La transformación digital está llegando con fuerza a las infraestructuras. La incorporación del análisis predictivo, la inteligencia artificial o el internet de las cosas es ya una realidad. Y todas estas tecnologías confluyen en los denominados digital twins o gemelos digitales, que trasladan los activos físicos a un modelo virtual, con el fin de realizar pruebas, optimizar la gestión o aprovechar las ventajas del mantenimiento predictivo.
Vivimos en una nueva era digital. Nuestro entorno cada vez está más sensorizado y el internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés) poco a poco va llegando a todas partes. Casi todo lo que hacemos va generando un rastro de datos, que pueden ser recolectados y analizados para reconocer patrones, anticipar comportamientos, etc.
Además, el despliegue del 5G anuncia un futuro aún más conectado y con un significativo avance del IoT, aprovechando las ventajas que ofrece esta tecnología, como la velocidad de conexión, su baja latencia y la capacidad de conectar simultáneamente un número mayor de dispositivos.
Asimismo, la inteligencia artificial, el machine learning y el análisis predictivo cada vez avanzan más rápido, brindando la posibilidad de tomar mejores decisiones o incluso dando la opción de automatizar determinadas operaciones en las que no es precisa la intervención humana.
Todas estas tecnologías están llegando al sector de la construcción y las infraestructuras. Según el informe ‘La transformación digital del sector de la construcción en España’, elaborado por la Plataforma Tecnológica Española de la Construcción, cerca de la mitad de las empresas y organizaciones consultadas (centros tecnológicos, universidades, asociaciones, clústeres…) están utilizando ya cloud computing y big data. Y más del 20% echan mano de IoT, impresión 3D o inteligencia artificial.
Si combinamos varias de estas tecnologías —IoT, inteligencia artificial, machine learning, deep learning, data science, big data, 3D modeling, cloud computing, realidad aumentada, etc.— llegamos a los digital twins o gemelos digitales, que están en pleno auge. Según los datos de Juniper Research, el gasto en digital twins en todo el mundo alcanzará los 12.700 millones de dólares en 2021, casi 2.000 millones más que apenas dos años antes.
La consultora estima que alrededor de 34% del gasto en gemelos digitales procederá de los sectores de la energía y utilities. Las expectativas de MarketsandMarkets son aún mayores. Según sus cálculos, este mercado alcanzará un valor de 48.200 millones de dólares en 2026.
¿Qué son los digital twins?
“Los digital twins o gemelos digitales son una representación virtual de objetos o sistemas durante todo el ciclo de vida de los mismos. Esta representación es actualizada en tiempo real y usa escenarios de simulación y machine learning como soporte en la toma de decisión.
Es un modelo virtual diseñado para reflejar con exactitud un objeto físico, siendo este objeto analizado por diferentes sensores que dan información vital de las diferentes áreas de funcionalidad del mismo. Estos sensores producen información de diferentes aspectos a nivel físico, tales como el rendimiento, energía, temperatura, condiciones climatológicas, etc. Estos datos son relacionados y procesados por un software que generará una copia digital. Una vez generada esta copia digital, podrá ser usada para efectuar simulaciones, estudios de rendimiento, mejoras o cualquier finalidad de valor de negocio, que finalmente pueda ser usada de vuelta al ámbito físico”, declara Paco Montero, Data & AI Tech Sales Manager for SPGI de IBM España.
Es decir, son una ‘maqueta virtual’ de un activo físico real, que se utiliza para experimentar antes de tomar determinadas decisiones. “En este escenario virtual, se pueden crear, probar, construir y monitorizar productos y procesos, aproximando los mundos del diseño y las operaciones, en busca de minimizar el riesgo de las mismas”, explica Montero. De este modo, los digital twins permiten realizar simulaciones para probar hipótesis y observar cómo responden estos modelos, para conocer el resultado que tendrá una decisión sobre los activos reales: consecuencias, riesgos que comporta, tiempo de inactividad que conlleva, etc.
Los digital twins también ayudan a detectar posibles desviaciones en el rendimiento de los activos tangibles, ya que se basan en los datos recogidos de los elementos reales, mediante sensores y dispositivos IoT. Al conocer estos datos y trasladarlos al modelo virtual, se puede realizar un mantenimiento predictivo o llevar a cabo las correcciones oportunas sobre el gemelo virtual, probando sin riesgos las actuaciones que serán necesarias para devolverlo a los parámetros deseados.
