Gemelli digitali

Per gli esseri umani un gemello è un fratello (o una sorella) nato da uno stesso parto. Essere gemelli non significa però essere uguali in tutto e per tutto, anche se quelli monozigoti hanno patrimonio genetico identico e, a differenza di quelli dizigoti, è praticamente impossibile distinguerli dal punto di vista dell’aspetto. Lasciamo però a chi se ne intende ulteriori spiegazioni e veniamo al tema dell’approfondimento di questo numero ossia quello dei digital twin, i cosiddetti gemelli digitali utilizzati in vari ambiti tecnologici come strumento per ottimizzare e migliorare processi, prodotti e servizi. Di fatto si tratta di modelli software che riproducono un sistema per poi generare informazioni utili a comprenderne il funzionamento e quindi agire di conseguenza, con applicazioni possibili in ambito pubblico e privato. Prima di entrare nel dettaglio delle loro caratteristiche nell’intervista delle prossime pagine, guardiamo a qualche numero contenuto nel recente report Digital Twin Market Size, Share & Trends Analysis (https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/digital-twin-market) realizzato da Grand View Research.

Di fatto, relativamente allo scorso anno si parla di un giro d’affari pari 5,04 miliardi di dollari, cifra che dovrebbe registrare una tasso di crescita composto del 42,7% da qui al 2028 quando raggiungerà 86,09 miliardi La ricerca sottolinea quindi come lo scoro anno la pandemia di COVID-19 abbia influito sull’andamento del settore tenendo conto della inoperatività a cui sono state costrette fabbriche e impianti produttivi, ossia quell’insieme di ambienti che nei fatti sono tra quelli considerati più adatti quando si parla di sviluppo di digital twin. Nonostante l’inevitabile frenata le previsioni degli analisti da qui in poi sono comunque positive e questo tenendo non solo conto dell’offerta variegata di applicazioni che possono essere effettivamente messe in campo in relazione alla situazione contingente, come ad esempio quando si parla di valutazione di modelli dedicati al distanziamento sociale. Di fatto, viene spiegato come COVID-19 abbia spinto l’uso dei digital twins in specifici casi d’uso in comparti quali sanità, agricoltura e pubblica amministrazione, dando una spinta all’adozione di queste particolari tecnologie per avere una preparazione più adeguata a crisi simili che potrebbero eventualmente verificarsi in futuro.

Tre sono in generale i fattori che i ricercatori ritengono possano guidare la crescita di questo mercato: innovazione, competizione globale e passi avanti tecnologici. La spiegazione risiede nel fatto che il digital twin viene considerato un concetto che mette a disposizione delle organizzazioni degli ulteriori strumenti in grado di favorire una efficace riduzione dei costi e, contemporaneamente, un miglioramento dei profitti.

Ma non solo. Un altro fattore che secondo il report sta trainando il mercato è legato a fenomeni come l’automazione dei processi e il cloud computing nonché la diffusione dell’Internet of Things, un concetto che, lo ricordiamo, descrive la connessione in rete di oggetti fisici che dà vita a uno scambio continuo di informazioni utilizzabili su più fronti tecnologici e gestionali. Diverse, si legge nel report, sono le soluzioni che mettono insieme IoT e digital twin e che vengono poi destinate a più settori di utilizzo. Tra questi sono segnalati agricoltura, automobilistico, energia, manifatturiero, utility, sanità. Tutte aree dove l’automazione viene di fatto vista come un elemento sempre più diffuso e che appunto è aiutata dalla raccolta dei dati generati dai diversi dispositivi connessi che ormai non sono più solamente quelli tradizionalmente legati al mondo IT (information technology) ma anche alle cosiddette OT (operation technology), quindi i sistemi industriali ormai apertisi a Internet dopo essere rimasti per tradizione sostanzialmente chiusi. Ecco che, tornando alle previsioni di Grand View Research, un fattore di crescita di questo mercato è da ricercarsi in tutto quanto ruota attorno al tema Industry 4.0 con una combinazione tra le tecniche di produzione e appunto l’IoT allo scopo di realizzare sistemi interconnessi. In questo caso il digital twin viene considerato un elemento che consente di essere conformi agli ‘standard’ 4.0 e all’uso dei relativi beni strumentali a supporto per i quali il legislatore in Italia ha previsto anche tutta una serie di incentivi.
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I settori in gioco

