédictives, et le jumeau numérique peut exister en tant que modèle de modèles, en dynamique de phase, en transitoire électromagnétique, en modèles d'apprentissage automatique ou sous d'autres formes en fonction de l'objectif ou du service de jumeau numérique.

Jumeaux numériques : La situation actuelle

En tant qu'afficionado de la simulation en temps réel, les utilisations potentielles devraient vous apparaître clairement à ce stade, mais il convient de donner quelques exemples génériques d'utilisations actuelles :

• Un constructeur de voitures électriques peut accumuler de vastes volumes de données sur ses véhicules pendant leur fonctionnement. Ces données peuvent être enregistrées, visualisées et analysées en fonction du profil du conducteur, de l'emplacement géographique de la voiture et de nombreux autres angles ou points de vue sur les données qui peuvent révéler des résultats précieux et/ou utiles. (L'un des principaux atouts du "big data" est la myriade d'angles sous lesquels il peut être lu, chaque nouvel angle offrant potentiellement de nouvelles perspectives). Ainsi, le fabricant peut envoyer des notifications au garage local ou à l'utilisateur final lorsqu'un système de gestion de la batterie a un comportement inattendu, par exemple, ou pour le remplacement d'une pièce du moteur.
• Une compagnie d'électricité peut connaître les habitudes d'utilisation/consommation grâce à cette combinaison d'enregistrement/rapport, d'IA et de grandes quantités de données pour automatiser ce que l'on appelle aujourd'hui la réponse à la demande, en ajustant les chaudières et les chauffages résidentiels pour assurer une réserve tournante suffisante ou un fonctionnement stable.
• Dans un avenir proche, la maintenance prédictive permet de prévoir, avant même qu'une défaillance ne se soit produite dans un bien de consommation, une future panne potentielle, d'analyser toutes les voies possibles vers un résultat positif et de prendre des mesures, avant même que l'utilisateur ne se rende compte que quelque chose de fâcheux s'est produit.

Vers un avenir grand ouvert

Nous sommes à l'aube de cette combinaison particulière d'améliorations présentes et futures qui peuvent être appliquées à de nombreuses catégories au profit de la conception, du prototypage, de l'utilisation régulière et de l'entretien/remplacement. Le regroupement de divers phénomènes récents a rendu possible cette approche et toutes les utilisations qu'elle implique : big data, IA, réseaux 5G et plus rapides, informatique en nuage et internet des objets, entre autres.

Comment les "jumeaux numériques" contribueront-ils à l'exploitation des réseaux électriques dans les 50 prochaines années et au-delà ? Ils aideront à stabiliser nos systèmes électriques grâce au diagnostic, à la surveillance, à l'expérience et à la prévision par le biais de scénarios de simulation. D'une certaine manière, il s'agit d'un voyage numérique dans le temps : retour en arrière pour examiner l'historique des données agrégées ; retour en avant pour prédire les résultats. Ils nous aideront à apprendre à mieux exploiter nos réseaux électriques et à les rendre plus sûrs, et ils permettront de multiplier et d'améliorer la couverture des tests pour les mises à niveau et les améliorations.

Comme ils font tout cela de manière silencieuse et fiable, ils fourniront également des ensembles de données de meilleure qualité, plus nombreux et plus détaillés, ce qui améliorera considérablement la formation et les résultats de l'IA. Ils nous permettront également d'explorer des cas limites/coins que nous n'aurions jamais pensé à simuler, sur la base des données de leur jumeau physique. Elles nous aideront à trouver des contre-mesures pour prévenir les pannes dans de vastes zones et pour réduire les temps d'arrêt des réseaux. Ils amélioreront le fonctionnement des systèmes autonomes et contribueront à optimiser la sélection des scénarios de simulation grâce à l'IA entraînée par le modèle.

Le concept de "jumeau numérique" a été utilisé de manière assez vague jusqu'à présent, mais les combinaisons d'avancées rendues possibles par cette pensée promettent des progrès passionnants et inévitables dans le domaine de la simulation en temps réel. La question n'est pas de savoir si ce concept et ses améliorations et nuances en gros sont exploités, mais quand et comment.