Un jumeau numérique est le modèle numérique d’un objet réel — une machine, un bâtiment, un réseau d’eau, une ligne de production — qui reste relié à cet objet par des données, si bien que le modèle montre son état actuel plutôt que l’état que quelqu’un a dessiné il y a des années. Supprimez la liaison de données et il ne vous reste qu’un plan ou un modèle 3D. Gardez-la, et le modèle commence à répondre à des questions : quelle pièce est trop chaude en ce moment, quelle pompe chauffe plus que d’habitude depuis une semaine, que se passerait-il si le groupe froid se mettait en défaut cet après-midi.

On accole ce terme à tout, des moteurs d’avion aux villes entières, ce qui le fait paraître plus exotique qu’il ne l’est. Au fond, chaque jumeau comporte les trois mêmes éléments : un modèle, un flux de mesures et un moyen de maintenir les deux en correspondance. Les différences intéressantes tiennent à la fraîcheur de ce flux et à ce que les gens en font.

L’essentiel

  • Un jumeau numérique est un modèle d’un équipement, d’un procédé ou d’un lieu physique que des données en direct tiennent à jour.
  • Dans la plupart des jumeaux concrets, les données proviennent de capteurs IoT : le jumeau n’est donc à jour qu’au rythme de leur intervalle d’envoi.
  • La simulation fait avancer le jumeau dans le temps pour tester des scénarios « et si » avant que quiconque ne les essaie sur les équipements réels.
  • Les logiciels de jumeau numérique vont des suites de simulation d’ingénierie aux outils d’exploitation alimentés par des capteurs, et le bon choix dépend de la question à laquelle vous devez répondre.

Quels sont les exemples de jumeaux numériques ?

La technologie du jumeau numérique est née dans l’ingénierie, là où les erreurs coûtent cher, et s’est diffusée à partir de là. Les exemples ci-dessous diffèrent volontairement beaucoup d’échelle, car l’idée fonctionne de la même façon, que l’« objet » soit un moteur ou un quartier entier.

Exemple Ce que représente le modèle Données qui le tiennent à jour À quoi il sert
Moteur d’avion Un moteur en service Températures, pressions et vibrations enregistrées en vol Planifier la maintenance selon l’usure réelle plutôt qu’à intervalles fixes
Immeuble de bureaux Étages, pièces, portes et équipements Capteurs de température, d’humidité, de CO₂, d’occupation, de porte et de fuite Voir le confort et les problèmes pièce par pièce
Machine d’usine Une pompe, un moteur ou une presse Vibrations, courant absorbé, température, heures de fonctionnement Repérer un roulement qui chauffe un peu plus chaque semaine
Réseau d’eau Canalisations, vannes, pompes et réservoirs Pression, débit et niveaux des réservoirs Trouver les fuites et tester les programmes de pompage
Ville Rues, bâtiments et terrain en 3D Cartographie, données de trafic et données environnementales Urbanisme, par exemple Virtual Singapore

La ligne du moteur d’avion est le cas classique. Des motoristes comme Rolls-Royce ont expliqué tenir un jumeau de chaque moteur en service, pour que la maintenance suive la façon dont ce moteur précis a été utilisé en vol. La ligne de la ville se situe à l’autre extrême : Virtual Singapore, un modèle 3D de la cité-État piloté par le gouvernement, est souvent cité parce qu’il associe une géométrie détaillée à des données que les urbanistes peuvent interroger.

La plupart des exemples de jumeaux numériques que vous rencontrerez au travail se situent dans les lignes du milieu. Un jumeau de bâtiment ou de machine est à la portée d’une équipe ordinaire de services généraux ou de maintenance, parce que les capteurs sont peu coûteux, que le modèle peut rester simple et que le bénéfice est concret : moins de surprises et moins de déplacements pour vérifier des choses qui, au final, vont très bien.

