Digital Twins per l’industria: come i supercomputer aiutano imprese e Pmi a sviluppare i gemelli digitali

Le possibilità di impiego di gemelli digitali sono di grande interesse per l’industria. In Italia le aziende possono fare affidamento su centri di supercalcolo come quello di Cineca, che avvierà presto uno degli HPC più potenti al mondo.

TAKEAWAY

  • L’industria, specie quella 4.0, guarda con attenzione ai Digital Twins e le previsioni lo confermano: il mercato globale supererà i 165 miliardi di dollari nel 2026.
  • Per abilitare un gemello digitale servono due presupposti: supercomputer e AI. Le aziende italiane possono appoggiarsi sui centri di supercalcolo come Cineca.
  • Impiegare Digital Twins è interessante per le grandi aziende e per le Pmi. Il primo vantaggio di contare su un gemello digitale è ottenere un’ottimizzazione dei processi.

Quale sia lo sviluppo atteso dei Digital Twins (DT) per l’industria, lo mettono in chiaro le cifre. Secondo Research and Markets il mercato globale dell’industria 4.0 è destinato ad aumentare da 64,9 miliardi di dollari del 2021 a 165,5 miliardi di dollari entro il 2026; si stima che il suo incremento viaggerà a un tasso annuo di crescita composto del 20,6% dal 2021 al 2026. Tra i fattori di crescita trainanti vi è la rapida adozione delle tecniche che fanno capo all’ambito di studi dell’Intelligenza Artificiale e dell’Internet of Things nel settore manifatturiero, per esempio. Ma sono proprio i gemelli digitali a evidenziare in modo marcato il cambiamento delle logiche industriali di pianificazione e di management, attesi a una crescita più sensibile del CAGR durante il periodo di previsione.

Nei prossimi anni il Digital Twin sarà quindi una presenza abituale nel contesto industriale, rileva la stessa società di ricerca. Utilizzando un gemello digitale, chi opera alla gestione della produzione può monitorare le condizioni di varie parti elettriche e meccaniche di un sistema. Non solo: può valutare i cicli di vita delle attrezzature e accertare la necessità di pezzi di ricambio. «Questo aiuta a eliminare i tempi morti non necessari, aumentando così l’efficienza e tagliando i costi di manutenzione».

Tuttavia, per abilitare un gemello digitale sono necessari due presupposti: fare riferimento su una potenza di calcolo adeguata e impiegare tecniche AI per elaborare dati e gestire al meglio prodotti e processi, dalla pianificazione alla manutenzione. Per molte aziende non è possibile disporre di HPC (High Performance Computing): devono appoggiarsi a centri di supercalcolo che dispongano di capacità adeguate. In Italia, imprese e Pmi possono contare, per esempio, su Cineca, il maggiore centro di calcolo in Italia, uno dei più importanti a livello mondiale. E lo sarà ancor più una volta che entrerà in funzione Leonardo, il supercomputer pre exascale, concepito e gestito dallo stesso Consorzio interuniversitario, candidato a essere uno dei cinque HPC più potenti al mondo, con una performance di picco di oltre 240 PFlops/s: sarà quindi capace di eseguire più di 240 milioni di miliardi di calcoli al secondo.

Digital Twins per l’industria: il ruolo di Cineca

Cineca è parte attiva in alcuni dei progetti europei più importanti per lo sviluppo dei Digital Twins per l’industria: IoTwins e EuroCC. Il primo intende sviluppare una piattaforma tecnologica per favorire un accesso semplice e a basso costo alle funzionalità di analisi dei big data, ai servizi AI e all’infrastruttura cloud edge per la fornitura di gemelli digitali nei settori della produzione e del facility management. Il secondo progetto vuole favorire le attività legate a supercalcolo, analisi di una grande mole di dati e AI a vantaggio delle imprese, specialmente le medio piccole. In quest’ultimo caso, il Centro è attivo in qualità di centro di competenze nazionale High Performance Computing di EUROCC.

«I Digital Twins sono fondamentali per il mondo industriale perché, come tutti i processi digitali, permettono di ottenere un’ottimizzazione dei processi» afferma Eric Pascolo, HPC Specialist in Cineca. Se si riesce a simulare e prevedere un comportamento è possibile sapere cosa attendersi e mettere in atto contromisure, contando su una produzione ottimizzata. Si aggiunga che nel settore industriale, oltre alla produzione, è importante la prototipazione e la progettazione: anche in questo caso i Digital Twins possono aiutare. «Mettendo a punto un gemello digitale puntale prima di realizzare il corrispettivo fisico, si può contare su migliorie e risparmi una volta che si passa dalla progettazione alla realizzazione» [per approfondimenti sui DT, consigliamo la lettura della nostra guida ai Digital Twins, che spiega cosa sono e a cosa servono – ndr].

Digital Twins, HPC e Intelligenza Artificiale 

In tema di Digital Twins per l’industria, HPC, Intelligenza Artificiale e Big Data sono gli ingredienti fondamentali per creare un gemello digitale della fabbrica 4.0. «L’HPC sta alla base degli altri due. Per quanto riguarda l’AI, più la mole di dati diventa cospicua, più il training svolto dall’Intelligenza Artificiale diventa oneroso dal punto di vista computazionale. In questo caso, il supercomputer, grazie alle proprie caratteristiche e prestazioni, è in grado di sfruttare i tanti processori di cui dispone in parallelo, facendoli lavorare insieme, aiuta a ridurre sensibilmente i tempi di elaborazione, migliorando l’accuratezza delle simulazioni avendo grande disponibilità di potenza di calcolo e di memoria», specifica Pascolo.