Tornando ai numeri contenuti nel report di Grand View Research, vediamo ora quali sono le aree geografiche e i segmenti di mercato che lo scorso anno hanno pesato maggiormente sul giro di affari legato al digital twin e le previsioni conseguenti. Per quanto riguarda le prime, si legge che la regione americana nel 2020 ha prodotto oltre il 30% del fatturato globale e per essa è prevista una crescita costante, sulla spinta ad esempio del settore sanitario. Anche per l’Europa, si parla cifre simili e gli analisti attribuiscono questo risultato alla elevata penetrazione dell’IoT in particolar modo in Europa Occidentale. E ancora, si parla inoltre di buone previsioni di crescita grazie, ad esempio, alle scelte dei comparti automobilistico e delle biotecnologie. Ma a fare la parte del leone saranno comunque i Paesi dell’area Asia Pacifico e in particolari India e Cina per le quali è previsto un tasso di crescita composto di oltre il 50% in sette anni coinvolgendo implementazioni in ambito agricoltura, infrastruttura e tecnologia, oltre che manifatturiero.

Guardando alla spesa del 2020, il report intanto segnala i settori residenziale e commerciale in testa, con il 20% del totale abilitato da un numero crescente di smart building in tutto il mondo. Per smart building, lo ricordiamo, si intendono quegli edifici dotati di tecnologie in grado di raccogliere e utilizzare dati sull’utilizzo di spazi e infrastrutture ottimizzandone i diversi aspetti grazie a una gestione avanzata oltre che all’installazione di sistemi intelligenti e connessi. Dall’illuminazione al riscaldamento passando per gli ascensori e i sistemi di sicurezza, sono solo alcuni degli ‘oggetti’ che vivono in uno smart building. A seguire, nella graduatoria, manifatturiero, trasporti e automotive.

Nel report viene inoltre evidenziato anche il tema della Sanità, così strettamente legato al settore pubblico, dove le applicazioni di digital twin vengono giudicate in potenza in grado di rivoluzionare sia l’offerta verso il paziente che l’operatività stessa delle strutture ospedaliere, dando vita ad esempio a sistemi interconnessi in grado di rappresentare un’immagine digitale dell’edificio, ma anche dei sistemi e delle attrezzature utilizzate al suo interno per portare avanti le attività destinate ai cittadini. Stessa cosa potrebbe accadere per dare vita ad ambienti simulati degli organi umani per valutare l’effetto di particolari procedure chirurgiche. Un tema, quello sanitario, dove gli analisti si aspettano che i gemelli digitali registreranno una crescita sostanziale tra il 2021 e il 2028, e che toccheremo anche nell’intervista a seguire.
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La strada dei Digital Twin

Costruire delle copie dei sistemi reali per capire e controllare le logiche di funzionamento e identificare gli eventuali problemi e le soluzioni tattiche da applicare sul breve termine. In questa intervista Luigi Manca, Head of Digital Twin Practice di Engineering, entra nel dettaglio delle caratteristiche dei ‘gemelli digitali’ e dei possibili loro utilizzi

Cosa intendiamo, concretamente, per digital twin?

Quello di digital twin è prima di tutto un concetto, non una tecnologia, che esprime la realizzazione di copie digitali di un sistema fisico (bene reale o processo), catturandone l’intera descrizione in termini di logiche di funzionamento ed eventi che lo caratterizzano e nel momento particolare in cui viene condotta l’analisi e va presa una decisione. Queste copie gemelle, che restano sempre allineate con il reale, servono ad esempio per gestire sistemi complessi per i quali, di fatto, con i metodi tradizionali non sempre esiste la possibilità di ottenere soluzioni immediate.

Parliamo di tecniche di simulazione che evolutesi in decenni, ma che in questo caso si avvalgono appunto di una rappresentazione dello stato attuale e reale del sistema in questione – e quindi del suo contesto – per individuare soluzioni tattiche da applicare sul futuro più prossimo. Questo grazie a un dato certo e accurato, evitando quelle speculazioni più adattate a soluzioni strategiche di lungo termine. Riassumendo: osservo il comportamento del sistema, vedo se in quel momento sta deviando e cerco delle soluzioni che mi permettono di riportarlo nelle sue condizioni ottimali di funzionamento conducendo dei test privi di rischi all’interno di uno spazio virtuale.

