Scenario futuro

Digital Twin, i gemelli digitali alla conquista del cielo

I gemelli digitali stanno spostando gli equilibri della ricerca e dello sviluppo dell’industria manifatturiera, offrendo opportunità impensabili fino a poco tempo fa. Una rivoluzione hi-tech dalle grandi prospettive che sta già trovando applicazioni di rilievo, anche nei nostri cieli in collaborazione con LEONARDO

di Andrea Frollà

"C'era una volta un paradigma visionario". Se l'evoluzione dei gemelli digitali fosse una favola, non solo potrebbe tranquillamente iniziare così, ma siamo anche certi che il finale non avrebbe nulla di visionario. Come tutte le innovazioni più dirompenti, anche i cosiddetti "digital twin", ossia le repliche virtuali di oggetti e processi fisici abilitate dalle tecnologie digitali, hanno attraversato la tipica fase pioneristica, quella di frontiera in cui si percepisce il potenziale enorme ma si fatica a scaricarlo a terra. I gemelli digitali non hanno però impiegato molto a compiere il salto dalla teoria alla pratica, tant'è che oggi rientrano a pieno titolo nei programmi e nell'operatività di molte aziende manifatturiere e non solo.

Dagli elicotteri al training, il modello Leonardo

Passa sui numeri per leggere le schede

4.500

elicotteri in servizio in 150 paesi, impiegati da 1500 operatori

700

elicotteri impegnati nel mondo per compiti di soccorso

12.400

piloti e tecnici addestrati nel 2021 dei quali 5.800 in streaming

45.000

ore di addestramento di cui 40.000 in ambiente di simulazione

Fonte: Leonardo

L'esigenza e in generale il concetto di gemello sono nati dai programmi spaziali: vista l'impossibilità di avere un collegamento diretto con il "prodotto", si ricorreva a dei gemelli che, per ovvi limiti tecnologici, erano inizialmente fisici. Oggi i gemelli sono invece digitali e integrano diversi concetti: la modellizzazione, la simulazione e la previsione. L'abilitatore di questi sistemi di replica hi-tech, nemmeno a dirlo, è l'innovazione tecnologica e in particolare le sue evoluzioni più recenti: senza estrema capacità di calcolo, connessioni veloci, disponibilità di dati, sensoristica avanzata, modelli algoritmici e machine learning, l'innovazione "gemellare" sarebbe una mera utopia. Questa convergenza tecnologica consente concretamente di simulare un sistema (si pensi a un impianto industriale, una rete ferroviaria, un macchinario agricolo o ancora il corpo umano e lo spazio), prevederne l'evoluzione nel tempo e stimare gli effetti di alcune modifiche, aprendo prospettive inedite soprattutto in termini di manutenzione predittiva.

La convergenza tecnologica

I gemelli digitali rappresentano già una realtà del mondo industriale. Tuttavia, tra intelligenza artificiale, big data, cloud e supercomputer, i margini di innovazione sono così ampi che i digital twin del futuro saranno probabilmente solo un lontano parente dei gemelli che oggi supportano l'industria 4.0.

Leonardo è uno degli esempi che rende questa previsione particolarmente plausibile. Il gruppo italiano, infatti, già da tempo sta integrando all'interno dei progetti di ricerca e sviluppo sull'innovazione "gemellare" le proprie capacità di calcolo garanti dal cosiddetto "high performance computing". A supportare gli specialisti in un'ottica "ibrida", che avvicina sempre più industria e digitale, è soprattutto il davinci-1, il supercomputer di Leonardo che vanta 150 unità di supercalcolo, capacità di storage di 20 PetaByte e una potenza complessiva superiore a 5 PetaFlop. Del resto, se la grande mole di dati generati dalla sensoristica in campo e dalle simulazioni digitali necessitano di strumenti potenti, il supercomputing non può che rappresentare uno strumento di estremo valore.

I gemelli digitali incarnano dunque al tempo stesso la realtà e la frontiera di questi nuovi modelli industriali. Spicca in particolare la capacità di predire, all'interno di un ambiente virtuale, i più svariati casi d'utilizzo reali e dunque la possibilità di espandere il ventaglio delle applicazioni possibili, con benefici sia nella fase di ingegneria sia in quella di utilizzo, all'insegna di elevati standard di sicurezza e sostenibilità. "La disponibilità di un gemello virtuale accurato e predittivo - spiega il direttore dell'High Performance Computing Lab e capo del settore Ricerca e Sviluppo Computazionale di Leonardo, Carlo Cavazzoni - è fondamentale anche per prevedere l'effetto di un cambiamento di stato voluto o meno, evitare malfunzionamenti, ridurre i costi di produzione e operatività con azioni preventive, fare valutazioni 'what if' e addestrare gli operatori".

