Gemelo Digital

El gemelo digital, es un concepto ya presente en la industria desde hace varios años, pero gracias a la expansión de las nuevas tecnologías, el desarrollo digital acelerado y en concreto, el peso que está adquiriendo el sector marítimo, ha adquirido una nueva dimensión y protagonismo, desplegando un enorme potencial y situándolo como estrella de una galaxia en la que orbitan diferentes conceptos: internet de las cosas, 5G, Big-Data, Industria 4.0, ciberseguridad, Blockchain, modelos probabilísticos, análisis de riesgos, excelencia operacional etc.

Gracias a la rápida evolución de todas estas nuevas tecnologías, el gemelo digital está incrementando sus capacidades, por lo que la diversidad de uso está creciendo exponencialmente, siendo el fin último una digitalización global operacional y automatizada.

Índice:

1.Definición

2.Gemelo Digital vs Simulación

3.Elemento vivo

4.Integración

5.“Probabilistic Twin”

6.Sector Marítimo

7.Aprendizaje y mantenimiento seguro

8.Sensores y datos

9.Ciberseguridad

10.Conclusiones

1.Definición

Un gemelo digital, es la representación digital de un elemento, activo o sistema físico, describiendo sus características y propiedades como un conjunto de ecuaciones: un barco, un motor, un panel eléctrico o incluso un sistema mucho más complejo como el portuario. En su definición estricta, el gemelo digital engloba desde el un nivel micro atómico hasta un nivel geométrico macro.

Cualquier información que se podría obtener mediante la inspección del producto físico, se puede obtener de su gemelo digital.

El gemelo digital, incluye tanto el hardware para la adquisición y procesado de los datos, como el software para representar y manejar esos datos.

Para la obtención de un resultado, el gemelo digital depende de modelos matemáticos, datos históricos y del flujo de datos digitales, generados, por ejemplo, por el IoT.

Sin embargo, el gemelo digital es un concepto, no un producto o una pieza tecnológica. Por ello, diferentes tecnologías se unen para formar esta realidad y hacerla cada vez más amplia.

2.Gemelo Digital vs Simulación

Es importante diferenciar entre gemelo digital y simulación – BIM (Building Information Modeling), ya que a menudo, pueden confundirse.

Como concepto inicial, podemos decir que la simulación es parte integral del gemelo digital, pero hay algunas diferencias clave:

• Las simulaciones se utilizan para el diseño y optimización offline, mientras que el gemelo digital se utiliza para el ciclo de vida completo: diseño, ejecución, cambio y desmantelamiento.
• Las simulaciones ayudan a comprender qué puede suceder en el mundo real, pero no lo que está sucediendo, o cómo se comporta ese diseño ante un acontecimiento real, algo que sí nos ofrece el gemelo digital.
• Las simulaciones no son capaces de aportar información acerca de la interactuación de lo físico, o conocimiento y comprensión de los posibles conflictos, como hace el gemelo digital.

Los gemelos digitales, desplazan a los modelos de simulación, ya que el orden de magnitud creciente de datos y su continuo ajuste a través del aprendizaje, incrementan la fidelidad de la representación del mundo físico.

3.Elemento vivo

El gemelo digital es un elemento vivo, ya que es capaz de aprender y nutrirse de toda la información que se le impute, bien de manera automática a través de las experiencias empíricas que provienen del exterior, o mediante nuevos datos y capacidades que se le integren.

Gracias a este aprendizaje acumulado, el sistema permite reaccionar casi en tiempo real y realizar mejores predicciones ante diferentes escenarios o situaciones que serán más fácilmente detectadas.

En último término, el propio sistema será capaz de tomar o sugerir las mejores decisiones basadas en dicha información, pudiendo alcanzar una total autonomía.

Lo interesante de los gemelos digitales, no radica en la existencia y uso de modelos, sino en la forma en la que estos se integran con flujos de datos y se mantienen durante el ciclo de vida del activo.

4.Integración

La integración de las aplicaciones existentes y modelos de datos que proporcionan resultados predictivos fiables y la calidad de estos datos para que sean útiles en la toma de decisiones críticas de negocio, es vital.