“En el pasado, para comprobar si un determinado diseño funcionaba, había que crear un prototipo físico y hacer pruebas. Cada fallo significaba volver atrás, a la fase de diseño, para ver qué iba mal, corregirlo y crear de nuevo el prototipo. Los gemelos virtuales crean una nueva dinámica de trabajo, en la que diferentes personas pueden trabajar simultáneamente en el mismo diseño, cada uno en una sección diferente. Y lo más importante, todos ellos son capaces de ver en tiempo real el impacto de cada uno de los cambios en la totalidad del proyecto.
Los gemelos virtuales hacen posible ver el proceso como un todo, como una serie de elementos interconectados dependientes cada uno del otro. Además, los problemas que se detectan de forma temprana pueden ser corregidos más rápidamente y permiten una mayor experimentación. Los tiempos de desarrollo y los costes de producción se reducen, a la par que la innovación se acelera. Los gemelos virtuales nos hacen más eficientes y sostenibles, lo que resulta en más y mejores diseños”, afirma Nicolas Loupy, Director General de Dassault Systèmes para España.
Múltiples aplicaciones en infraestructuras
“Existen diferentes tipos de proyectos que se pueden beneficiar de los modelos de gemelos digitales: infraestructuras físicas complejas, como edificios, puentes u otras estructuras complejas, sujetas a las estrictas y comprensibles normativas de ingeniería civil; sistemas de energía, incluyendo mecanismos para generar energía y trasmitirla; etc.”, apunta el experto de IBM. Además, los gemelos digitales ofrecen enormes oportunidades en la optimización de operaciones y en el mantenimiento predictivo de infraestructuras de todo tipo, lo que redunda en una reducción de costes. Éstos son algunos ejemplos.
Puertos comerciales
En colaboración con la red IoT de IBM, el Puerto de Rotterdam ha creado su propio digital twin, monitorizando en tiempo real y con total precisión los datos de movimiento de buques, temperatura del aire, velocidad del viento, humedad, turbidez y salinidad del agua, profundidad, mareas, corrientes, etc.
Este gemelo virtual ayuda a reducir las tasas de consumo de combustible y optimiza las cargas útiles por buque para que sean más rentables y para asegurar que las mercancías alcancen su destino de forma segura. Por ejemplo, el gemelo virtual permite predecir con precisión cuál es el mejor momento para que un barco amarre o parta, reduciendo tiempos de espera y costes. Asimismo, si un buque debe descargar parte de su carga en la parte más profunda del puerto para poder seguir navegando, el digital twin calcula exactamente cuánta carga debe descargarse allí, permitiendo que zarpe antes. Además, contribuye a mantener un estándar de seguridad elevado y ayuda a ver de forma más clara qué partes del puerto necesitan mejoras.
Energía
Los digital twins también tienen aplicaciones en el ámbito de la energía. Un ejemplo de ello es el proyecto WindTwinv, puesto en marcha por el consorcio conformado por Agility3, Brunel University London, Dashboard, ESI y TWI. Esta iniciativa aprovecha la tecnología de gemelos digitales para realizar mantenimiento predictivo de aerogeneradores.
El gemelo digital recoge datos reales de las turbinas eólicas, recopilados mediante sensores, permitiendo conocer en tiempo real el rendimiento y estado de los activos físicos, evitando tener que programar tiempos de parada regulares para su inspección, que no siempre permiten detectar posibles fallos. Además, se reducen los costes de inspección.
Asimismo, al anticiparse a las degradaciones y fallos, se evitan las paradas obligatorias por avería y se pueden prever con tiempo las reparaciones. Esto es esencial, porque permite planificar con tiempo la adquisición de los elementos necesarios para la reparación y mantenimiento, sin la urgencia que se produce cuando hay una avería que obliga a parar. De igual modo, el mantenimiento predictivo reduce el coste de mantenimiento, pudiendo sustituir los componentes necesarios antes de que se produzca una avería más costosa.
General Electric también está usando gemelos digitales de motores a reacción, parques eólicos, plataformas petroleras en alta mar, equipos de generación de energía, bombas, compresores, enfriadores, etc. Entre otras ventajas, los digital twins permiten realizar un mantenimiento predictivo de los activos y ayudan a anticiparse a la demanda de los consumidores, los requisitos normativos, el envejecimiento de las infraestructuras, el impacto del clima o el aprovechamiento de las energías renovables. De este modo, los gemelos digitales contribuyen a la optimización del funcionamiento de sus instalaciones para reducir el desperdicio de recursos y mejorar la calidad del servicio del prestado.