La convergenza tecnologica La convergenza tecnologica

Sono state proprio queste prospettive di evoluzione a calamitare l'attenzione, gli sforzi e gli investimenti dei grandi gruppi industriali. È il caso di Leonardo, che ha fatto dei gemelli digitali un driver dichiarato di crescita all'interno di una strategia più ampia, che punta a fare del gruppo italiano un "driver dell'innovazione" in senso lato. Del resto, il gruppo italiano dell'aerospazio, della difesa e della sicurezza vanta un portafoglio di tecnologia, progetti, ricerca e sviluppo che si interseca alla perfezione con il futuro dei digital twin. Si pensi al contributo che può offrire il supercomputer davinci-1 in termini di potenza computazionale e capacità di calcolo, o ancora alla possibilità di realizzare repliche virtuali sempre più precise e sofistiche grazie ai dati racconti sul campo e in fase di progettazione. Modelli che, oltre alla già citata manutenzione predittiva, offrono opportunità fino a poco tempo fa impensabili ad aziende come Leonardo.

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Ad esempio, nel settore aeronautico un ulteriore beneficio è dato dalla possibilità di formare il personale operativo con sistemi di training virtuali senza la necessità di impiego di velivoli reali (1 ora di volo su un simulatore equivale ad 1 ora di volo reale), a beneficio di sicurezza e efficienza. Un altro segmento che attende evoluzioni tecnologiche rilevante abilitate dai gemelli digitali (e non solo) è quello degli elicotteri, in cui Leonardo vanta una lunga tradizione ingegneristica italiana con velivoli utilizzati in oltre 150 Paesi. Lo sviluppo più interessante riguarda l'interconnessione fra i diversi sistemi e le piattaforme, la virtualizzazione dei sistemi di manutenzione e training, nonché la realizzazione di gemelli digitali a livello di prodotto. Sono in fase avanzata di sviluppo i sistemi di modellizzazione multi-fisica e multi-scala delle componenti meccaniche (materiali, rotori, ali) e avioniche (sistemi di bordo).

I gemelli del cielo

È ancora presto per parlare di gemelli digitali "full predictive" nel mondo dell'aviazione? La risposta positiva a questa domanda non deve ingannare: se è vero che oggi non abbiamo la capacità di connettere aerei, elicotteri e altri velivoli in-service con la loro replica virtuale, è altrettanto vero che si tratta solo di una questione di tempo.

Esattamente in questa direzione stanno viaggiando alcuni dei programmi di ricerca di Leonardo, in particolare nella divisione elicotteri. Uno di questi è il Rotorcraft Digital Twin, la prima macchina virtuale full predictive che anticiperà tutto quello che si vorrebbe sapere dall'oggetto reale. Il percorso di sviluppo di questa innovazione non sarà rapidissimo, ma la possibilità di sposare la logica di predittività totale vale gli sforzi dei ricercatori, se non altro perché consentirebbe di prevedere il comportamento di una macchina capendo, per esempio, il livello di alterazione o di usura o possibili anomalie, con evidenti benefici.

Un altro progetto rilevante è quello sintetizzato dalla sigla "Hums" ("health & usage monitoring system"). Si tratta di un sofisticato sistema di monitoraggio dello stato dell'elicottero e del suo utilizzo che consente, tramite la raccolta e l'elaborazione dei dati dai sensori di bordo, di migliorare la diagnostica e la manutenzione di alcuni componenti critici, riducendo i costi operativi e aumentando la disponibilità dell'aeromobile. Una delle sfide del futuro, prevedono gli esperti di Leonardo, sarà integrare il gemello digitale con i servizi di diagnostica avanzata basati su algoritmi di intelligenza artificiale e applicati proprio ai dati del sistema Hums, per predire in modo più efficace il ciclo di vita dei componenti critici dell'elicottero.

I gemelli del cielo I gemelli del cielo

L'introduzione di nuovi servizi digitali che sfruttano algoritmi di intelligenza artificiale e di nuove soluzioni di realtà aumentata promettono di migliorare prodotti, servizi e processi attraverso l'interconnessione tra piattaforme e sistemi che consentono la trasmissione, la raccolta e l'analisi di dati e informazioni in modo veloce, sicuro ed efficiente. Non stupisce dunque che uno dei laboratori hi-tech del gruppo italiano, il Leonardo Lab Future Rotorcraft Technologies, sia impegnato a sviluppare tecnologie ad hoc per piattaforme ad ala rotante con o senza pilota a bordo, finalizzate a rendere più efficienti i processi di design e certificazione, migliorarne la capacità di missione e ridurne i costi operativi per rispondere alle sfide della mobilità sostenibile e della de-carbonizzazione. Nel laboratorio vengono studiate in particolare le soluzioni avanzate di modellizzazione e simulazione, le funzionalità basate sull'intelligenza artificiale in supporto al volo autonomo, alla percezione dell'ambiente esterno e alla diagnostica di bordo, e ancora l'elettrificazione dei sistemi propulsivi incluso l'uso di celle a combustibile con idrogeno e altro ancora.

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