Proviamo a fare qualche esempio dei vantaggi che questo concetto può generare…

Partiamo dall’ambito manifatturiero. Può emergere la necessità di dimensionare un impianto produttivo con macchinari nuovi. In questo caso è sempre possibile usare tecniche di simulazione che però restano confinate in termini di tempo ignoti. Il digital twin invece, raccogliendo i dati ad esempio attraverso le interfacce IoT, rappresenta lo stato dell’impianto così come è oggi fronte macchine e logiche di funzionamento, nonché esigenze immediate, accelerando di fatto gli interventi necessari. E ancora. Questi strumenti possono essere utilizzati anche per abilitare nuove tecniche di ottimizzazione basate su algoritmi di intelligenza artificiale che rispetto a quelli più noti come deep learning e reti neurali standard non vengono addestrati con grandi quantità di dati bensì attraverso l’esperienza, provando e riprovando a prendere decisioni in un ambiente in questo caso simulato. Ecco che, attraverso l’esperienza e un feedback rispetto all’obiettivo prefissato, imparano a prendere ottime decisioni in tempo reale. Un terzo beneficio è quello della visualizzazione in tre dimensioni del sistema gemello, una sua copia virtuale ed immersiva con la quale interagire come se fosse reale e con una visione end-to-end. Questo permette di osservarne il funzionamento, di rivederne le diverse fasi comportamentali come se si trattasse di un film, identificandone gli eventuali punti critici, fornendo quella comprensione e confidenza maggiore che un modello matematico non sarebbe in grado di garantire.

Quali sono le ragioni per cui questa pratica è da considerarsi sempre più importante per gli anni a venire?

La considerazione da fare è che viviamo in un mondo sempre più complesso. Questo scenario, con la maggiore interdipendenza tra i vari elementi di un sistema e la grande diversità dei loro obiettivi, richiede un orchestratore che consenta la simulazione di comportamenti che di fatto non possono essere rappresentati attraverso forme analitiche chiuse. La matematica in sé non è in grado di fornire facilmente dei modelli utili a questo scopo né di includere la variabile del tempo all’interno dell’equazione. Ecco allora che gli strumenti simulativi sono sempre più necessari e richiesti per far fronte alla crescente complessità; dovendo tuttavia questi strumenti essere usabili non solo in uno scenario di lungo termine ma anche nell’immediato nasce l’esigenza di creare dei digital twin sia di un processo organizzativo che di un oggetto fisico. Se quest’ultimo fronte è più semplice da trattare e già da tempo è governato con strumenti di modellazione derivati ad esempio dai software di disegno assistito, la parte più sfidante è quella organizzativa applicandovi comunque sempre tecniche immediate e visuali.

Anche in questo caso possiamo fare qualche esempio?

Oggi più che mai i processi organizzativi non possono avere alcuna inefficienza. Pensiamo ad esempio al tema della supply chain e a quanto accaduto di recente con il caso della nave per container che, rimasta incagliata, ha bloccato per giorni il Canale di Suez. Si è scatenato un effetto farfalla che ha impattato su tutti i processi dipendenti dal funzionamento del Canale stesso. In questi casi, per far fronte a possibili eventi dirompenti, risulta fondamentale riuscire a governare in tempo reale la correlazione tra i diversi oggetti coinvolti e reagire rapidamente modificando la configurazione attuale in tempo reale. Chi riesce a farlo già si differenzia dalla concorrenza, ma con il tempo questo diventerà un elemento necessario per non restare indietro, considerato che ci sono sempre meno margini per permettersi errori.

Per poter adottare con successo un modello di digital twin quali sono i passi da compiere e le sfide da affrontare?

Prima di tutto è fondamentale descrivere nella maniera più esaustiva possibile tutti i processi che caratterizzano il sistema che il digital twin dovrà imitare. In questo modo, nel percorso di realizzazione, è possibile entrare nel dettaglio delle caratteristiche e comprendere meglio le complessità in gioco. Si tratta di uno sforzo che il manager coinvolto deve compiere per esplicitare il funzionamento della sua organizzazione o bene fisico. Inoltre bisogna considerare il tema della corrispondenza della logica rispetto allo stato iniziale, ossia ancora una volta avere a disposizione il dato che permette di costruire alimentare il digital twin in modo corretto. Ecco che non sempre le aziende sono pronte con la raccolta di queste informazioni e tante volte ci si trova ancora a dover costruire dei sistemi che dipendono dall’inserimento del dato da parte di una persona fisica. Poter fruire di tecnologie IoT sempre più pervasive e basso costo nel tempo può aiutare a vincere questa sfida. Oggi, infine, possono esistere ambienti misti con macchine di nuova generazione già connesse in rete e altre legacy ma ancora irrinunciabili sulle quali è più difficile sviluppare dei digital twin. In definitiva servono chiarezza e descrizione di come il sistema funziona e nel contempo una connettività in tempo reale e diffusa.