La integración, implica la estandarización de los flujos de datos con el gemelo digital, por ello, esta ha de ser realizada mediante APIs, que hacen de nexo entre ambas partes. Diferentes organizaciones han creado bloques que apoyan este propósito, creando estándares tales como “UN/CEFACT Data Exchanhge Standards for Smart Containers” o “IoT connectivity infrastructure” de la DCSA.

Otro escollo en la integración es la adaptabilidad de los modelos tridimensionales existentes, ya que, en muchos casos, no son compatibles y hay que desarrollar el modelo desde cero. Esto conlleva las conocidas problemáticas asociadas a las implantaciones de cualquier software, como son la curva de aprendizaje, gran inversión en recursos, o dependencia del proveedor.

Aunque sobre el papel el puente entre estos dos elementos es el modelo de datos IFC (Industry Foundation Classes), es inevitable la pérdida de información por el camino, por lo que se requieren, “conectores” que eviten estos problemas de compatibilidad.

Gestión de Riesgos y modelos digitales probabilísticos

Definimos el riesgo como la incertidumbre asociada a la consecuencia de una actividad; siendo esta incertidumbre, imperfecciones o conocimiento incompleto de la consecuencia de la actividad. La ocurrencia, frecuencia y severidad, son también parte de estas incertidumbres.
Normalmente el gemelo digital vivía separado de los modelos de riesgos, basados en simulaciones off-line y en datos históricos y probabilísticos. Ahora, conectando el gemelo digital a los modelos de riesgos, podemos entregar activos de riesgos prácticamente en tiempo real.

5.“Probabilistic Twin”

Este concepto, es una extensión del gemelo digital. Mientras que el último es una copia digital del activo físico, el “Probabilistic Twin” es una herramienta de forecasting para la gestión de riesgos en las operaciones, integrando el modelo digital, con modelos de riesgos que están continuamente actualizados mediante las condiciones actuales y el nuevo aprendizaje.

Puntos clave de la gestión de riesgos

• Los modelos de riesgos actuales no ofrecen capacidades en tiempo real.

• Los gemelos digitales suelen pasar por alto las incertidumbres que importan cuando se trata de riesgos.

• Una capa que contenga un modelo de riesgos probabilístico por encima de los gemelos digitales permite un modelo de gestión de riesgos en tiempo real, basado en condiciones actuales, previsiones y planes.

La razón de que se utilice la probabilidad en el estudio de riesgos es porque esta puede expresar la incertidumbre, o más bien la existencia de diferentes posibilidades y medirlas.
Dado que la probabilidad se basa en suposiciones, esta se ha de integrar con el conocimiento y aprendizaje, para determinar el peso real del riesgo a la hora de toma de decisiones.

En resumen, los gemelos digitales probabilísticos, cubren el vacío existente entre el gemelo digital y la gestión de riesgos.

6.Sector Marítimo

El comité de la Organización Marítima Internacional (IMO) ha establecido una estrategia para reducir a la mitad las emisiones de gases de la flota mundial en el 2050 y establecer un plan a largo plazo hasta reducirlas a cero. Este objetivo, sumado al crecimiento del mercado, hace que de manera natural se invierta en la digitalización para obtener una mejor visibilidad de las operaciones.

El gemelo digital, implica mejoras en la toma de decisiones para los diferentes actores del sector marítimo y logístico portuario.

Conciencia de la situación actual: cualquier repercusión en el estado del transporte de las mercancías, como retrasos o pérdidas, ha de poder ser analizada, ajustada y tener conciencia de esta.

Flotas: ya que las navieras trabajan con múltiples clientes y viceversa, la optimización de recursos mediante la correcta planificación y equilibrado de la demanda y capacidad, se facilita enormemente, gracias al análisis que entrega el gemelo digital, basado en las transacciones históricas, actuales, predicciones futuras o a diferentes escenarios, como condiciones climáticas adversas o situaciones atípicas, que han de ser ágilmente tratadas.

Puertos y terminales: de manera conceptual similar al anterior ejemplo, los puertos y terminales necesitan una capacidad de suministro flexible ante una demanda variable e incierta, mediante la integración de la red del sistema de transporte, ya que este es dependiente del flujo continuo de entradas y salidas de cargas y pasajeros a través de diferentes medios de transporte, lo cual requiere de una importante estrategia de planificación.