Agua
Los digital twins también se pueden utilizar en la red de aguas. Global Omnium, a través de su empresa tecnológica Idrica, cuenta con la plataforma GoAigua, que permite crear un gemelo digital con el que es posible optimizar la gestión del agua en las operaciones diarias en las ciudades, planificar escenarios en tiempo real y predecir el comportamiento futuro de la red. Este modelo virtual aprovecha los datos de medidores inteligentes, sensores de presión y flujo, etc., replicando el comportamiento de la red en tiempo real con precisión, detectando posibles averías, tendencias en el consumo, cambios en la demanda, etc.
Otro caso de uso interesante es SARS-GoAnalytics, sistema con el que la empresa está ayudando a luchar contra la pandemia. Aprovechando la capacidad de su plataforma para analizar los datos de aguas residuales, rastrea la presencia del virus causante de la COVID-19 y crea modelos predictivos para avisar a las autoridades sanitarias acerca de la situación.
Sacyr también está incorporando la tecnología de digital twins para sus desaladoras de agua, con el fin de monitorizar su funcionamiento, mejorar su gestión, optimizar el tratamiento del agua y aprovechar las ventajas del mantenimiento predictivo.
Smart cities
Las aplicaciones de los digital twins en las smart cities son innumerables. Esta tecnología se puede emplear para medir la calidad del aire en un vecindario, comprender el nivel de ruido en un distrito, analizar el flujo de personas en calles o plazas, conocer el flujo del tráfico, monitorizar el estacionamiento en la vía pública o en parkings, optimizar el alumbrado público, saber cuáles son los puntos de carga de vehículos eléctricos más utilizados, etc.
Por ejemplo, Dassault Systèmes ha contribuido en la creación de ‘Virtual Singapore’, una plataforma de colaboración para un entorno urbano inteligente, con el fin de mejorar la vida urbana y planificar evacuaciones de emergencia en la ciudad asiática. Este gemelo digital combina datos geométricos, topológicos y ambientales con información de todo tipo, desde el clima hasta patrones de tráfico. Gracias a ello, las autoridades de Singapur pueden realizar simulaciones y pruebas virtuales para comprender y desarrollar soluciones a los desafíos de la planificación urbana, anticipándose a la evolución de la ciudad con el crecimiento de la población, las nuevas construcciones, etc. Asimismo, permite anticipar la respuesta antes distintos escenarios.
Por ejemplo, se pueden incorporar en el gemelo virtual datos sobre la distribución de camas de hospital y del personal de protección civil y sanitario, guiando a los equipos de emergencias en el transporte de los pacientes a hospitales con camas disponibles y ayudando a dirigir los suministros excedentes donde más se necesiten.
La compañía también presta su tecnología para el desarrollo de ‘Virtual Rennes’, gemelo digital de la ciudad francesa. Este modelo pretende simular, experimentar virtualmente y ofrecer una visión holística de la evolución de la ciudad, con el fin de coordinar la renovación y planificación de edificios, de las redes de servicios públicos, de los sistemas de movilidad y de otras infraestructuras.
Construcción
Los digital twins van a tener un papel muy importante en el ámbito de la construcción, permitiendo realizar simulaciones y dando apoyo en la toma de decisiones tanto en el diseño como en la construcción y en las operaciones de los activos físicos. Por ejemplo, permiten visualizar el estado de un activo y realizar mantenimiento predictivo, evitando que se ponga en riesgo a los usuarios o que el deterioro obligue a acometer reparaciones mayores y más costosas.
También tienen aplicación en la fase de proyección. Dassault Systèmes está colaborando con Bouygues Construction para la creación de gemelos virtuales en el ámbito de la construcción, ayudando a industrializar la gestión de proyectos. La empresa de desarrollo de software especifica que este enfoque permite conseguir diseños constructivos más apropiados, a partir de la utilización concreta de cada edificio.
De esta manera, los procesos pueden ser industrializados, anticipándose a las diferentes fases del proyecto en la etapa más temprana posible y planificando su implementación in situ hasta el último detalle, con el objetivo de realizar predicciones sobre la ejecución de los proyectos, incrementar la productividad sobre el terreno, mejorar la calidad y reducir los fallos.
Además, el uso de digital twins permite el ahorro de energía y el establecimiento de nuevas prácticas de seguimiento y ejecución sobre el terreno para la gestión de residuos, contribuyendo al cumplimiento de las normas de sostenibilidad.