È sempre lui a chiarire quali tipi di tecniche di AI siano più profittevoli con il Digital Twin: «Quello che possiamo portare su HPC sono algoritmi parallelizzabili. Per quanto riguarda il Deep learning, è possibile fare data parallelism, per esempio, se il training deve essere fatto su un numero ingente di dati e la rete neurale può essere replicata su più unità di calcolo».

Si tratta di un modo per distribuire il calcolo su diverse macchine in modo che i dati siano divisi su vari processori e alcuni calcoli siano eseguiti localmente in ogni macchina usando l’intero modello, ma solo per una parte dell’intero data set. In questo caso c’è la possibilità di fare apprendere alla rete più dati contemporaneamente su più unità di calcolo, che comunicando e sincronizzandosi tra loro diminuiscono il tempo di training.

Digital Twins per l’industria: il caso applicativo del gemello digitale di una turbina eolica

Il Digital Twin può essere di processo, ma anche di prodotto. In questo secondo caso, pensiamo per esempio a una turbina eolica. Essa può essere predisposta alla rilevazione dei dati sul campo e a essere modellata in termini di fluidodinamica computazionale, rendendo possibile l’integrazione tra dati rilevati e simulati in tempo reale, in modo da migliorare il modello del prodotto e le previsioni sulle sue prestazioni.

L’esempio applicativo che può mostrare l’utilità dei Digital Twins per l’industria è il progetto di manutenzione predittiva sulle pale eoliche, in seno al progetto IoTwins. In questo caso, si è pensato di realizzareun Digital Twin di un parco eolico aggregando modelli di simulazione e Machine Learning di singole turbine per la manutenzione predittiva. I dati verranno utilizzati per rilevare lo stato di salute della turbina stessa, per pianificare le operazioni di manutenzione del parco eolico, per ridurre guasti e tempi di fermo imprevisti.

Il Digital Twin dell’HPC

I Digital Twins per l’industria esplicano un’utilità impensabile solo fino a pochi anni fa: «il gemello digitale in azienda è un modo nuovo di mettere i dati al centro dell’attività tecnica e di gestione in modo da renderli utili. Grazie a esso è possibile metterli a disposizione in tempo reale o quasi anche a unità diverse che prima non vi avevano accesso potendo così prendere decisioni più consapevoli, mirate e rapide. Tutto ciò abilita l’integrazione tra dati rilevati e simulati» spiega Cinzia Zannoni Project Manager di EUROCC e Responsabile, per Cineca, della Divisione Servizi e Progetti HPC per le aziende.

Si è detto che alla base del gemello digitale vi è l’HPC. Ma il gemello digitale è applicabile anche allo stesso supercomputer, creandone una copia digitale. È il caso del DT messo a punto da Cineca per il proprio supercalcolatore Marconi.

«In attesa che, nel 2022, vada in funzione il nuovo supercomputer Leonardo, l’obiettivo è contare di sapere tutto ciò che accade sulla macchina, in remoto – specifica Zannoni – E l’interfaccia remota sarà proprio un gemello digitale in cui aggregare i dati riguardanti tutto ciò che riguarda la vita dell’HPC, dalla temperatura alle prestazioni». Tutte le informazioni vengono raccolte in un data lake, ovvero un sistema o un repository di dati archiviati, su cui possono essere fatte ulteriori analisi e correlazioni per individuare potenziali anomalie in atto o potenziali.

Le prospettive dei Digital Twins per l’industria e oltre

Quanto fatto per realizzare il “gemello” di Leonardo a sua volta avrà delle importanti ricadute anche per le aziende: «lo scopo è proprio questo. Il Digital Twin è già stato pianificato, sono state individuate le tecnologie con cui predisporlo e c’è già un prototipo. Ora si sta lavorando per personalizzarlo, in modo che i diversi gruppi di lavoro possano avere tutte le informazioni in real time». L’impatto sulle aziende è possibile perché innanzitutto è replicabile: questa possibilità è resa possibile grazie alle tecnologie open per la raccolta e l’elaborazione dei dati impiegate da Cineca.

Oltre all’infrastruttura dati, c’è poi la parte relativa alle tecnologie per la visualizzazione 3D. Il modello DT è tridimensionale, come se ci si trovasse nella sala macchina ed è una possibilità per avere una rappresentazione intuitiva. A questo proposito Cineca sta studiando tecniche specifiche per la visualizzazione intuitiva dei dati. «Di tutto questo potranno beneficiare le parti interessate a sviluppare soluzioni di questo tipo, in ambito industriale, che potranno vedere e comprendere il know how Cineca».

Anche in questo senso si esplica l’importanza di un progetto quale EuroCC e dal centro di competenza, gestito da Cineca in Italia, che ha l’obiettivo di permettere alle Pmi di sperimentare tecnologie collegate ai Digital Twins: analisi dei dati, HPC, modellazione, tecniche di visualizzazone 3D. «Con questo centro si vogliono mettere a disposizione competenze maturate da Cineca per consentire loro di provare a utilizzarle all’interno del loro ambito aziendale» specifica la project manager.

Dopo una prima selezione di progetti pilota (proof of concept), vengono fornite risorse di calcolo e know-how, attraverso progetti europei a supporto. Ci sono diversi progetti attivati, anche con Pmi e startup innovative in ambito aerospace, per esempio, ma le potenzialità connesse anche alla realizzazione di DT e di impiego di tecniche di AI si estendono al comparto ambientale e ai beni culturali. In tutti i casi, il Digital Twin diventa uno strumento per collegare dati e per avere una visione d’insieme.

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Andrea Ballocchi
Giornalista specializzato in tecnologia, focalizzato su temi che riguardano l'Internet of Things e le tecnologie emergenti che hanno un impatto significativo sulla vita quotidiana e su quella futura. Oltre alla tecnologia si occupa anche di temi legati alla sostenibilità ambientale e non solo (edilizia, architettura, design...)
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