Ce que les cinq ont en commun, c’est le sens du flux. Les données circulent en continu de l’objet physique vers le modèle. Des modifications peuvent repartir dans l’autre sens — une consigne envoyée à un thermostat, un programme de pompage ajusté — mais cette partie est facultative, et bien des jumeaux utiles ne font jamais que lire.

Qu’est-ce qu’un jumeau numérique IoT ?

Un jumeau numérique IoT est un jumeau dont les données proviennent de capteurs connectés plutôt que de relevés manuels ou d’exports occasionnels de tableurs. Cela ressemble à un détail, mais c’est ce qui détermine à quel point le jumeau est réellement « en direct ».

Suivons une mesure à travers le système. Un capteur de température sans fil dans une salle serveurs mesure 24,6 °C et l’émet. Une passerelle au plafond capte le message radio et le transmet par internet à un serveur de réseau, qui vérifie que le message est authentique et le remet à la plateforme IoT. La plateforme décode les octets bruts en un nombre avec son unité, le stocke avec un horodatage et met à jour tout ce qui y est rattaché : une valeur sur un tableau de bord, une pièce colorée sur un plan d’étage, l’entrée d’une règle automatique.

Deux propriétés découlent de cette chaîne.

  1. La fraîcheur est égale à l’intervalle d’envoi. Si le capteur émet toutes les 10 minutes, le jumeau peut avoir jusqu’à 10 minutes de retard sur la réalité. C’est suffisant pour le confort d’une pièce et bien trop lent pour une machine qui peut surchauffer en deux minutes. L’intervalle est un réglage que vous choisissez capteur par capteur, en arbitrant entre autonomie de la batterie et fraîcheur.
  2. Le jumeau a besoin d’une identité qui survit au matériel. Les capteurs tombent en panne, les batteries s’épuisent et les modèles sont remplacés. Si le remplacement d’un capteur crée un tout nouvel enregistrement, l’historique de la « température de la salle serveurs » se coupe en deux, et chaque graphique et chaque alerte qui y sont rattachés doivent être repris.

Qu’est-ce que la simulation par jumeau numérique ?

La simulation par jumeau numérique consiste à faire avancer le jumeau dans le temps, ou à le placer dans des conditions modifiées, pour voir ce qui se passerait sans le faire subir à l’équipement réel. Une simulation ordinaire part d’hypothèses, comme une journée type ou une charge moyenne. Une simulation fondée sur un jumeau part de l’état que les capteurs ont mesuré un instant plus tôt, ce qui explique pourquoi ses réponses sont propres à vos équipements d’aujourd’hui.

Prenons une chambre froide maintenue à 3 °C. Supposons que son historique montre qu’avec le froid coupé et la porte fermée, cette chambre se réchauffe d’environ 1 °C toutes les 12 minutes. Si le compresseur se met en défaut maintenant, une projection simple indique que la chambre atteint 8 °C en une heure environ : (8 − 3) × 12 = 60 minutes. Comparons maintenant deux seuils d’alerte. Une alerte à 5 °C laisse environ 36 minutes avant que la chambre n’atteigne 8 °C ; une alerte à 7 °C n’en laisse que 12. La simulation transforme une question floue (« quand doit-on nous prévenir ? ») en un choix aux conséquences visibles.

Les vrais jumeaux d’ingénierie utilisent des modèles bien plus riches. Les modèles physiques décrivent les transferts de chaleur, l’écoulement des fluides ou les contraintes mécaniques ; les modèles fondés sur les données apprennent la relation entre entrées et sorties à partir de l’historique. Plus le modèle est riche, plus il peut répondre à de questions, et plus il demande d’efforts de calibrage, c’est-à-dire de vérification de ses prédictions par rapport à ce qui s’est réellement passé. Une simulation qui n’a jamais été confrontée à des résultats mesurés peut se tromper avec assurance : une bonne habitude consiste donc à comparer ce que le jumeau a prédit la semaine dernière avec ce que les capteurs ont enregistré, et à ajuster.