Se pueden encontrar ya implantaciones reales en puertos como los de Amberes, Rotterdam, Singapur, Valencia y Barcelona los cuales se han ido enfocando en diferentes soluciones: gestión y control de los movimientos de mercancías, sistemas de información geográfica, trayectorias de vuelo de drones, vías navegables, seguridad de acceso, movimientos de buques, infraestructura, clima, información geográfica y profundidad del agua, aproximación del buque, asistencia del práctico, operación de los remolcadores, operación de atraque y amarre, descarga y carga de la mercancía, operaciones de las grúas, trasiego de los contenedores dentro de las terminales, recogida/recepción de las mercancías por camiones o tren, entradas y salidas del tráfico ferroviario, marino y de carretera y un largo etc.

Todo ello se traduce en:

• Mejora productiva de las operaciones portuarias
• Incorporación de sistemas predictivos
• Garantía de la seguridad de las empresas y trabajadores portuarios
• Transparencia y simplicidad en las operaciones de exportación e importación

7.Aprendizaje y mantenimiento seguro

Mediante esta herramienta, se pueden hacer simulaciones basadas en históricos o en tiempo real, que permite a los trabajadores enfrentarse a tareas y asuntos cotidianos y comprender de una manera más sencilla y transversal, las operaciones que allí suceden.

El gemelo digital permite un sistema de mantenimiento más eficiente, mediante la reducción de trabajos de inspección innecesarios o puede utilizarse para testear el rendimiento del activo en diferentes escenarios dada su situación actual, y por lo tanto evitar situaciones peligrosas que comprometan el activo físico.

8.Sensores y datos

El estudio del comportamiento de diferentes activos como el casco de un barco o la estructura de una grúa del puerto mediante sensores, se convierte en un sistema retroalimentado gracias al gemelo digital.

Por un lado, los sensores aportan información relevante en tiempo real y generan un histórico de los efectos que estamos midiendo, y por otro, ese mismo gemelo digital, nos sirve para la toma de decisiones acerca de los sensores a instalar, localización, cantidad o incluso qué fabricante o sensor aporta los datos más fiables.

Este último caso es muy interesante, ya que se pueden instalar diferentes sensores de manera virtual y analizar su comportamiento para determinar la diferencia de la calidad de los datos de cada uno de ellos. Su resultado beneficia a los propios fabricantes, que obtendrán gran cantidad de datos procedentes de diferentes gemelos digitales de diferentes clientes, lo cual les aporta información valiosísima para el desarrollo y mejora de sus productos.

9.Ciberseguridad

A medida que los sistemas ciber-físicos y la conectividad aumenta, la preocupación por la seguridad aumenta.

Por ello a la misma velocidad que el sector crece y se digitaliza, se impone el reto de que la industria de la ciberseguridad sea capaz de llegar con suficiente antelación para asegurar la confianza en el progreso.

Recientemente la sociedad de clasificación “ClassNK”, enfocada en la seguridad de buques, ha lanzado la segunda edición de “Guidelines for Designing Cybersecurity Onboard Ships” enfocada en la construcción de nuevas embarcaciones y dueños de astilleros; un claro ejemplo más de la preocupación y el trabajo que se está desarrollando en el sector marítimo al respecto, consciente de la alta necesidad de garantizar la seguridad en un sector marítimo creciente altamente digitalizado y autónomo.

10.Conclusiones

El gemelo digital, ha desarrollado un gran potencial en los últimos años, gracias a su capacidad de integrar las nuevas tecnologías emergentes. Por ello, es de gran importancia la capacidad de implantación de estas tecnologías a escala global y de forma segura, que siga permitiendo su desarrollo.

Enfocándonos en el sector marítimo-portuario, el gemelo digital aporta una nueva dimensión, inyectando conceptos operacionales tradicionales y de industria 4.0, típicamente utilizados en el sector de la manufactura, pero que renacen y se aplican en este nuevo entorno que permanecía en cierta medida aislado de la revolución tecnológica terrestre.

Desde la digitalización, optimización y automatización de los procesos más simples llevados a cabo dentro de un buque, hasta un gemelo digital global y autónomo que abarque las operativas portuarias más complejas

Autor:

Carlos Freire Trigo (Making Things Happen)