Como os gêmeos digitais fazem a diferença para sistemas críticos e operações complexas

Os gêmeos digitais – ou digital twins, no termo em inglês – são partes individuais e virtuais de um sistema ciber físico, que representam objetos ou sistemas existentes no mundo real. O principal objetivo dos gêmeos digitais é permitir a otimização do processo e permitir simulações e predições, especialmente em sistemas críticos e operações complexas.

O funcionamento dos gêmeos digitais se dá através de sensores inteligentes que, conectados por uma rede, se integram com sistemas de apoio e contribuem para a tomada de decisões. A uma nuvem de dados gerada possibilita a aplicação de técnicas de data analytics, sejam a partir de modelos ou com o uso de inteligência artificial. 

Por meio desses sensores, os digital twins incorporam os dados em tempo real, o que beneficia a confiabilidade e a atualização das informações. Isso é uma grande vantagem para sistemas que não permitem lapsos em seus funcionamentos, pois os sistemas gêmeos têm de caminhar em paralelo ao que ocorre no ambiente físico. Essa condição (habilidade/capacidade) contribui para elevar a competitividade das empresas a partir de seus processos, como vamos detalhar a seguir.  

Tipos de gêmeos digitais 

Existe mais de uma definição para o conceito de gêmeos digitais, que o torna mais ou menos abrangente. Também há diferenças na aplicabilidade e no realismo que se exige para a representação digital. 

Mas, voltando ao nosso conceito, as definições podem ser empregadas a equipamentos individuais, componentes ou sistemas. A aplicação pode ser mais genérica ou específica. E quanto ao realismo, pode ser referente à representação total das condições do objeto físico, ou somente em partes (1). 

As principais organizações que utilizam o conceito de gêmeos digitais convergem em um ponto: são representações digitais de um ativo industrial que permitem prever o desempenho de máquinas e, quando conectadas, do negócio como um todo. 

Atualmente, a literatura considera duas abordagens possíveis para os gêmeos digitais:

• Data-driven: baseado em um grande volume de dados coletados em tempo real, em que os modelos preditivos e prescritivos são baseados em algoritmos de machine learning ou deep learning;
• Simulation-based: parte de um modelo simulado que é atualizado constantemente ao longo do ciclo de vida, por meio de medições frequentes. 

Sendo assim, em resumo, os gêmeos digitais sempre serão alimentados por sensores de um ativo real, podendo predizer um estado futuro ou comportamento, e embasam a tomada de decisão. 

Quais são as possíveis aplicações de gêmeos digitais

A importância e as possibilidades dos gêmeos digitais ainda são pouco exploradas na indústria. No entanto, os gêmeos digitais são bastante úteis especialmente em organizações intensivas em infraestrutura e sistemas críticos. 

São setores que envolvem grandes riscos associados ao desgaste de equipamentos e de seus produtos, a saber:

• Óleo e gás
• Aeronáutico
• Geração de energia;
• Barragens;
• Linhas de transmissão;
• Metalmecânica pesado, etc.

Para ilustrar um exemplo, vamos pegar o setor de Óleo e Gás. É preciso haver uma grande certeza de que não haverá vazamento, para evitar o risco de causar prejuízos vultosos, sendo que o nível de risco tolerável depende diretamente das consequências estimadas em cada caso. Esse setor trabalha com possibilidades de erosão, corrosão, fadiga, ou outros modos de degradação. Com os gêmeos digitais, os modelos vão evoluindo com o tempo e ganhando robustez na identificação desses riscos. Por meio deles, é possível criar correlações e, a partir daí, tomar decisões mais assertivas, otimizando custos e mantendo o risco sob controle. 

Contribuir para a manutenção de equipamentos e produtos, antecipando-se a falhas e quebras, é uma das principais vantagens competitivas dos gêmeos digitais. Os digital twins permitem avançar na maturidade da manutenção nos seguintes estágios, a saber:

• Manutenção preditiva: planejada e sistemática com base em dados sobre o desempenho de uma máquina. Tem por objetivo antecipar falhas, operar equipamentos com maior eficiência e reduzir consumo de energia. Por meio dela, é possível prever a vida útil de componentes e do próprio sistema. 

• Manutenção a partir de cenários prescritos: não é planejada como a preditiva, porém, vai além em suas análises. Por meio da inserção de cenários possíveis (ou mesmo gerados a partir de inteligência artificial), é possível correlacionar situações de quebra ou desgaste de materiais com eventos ou alterações de produção, recomendando ações para mitigá-las.

Em resumo, as principais aplicações dos gêmeos digitais são:

• Possibilitar manutenções preditivas e prescritivas de desgaste de máquinas, peças ou componentes;
• Viabilizar a transmissão em tempo real de dados de monitoramento e simulações de desempenho a partir de detecções de sensores;
• Apoiar a tomada de decisão para alteração de parâmetros para otimização de desempenho e mitigação de riscos.

Como a Certi contribui para implantação de sistemas de gêmeos digitais

A Certi, por meio do Centro de Metrologia e Instrumentação (CMI), atua de forma decisiva na implantação de sistemas de gêmeos digitais. Por meio da tecnologia e da análise de especialistas, a Certi apoia a seleção das medidas críticas e a análise de incertezas e confiabilidade para a tomada de decisão com base em riscos conhecidos.

A consultoria do CMI mapeia os modos de falha e os mecanismos de degradação e identifica o que é crítico para a operação das organizações a partir do impacto dos riscos na competitividade. A partir disso, são listadas e analisadas as variáveis, atuando sobre os modelos mais sensíveis e recomendando um ciclo de melhoria contínua. As etapas são as seguintes:

• Levantar consequências de falha e implantar modelo de análise de risco;
• Identificar os modos de falha e as medições críticas;
• Implantar modelos de degradação ou ferramenta de IA;
• Avaliar a progressão de incertezas a partir das medições atuais;
• Implantar processos estatísticos para realização de predições – estimativas de futuro – com suas incertezas associadas;
• Simular cenários prescritos a partir dos modelos;
• Automatizar para a criação do gêmeo digital;
• Partir para o próximo modo de falha e, assim, sucessivamente.

 Com a Certi, você buscará uma declaração confiável do risco final para a tomada de decisões, tornando seu digital twin uma ferramenta útil e impactante nos negócios.

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(1) Em algumas referências, um digital twin necessitaria ser perfeitamente idêntico ao seu físico, significando algo quase que “ideal”, enquanto um digital twin direcionado somente para funções críticas seria denominado “digital shadow”.