Né dans les années soixante, le concept de jumeau numérique est aujourd’hui en plein développement au point de révolutionner certains secteurs industriels. Explications et petit tour d’horizon des applications chez Thales.

Commençons par une définition. Un jumeau numérique est une représentation virtuelle d’une entité physique, objet, process ou même d’un système entier. Il peut être utilisé pour fournir des informations approfondies et aider à la prise de décision par la visualisation, l'analyse et la manipulation de données.

Contrairement aux systèmes de simulation, les jumeaux numériques ont une contrepartie physique, connectée via un flux de données. Ils peuvent être « nourris » de nouvelles données à chaque étape du cycle de vie d'un système, ce qui permet d'obtenir des informations précieuses, de réduire les coûts, d'améliorer la qualité et de réduire les risques à chacune de ces étapes.

Conçus au départ pour représenter un produit, un moteur d’avion par exemple, les jumeaux numériques peuvent aujourd’hui modéliser des systèmes entiers : un avion dans son ensemble, un bâtiment, une usine, une chaîne de production et même…  notre planète, comme nous le verrons plus loin.

« Houston, on a eu un problème »

Le concept est né dans le courant des années 1960 au sein de la NASA pour la programmation spatiale. Et c’est en 1970 dans le cadre de l’agence spatiale américaine qu’il connût ce qui restera sans doute pour longtemps son plus haut fait d’armes : le sauvetage de l’équipage de la mission Apollo 13. 

Les ingénieurs de la Nasa possédaient des « simulateurs » du fonctionnement des composants principaux du module spatial. Ces simulateurs étaient contrôlés par un réseau d’ordinateurs et pouvaient être synchronisés avec les données qui venaient de l’engin spatial. Et c’est en grande partie grâce à ces simulateurs connectés, ces doubles numériques, que les équipes au sol et dans l’espace ont pu, ensemble, établir un diagnostic et sauver la mission. Une performance d’autant plus remarquable qu’il s’agissait déjà non pas d’un jumeau numérique, mais d’un réseau de jumeaux numériques en interaction les uns avec autres, chacun modélisé par un système de simulation indépendant. 

Une révolution industrielle ?

Aujourd’hui, cette technologie s’est considérablement enrichie grâce aux avancées en matière de connectivité, d’intelligence artificielle et de traitement de donnée. 

Son intérêt pour le monde industriel est évident puisqu’au lieu de créer physiquement un produit et de lui faire passer toute une série de tests, il devient possible de créer, en amont, son jumeau numérique pour analyser et améliorer ses performances, anticiper d’éventuels dysfonctionnements, le manipuler par plusieurs personnes travaillant à distance grâce à des casques holographiques, etc.  Et ce qui est vrai pour un produit l’est aussi pour un système, un réseau, une usine ou encore une chaîne logistique.

D’où l’intérêt de nombreux secteurs industriels : énergie, transport mais aussi urbanisme dans le cadre de projets de villes intelligentes, automobile, santé pour tester des traitements sur un patient virtuel, simuler des opérations complexes ou améliorer la qualité des prothèses.

Du prototypage virtuel à la gestion du trafic des drones

Thales est aujourd'hui en première ligne pour exploiter les possibilités de cette technologie et même en repousser les limites. Cela fait déjà des années que ses équipes d’ingénieurs affinent le concept en développant des environnements synthétiques de haute-fidélité, combinés à de puissantes capacités d'ingénierie des systèmes basés sur des modèles. Aujourd’hui, l’utilisation de jumeaux numériques se multiplie dans les différentes activités du Groupe, comme en témoigne ces quelques exemples.

Commençons par l’ingénierie avec le projet DigitalTwin Multiphysique destiné à améliorer l'efficacité des équipes d’ingénierie grâce au prototypage virtuel qui permet d’optimiser, de la conception à la validation, les sous-ensembles hardware avant la fabrication de prototype physique. 

« La création de jumeaux numériques va permettre aux équipes d’accélérer les phases d’intégration et de mise au point, et de faciliter la modélisation et l’intégration système, explique Christophe Dumas, directeur général adjoint Opérations et performance, Systèmes d'information et de communication sécurisés.  C'est l'objectif visé, par exemple, dans le cadre du développement de MELISSA, solution sécurisée de communications par satellite que Thales va fournir aux avions ravitailleurs de l’armée française. »

Les jumeaux numériques ont évidemment un énorme potentiel dans le domaine de la formation, aussi bien civile - on songe, en particulier à l’aviation civile ou aux drones - que militaire.  

Thales a ainsi fait appel à un jumeau numérique pour développer la vétronique (l’électronique embarquée) des nouveaux engins blindés multirôles de l’armée de terre française dans le cadre du programme Scorpion.

Au-delà de la formation, Thales travaille avec le ministère de la Défense britannique pour accompagner la transformation numérique des activités de test et d'évaluation grâce à l’utilisation de jumeaux numériques.

Autre exemple de combinaison de capacités réelles et synthétiques, le Future Flight Challenge britannique . Thales fait partie du consortium Airspace of the Future, qui travaille au développement d'un jumeau numérique du National Beyond Visual Line of Sight Experimentation Corridor. Ce projet vise à créer un espace sûr et séparé dans lequel pourront opérer divers drones commerciaux et véhicules de mobilité aérienne. 

Une Terre jumelle

Mais l’exemple le plus spectaculaire est sans doute Destination Terre, l’initiative pour le moins ambitieuse lancée par l'Union européenne pour créer un jumeau numérique de la Terre. Un avatar qui permettra de surveiller les effets de l'activité naturelle et humaine sur notre planète, d’anticiper les événements extrêmes et d’adapter les politiques aux défis liés au climat. 

Thales Alenia Space est associé à SERCO, le chef de file du consortium, chargé par l'Agence spatiale européenne de mettre en œuvre la plateforme de services DestinE, un élément clé du projet.
À l'aide de modèles novateurs du système terrestre, d'outils informatiques de pointe, de données satellitaires et de l'apprentissage automatique, DestinE permettra à ses utilisateurs d'explorer les effets du changement climatique sur les différentes composantes du système terrestre, ainsi que les stratégies d'adaptation et d'atténuation possibles.

Les jumeaux numériques de Destination Terre sont des répliques numériques du système terrestre complexe de notre planète. Ils seront construits selon des catégories thématiques issues des différents domaines des sciences de la Terre, tels que les catastrophes naturelles extrêmes, l'adaptation au changement climatique, les océans et la biodiversité. L'objectif est d'intégrer ces répliques numériques pour créer un jumeau numérique complet de l'ensemble du système terrestre.

 

Lisez le communiqué de Thales Alenia Space pour en savoir plus sur DestinE.
 

 ¹ L’initiative Future Flight Challenge du réseau UK Research and Innovation se propose de transformer le transport aérien passagers et marchandises. Elle s’intéresse notamment aux technologies de vol électriques et autonomes (drones, véhicules de mobilité aérienne urbaine et transport régional par aéronef hybride électrique). Cette aviation du futur devra s’intégrer à un système complet comprenant notamment infrastructures de surface, réglementations et systèmes de contrôle.