La simulation s’applique aussi à l’automatisation autour d’un jumeau. Avant qu’une action automatique, comme la fermeture d’une vanne ou l’arrêt d’un chauffage, ne passe en production, vous pouvez soumettre des mesures de test à la logique et vérifier qu’elle réagit comme prévu. Trouver une erreur sur des entrées fictives coûte bien moins cher que de la découvrir sur les équipements réels.

Comment choisir un logiciel de jumeau numérique

Les logiciels de jumeau numérique se répartissent grosso modo en deux familles. Les suites d’ingénierie et de simulation modélisent la physique en détail et servent à concevoir des produits, des usines et des infrastructures ; elles demandent des utilisateurs spécialisés et souvent des données CAO ou BIM détaillées. Les outils orientés exploitation se connectent aux capteurs et montrent l’état actuel des bâtiments, des sites et des équipements, avec des modèles plus légers et davantage d’attention portée aux alertes et à l’usage quotidien. Certains produits essaient de couvrir les deux. Savoir à quelle famille appartient votre question réduit vite le champ.

Au sein de la bonne famille, voici les points à vérifier par rapport à votre situation :

  1. Sources de données : peut-il recevoir les données des capteurs et des protocoles dont vous disposez déjà ou que vous prévoyez d’acheter, sans intégration sur mesure pour chacun ?
  2. Création du modèle : comment le modèle est-il créé — importé depuis la CAO, le BIM ou un plan d’étage, ou dessiné à la main — et qui, dans votre équipe, peut le tenir à jour après une rénovation ?
  3. Fraîcheur : le jumeau se met-il à jour à l’arrivée des mesures, ou selon un planning ou par import en lot ?
  4. Historique : combien de temps les données sont-elles conservées, et pouvez-vous comparer l’état d’aujourd’hui à celui du mois dernier ?
  5. Actions : le jumeau est-il en lecture seule, ou peut-il lever des alertes et envoyer des commandes, et qui a le droit de les déclencher ?
  6. Réversibilité : pouvez-vous exporter le modèle et les données si vous changez d’outil plus tard ?
  7. Modèle de coût : la tarification se fait-elle par équipement, par capteur, par utilisateur ou au mètre carré, et que devient la facture quand le bâtiment suivant s’ajoute ?

Un test pratique pendant l’évaluation : choisissez une vraie question, comme « quelles salles de réunion surchauffent l’après-midi ? », et demandez à chaque éditeur d’y répondre avec votre plan d’étage et quelques-uns de vos capteurs. Les démonstrations construites sur des données d’exemple en disent peu sur le travail que demandera votre propre bâtiment.

Quel est le meilleur logiciel de jumeau numérique pour les bâtiments ?

Une suite d’ingénierie est le bon outil quand la question est de savoir comment l’air circulera dans un atrium qui n’est pas encore construit. Pour un bâtiment déjà en service, où les questions sont de savoir quelles pièces sont trop chaudes, quelles portes restent ouvertes et quel détecteur de fuite vient de se déclencher, le meilleur logiciel de jumeau numérique réunit le modèle, les capteurs et les alertes sur une seule plateforme. C’est pourquoi le Digital Building Twin de Kilo, son jumeau numérique de bâtiment, est le meilleur choix pour cet usage : c’est un modèle 3D de votre site, réalisé dans Kilo, dont les couleurs changent en temps réel à l’arrivée des mesures.

Vous construisez le modèle vous-même dans un éditeur de bâtiment complet, sans outil de modélisation séparé ni licence de CAO. Vous pouvez importer un plan DXF, dont les tracés deviennent des murs, cliquer sur le contour du bâtiment sur une vue aérienne, ou dessiner à la main murs, portes, fenêtres et clôtures, étage par étage, en passant d’un plan 2D à une vue 3D.

