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Billet du lundi : les jumeaux numériques, la promesse de l’aube ?

Théorisé dès 2002 par Michael GRIEVES, de l’Université du Michigan, le concept de « jumeaux numériques » (digital twins) a récemment émergé dans le vocabulaire des acteurs industriels et plus récemment encore dans leurs programmes de R&D. Un jumeau numérique est la représentation virtuelle d’un objet réel et de sa « dynamique » dans le temps, qu’il s’agisse d’un réacteur d’avion, d’un bâtiment, d’un porte-conteneur, ou encore, dans le domaine de l’énergie, d’une éolienne, d’un réacteur nucléaire ou d’infrastructures de transport d’électricité[1], par exemple. Alimenté en continu par des données, le jumeau numérique permet de simuler la création de l’objet, puis son fonctionnement et son entretien dans le temps, jusqu’au démantèlement et recyclage, avec de nombreux bénéfices attendus tels que la diminution des coûts d’investissement et d’exploitation, l’amélioration des performances et le renforcement de la sécurité des actifs industriels.

L’émergence des jumeaux numériques est une conséquence directe de l’essor de l’Internet industriel des objets. Ces objets sont en effet équipés de plus en plus fréquemment de capteurs qui renvoient des informations en temps réel. Le jumeau numérique intègre au fil de l’eau ces informations, qui peuvent être croisées avec des données historiques. Grâce aux algorithmes et à sa puissance de calcul, le jumeau numérique simule l’évolution de l’objet dans le temps et l’espace. Cette capacité permet à l’exploitant d’avoir un meilleur suivi de ses actifs, notamment pour en optimiser la maintenance. Une compagnie aérienne pourra par exemple déterminer avec précision à quel moment immobiliser ses avions pour augmenter la disponibilité de sa flotte. L’aéronautique constitue d’ailleurs l’un des premiers « terrains de jeu » des jumeaux numériques, après l’aérospatial, pionnier dans le domaine.

Sur le papier, le jumeau numérique présente des avantages importants à long terme. C’est notamment le cas lorsque les objets sont complexes, quand les cycles de développement sont longs et incertains, et doivent être réduits afin de faire baisser les coûts de réalisation, quand la qualité de la documentation pour la production est cruciale, quand les liens avec les fournisseurs doivent être resserrés, etc.

Les propriétés du jumeau numérique sont également particulièrement précieuses pour des actifs industriels difficiles d’accès. Il peut, par exemple, s’agir d’une éolienne en mer. Le jumeau numérique va reproduire chaque composant de l’éolienne et déterminer ses potentielles détériorations à l’aide des données transmises par des capteurs – microfissures dans les pâles, corrosion du mât ou des ancrages, etc. L’exploitant du parc sera donc en mesure de mettre en place des mesures de maintenance prédictive sur-mesure. Des expérimentations sont actuellement menées sur le sujet[2].

Il peut également s’agir d’un réacteur nucléaire. En France, le projet « Réacteur numérique », financé par Bpifrance dans le cadre d’un Projet de recherche et développement Structurant Pour la Compétitivité (PSPC), rassemble 9 acteurs de la filière[3]. Doté d’un budget de 28,5 M€, le projet vise à élaborer un « clone » digital permettant de « s’immerger virtuellement dans le fonctionnement d’un réacteur, de réaliser des études de simulation ultra-réalistes, de former tous les opérateurs et de valoriser les codes de calcul et le savoir-faire de la filière nucléaire française auprès des exploitants nucléaires étrangers »[4]. Le domaine de l’énergie offre d’ailleurs de nombreux terrains d’application pour les jumeaux numériques (exploitation de centrales, gestion de déchets nucléaires, exploration & production, supervision des champs déplétés dans lesquels du CO2 pourrait être injecté par CCS, etc.) et plusieurs acteurs du secteur mènent des travaux de R&D sur le sujet.

Au-delà de l’exploitation optimisée des actifs industriels, les jumeaux numériques permettent également, grâce à l’historique des données collectées, d’améliorer la conception et la fabrication des objets, par exemple en simulant la réaction de matériaux sensibles à divers événements.

Les jumeaux numériques portent donc un certain nombre de promesses pour les industriels, même si des progrès sont encore attendus pour accompagner leur développement dans l’industrie. Par exemple pour traiter les données au plus près des objets et réduire ainsi les temps de latence dans la décision. Un spécialiste du secteur relève ainsi « qu’aujourd’hui, nos jumeaux numériques tournent de manière externe dans des centres de calcul, mais on pourrait imaginer qu’ils soient embarqués dans les systèmes afin que ceux-ci s’auto-surveillent. En cas de décisions critiques à prendre, on éviterait ainsi le temps de latence nécessaire pour envoyer et ramener les données jusqu’aux centres de calcul. Et, en conservant ces données en un même endroit, on en améliorerait la sécurité »[5]. Une autre voie d’amélioration est celle de l’intégration de l’intelligence artificielle aux jumeaux numériques pour améliorer leurs capacités de prédiction. Mais surtout, et comme le souligne Michael GRIEVES vingt ans après avoir théorisé le concept de digital twins, l’un des principaux enjeux reste, encore aujourd’hui, celui de la prise de conscience, par les industriels, de la nécessaire numérisation de l’ensemble de leurs outils et processus pour fournir les données indispensables au déploiement des jumeaux numériques[6]. Faute de quoi les jumeaux numériques pourraient ne pas dépasser le stade de la promesse.


Nota bene CRE : Les « Billet[s] du lundi » du Comité de prospective de la CRE présentent des sujets qui ont trait au secteur de l’énergie sur la base de synthèses documentaires ou d’observations sur des articles ou des documents élaborés par des tiers. Ces synthèses n’engagent pas le collège de la Commission de régulation de l’énergie. Ils ont pour but d’attirer l’attention des acteurs sur des éléments factuels auxquels ils peuvent réagir par retour de contribution à notre adresse : eclairerlavenir@cre.fr.


[1] Source : https://www.alliancy.fr/jumeau-numerique-rte-gestion-actifs-industriels

[2] Par exemple :

https://www.twi-global.com/media-and-events/press-releases/2017-03-twi-embarks-on-lifecycle-engineering-asset-management-through-digital-twin-technology

[3] EDF, CEA, Framatome, ESI Group, CORYS, ANEO, AXONE, BOOST et le CNRS.

[4] Benoit LEVESQUE, David GOUYON. Projet “ Réacteur Numérique ” : vers un Jumeau Numérique de Réacteur Nucléaire.

[5] Éric BANTEGNIE, cité dans L’Usine Nouvelle :

https://www.usinenouvelle.com/article/le-jumeau-numerique-donne-vie-a-l-industrie-4-0.N953871

[6] Source : https://www.asme.org/topics-resources/content/6-question-with-michael-grieves-on-the-future-of-digital-twins