Approfondiamo a questo punto il tema delle tecnologie abilitanti.

Come ho accennato in precedenza alla base del digital twin ci sono le tecnologie di simulazione dinamica con le quali si descrivono le logiche del sistema e del relativo comportamento. A queste si aggiungono le tecnologie di sensoristica e l’Internet of Things per la raccolta e trasmissione dei dati su reti ad alta velocità, 5G compreso, per supportare asset distribuiti con una comunicazione immediata che restituisca lo stato di un sistema. E ancora va presa in considerazione l’intelligenza artificiale. Inoltre spingendoci oltre il digital twin logico e comportamentale per arrivare a quello visivo che descrive l’aspetto e l’interazione che gli utenti possono svolgere con i sistema gemello, entrano in gioco i motori grafici come quelli derivati dal gaming che oggi vengono anche portati in altri contesti dove il design e l’uso di un oggetto virtuale assume di fatto una nuova dimensione.

Fronte competenze il mondo digital twin ne richiede di particolari?

In realtà se parliamo di utilizzo sono le stesse necessarie per utilizzare i classici strumenti di pianificazione, produzione, programmazione, gestione degli asset e così via. Se invece guardiamo alla realizzazione sono necessarie competenze multidisciplinari. Si parla di quelle di business per intendersi con chi descrive il problema, quelle di analisi dei dati, quelle informatiche per la codifica e trasposizione in codice di quanto descritto. E ancora quelle più classiche di programmazione e connettività per definire i processi di scambio dei dati e interfaccia con le diverse fonti a partire dalle applicazioni.

Veniamo infine ai possibili utilizzi nell’ambito dei servizi per i cittadini e delle relative infrastrutture a supporto.

Quello del digital twin è un concetto che si applica su più aree, dalla ricerca clinica al marketing fino alla produzione. Quando parliamo di PA e di servizi per il pubblico è evidente che la gestione degli asset è un tema fondamentale in termini di monitoraggio, manutenzione, prioritizzazione, disponibilità. Ecco che risulta di grande aiuto avere a disposizione un gemello digitale in grado di rappresentare, ad esempio, un possibile stato di usura e degrado di questi asset per quindi agire intervenendo e allocando le giuste risorse. Possiamo parlare di infrastrutture stradali così come idriche piuttosto che di sistemi di illuminazione e in generale dell’efficientamento di tutti quei componenti che caratterizzano un sistema cittadino. Lo stesso principio può essere applicato a livello organizzativo per orchestrare il funzionamento delle amministrazioni o, come nel caso della sanità, un reparto ospedaliero per garantire la disponibilità di sale operatorie, personale, intervenendo con variazioni in modo molto rapido rispetto a una domanda non prevista. Rispettando i requisiti corretti nel momento in cui in un sistema emergano delle anomalie rispetto alla norma.

Il campo della Sanità in generale sembra prestarsi molto bene all’uso del digital twin…

Di fatto esistono simulazioni che possono essere applicate ad esempio alla risposta a pandemie in base alla regole stabilite dalla WHO per la produzione e distribuzione dei vaccini, impostando gli impianti e la supply chain di conseguenza. E ancora ci sono applicazioni per lo studio delle malattie in fase preclinica con simulazioni di organi a livello cellulare descrivendo le varie interazioni e i messaggi che le cellule si scambiano e l’impatto dei farmaci rispetto alla patologie. Infine si possono realizzare dei clinical trial virtuali provando a replicare il comportamento di tanti pazienti in uno studio per determinare le possibili traiettorie di cura, qui abbracciando non solo il digital twin ma anche l’analisi dei dati a supporto. Aggiungo che il tema digital twin lo abbiamo trattato in un white paper scaricabile qui.