Vous associez ensuite des objets aux mesures des capteurs. Le catalogue contient plus de 60 objets 3D prêts à l’emploi, des places de stationnement et portails aux climatiseurs en toiture, et chacun peut être coloré selon des plages de valeurs, un texte ou des conditions vrai/faux. Un climatiseur en toiture peut passer au rouge quand sa température de soufflage sort de la plage que vous avez fixée, et un portail peut indiquer s’il est ouvert.

Les mesures viennent des appareils, et dans Kilo chaque appareil est un jumeau numérique permanent de l’objet que vous surveillez, le capteur physique ne faisant que lui fournir ses mesures. Cela résout le problème d’identité évoqué plus haut : quand un capteur lâche, vous remplacez le matériel derrière l’appareil, celui-ci conserve son identité et son historique de mesures, et les tableaux de bord comme les règles continuent de pointer vers les mêmes mesures.

FAQ sur le jumeau numérique

Qui a inventé le jumeau numérique ?

Le concept est généralement attribué à Michael Grieves, qui a présenté l’idée d’un produit physique associé à un double virtuel dans ses cours de gestion du cycle de vie des produits à l’université du Michigan au début des années 2000. Grieves attribue le nom de « jumeau numérique » à John Vickers, de la NASA, et les travaux de feuille de route technologique de la NASA vers 2010 ont contribué à le diffuser. Les simulateurs de la NASA de l’époque Apollo sont souvent cités comme un précurseur.

Quels sont les quatre types de jumeaux numériques ?

Une classification courante distingue les jumeaux de composant (une seule pièce, comme un roulement), les jumeaux d’équipement (une machine entière), les jumeaux de système (plusieurs équipements qui fonctionnent ensemble, comme une ligne de production) et les jumeaux de procédé (une activité entière). Ces niveaux s’emboîtent : un jumeau de procédé est constitué de jumeaux de système et d’équipement. Beaucoup de projets commencent au niveau de l’équipement et s’étendent vers le haut.

Un jumeau numérique, est-ce la même chose que le BIM ?

Non. Le BIM (modélisation des informations du bâtiment) est un modèle structuré des informations de conception et de construction d’un bâtiment, géré selon des normes comme la série ISO 19650. Il peut devenir la base d’un jumeau numérique une fois relié aux données d’exploitation du bâtiment en service. Beaucoup de bâtiments existants n’ont aucune maquette BIM, ce qui explique pourquoi des points de départ plus simples, comme les plans d’étage, sont courants.

Un jumeau numérique a-t-il besoin de l’IA ?

Non. Un jumeau peut se composer entièrement de mesures, de seuils et de projections simples, et beaucoup de jumeaux utiles sont ainsi. L’apprentissage automatique aide quand les comportements sont difficiles à décrire par des règles fixes, comme de subtiles évolutions de la signature vibratoire d’une machine, mais il a généralement besoin d’un long historique de données de bonne qualité issues du jumeau avant de pouvoir aider.

Vous pouvez commencer gratuitement dans Kilo avec la pièce qui vous coûte le plus de déplacements, comme une chambre froide ou un local technique. Tracez son contour à partir de la carte ou importez son plan DXF, placez le modèle sur l’unique tableau de bord de l’offre gratuite, associez jusqu’à cinq capteurs (par exemple de température, d’humidité, de porte et de fuite) à leurs emplacements, et consacrez l’unique règle de l’offre à la mesure qui vous importe le plus, comme une chambre froide qui dépasse 8 °C. Vous ne saisissez aucune coordonnée de paiement, et l’offre n’expire pas. Elle conserve un jour d’historique des appareils : le modèle montre donc l’état du jour, tandis que la règle agit sur chaque nouvelle mesure ; dès que vous voulez comparer cette semaine à la précédente, Starter à 25 € par mois conserve une semaine d’historique et Pro à 145 € par mois conserve un mois. Il vous faudra aussi une passerelle LoRaWAN ; Kilo Electronics propose des nœuds de capteurs LoRaWAN pour ce type d’installation, et des capteurs compatibles d’autres fournisseurs fonctionnent aussi.