Présenté comme un outil emblématique de l’industrie 4.0, le jumeau numérique doit encore être apprivoisé par les industriels. « C’est un concept qui manque encore d’homogénéité. Il suscite autant d’interrogations que d’attentes », remarque Sébastien Vannier, chef de projet R & D et innovation à l’IRT SystemX. L’institut a d’ailleurs lancé, le 30 mars, un appel à manifestation d’intérêt (AMI) auprès des acteurs économiques et académiques afin de construire des jumeaux numériques pour l’industrie. « Nous avons opté pour une approche ouverte afin de laisser les industriels exprimer leurs besoins concernant cet outil numérique », explique Sébastien Vannier.
L’objectif est de construire des jumeaux dynamiques. Le terme est important, car si le concept de jumeau numérique reste mouvant et peut recouvrir des formes différentes, il se différencie clairement de la maquette numérique, qui est une représentation figée dans le temps d’un système, qu’il s’agisse de produits (moteurs, pièces mécaniques…) ou d’outils de production (usines, cellules de production…). Le jumeau, lui, se nourrit de données pour fournir une représentation évolutive du système.
Cette idée a été martelée le 23 mars, lors d’un webinaire de l’Association internationale de modélisation d’ingénierie (Nafems). « Le concept de jumeau numérique implique un flux de données en provenance du terrain qui alimente en continu la représentation numérique, a résumé Louise Wright, chercheuse au Laboratoire national de métrologie britannique (NPL). Celle-ci génère à son tour des informations qui renseignent l’utilisateur sur l’état – présent et futur – du système physique. » Une vision que confirme Georges Hébrail, le responsable de la data science et de l’IA à l’IRT SystemX. « Le jumeau numérique est avant tout un système cyberphysique. Le double numérique a pour principale fonction d’être une référence permettant d’évaluer rapidement les évolutions d’un système physique et d’en identifier les dérives et les voies d’optimisation. »
De précieuses données à tirer du prototypage physique
Le jumeau numérique est par essence complexe, car il intègre des données hétérogènes issues du monde physique. Pour favoriser son déploiement dans les usines, il reste à lever de nombreux verrous technologiques. Et cela, tant dans la phase d’élaboration de l’outil que dans sa mise en œuvre. Selon Don Wu, le vice-président de la division méthodes, analyses et matériaux du centre d’essais allemand IABG, le jumeau numérique pâtit en effet d’une approche qui, à l’heure actuelle, le réduit à une couche numérique appliquée sur un système déjà établi.
La phase de conception est selon lui essentielle pour récolter des données pertinentes qui permettront au double d’évoluer en même temps que sa contrepartie physique. « Avec la progression des outils numériques, la phase de conception des produits délaisse de plus en plus le prototypage physique au profit des outils de simulation, constate-t-il. Si cela permet de réduire les coûts de développement et de mise sur le marché, cela a également pour conséquence de priver les industriels d’une source précieuse de données. » Don Wu estime que les industriels doivent aujourd’hui repenser la manière dont ils abordent la phase de prototypage physique, qui, plus qu’une simple étape de validation, devrait être considérée comme une source de données pour bâtir les fondations du jumeau numérique.
Cette approche fait de plus en plus d’émules. EikoSim, fondé en 2016 par deux normaliens issus du laboratoire de mécanique et de technologie de l’ENS Paris-Saclay, porte également cette vision. « Nous nous sommes rendu compte que les données obtenues lors des essais étaient peu utilisées pour enrichir les modèles numériques, témoigne Florent Mathieu. C’est une vraie perte d’informations ! Ces données pourraient être mises à profit pour créer un double virtuel. » Les deux ingénieurs ont donc développé une plate-forme numérique, EikoTwin, permettant d’intégrer les données multi-physiques issues des essais dans les outils de simulation.
« Casser les silos de données est un enjeu majeur »
L’apport de données au modèle ne doit cependant pas se cantonner à la phase amont, et un autre défi doit être relevé par les industriels, celui de la continuité numérique. « Le double numérique doit être gardé vivant, insiste Martin Strietzel, le responsable de la stratégie et des process pour le fournisseur de solutions PLM (gestion du cycle de vie du produit) Prostep. Des outils doivent être mis en place pour cela. » L’internet industriel des objets (IIoT) joue naturellement un rôle majeur pour nourrir le jumeau avec les données du terrain. Mais les capteurs ne constituent pas les seules sources de data à prendre en compte. « Casser les silos de données est un enjeu majeur pour mettre en place un jumeau numérique, insiste Don Wu. Les informations doivent pouvoir circuler librement à chaque étape du cycle de vie du produit. » Ce constat est partagé par Martin Strietzel : « Les systèmes PDM (gestion des données du produit), ERP (progiciel de gestion intégré), ou encore TDM (outil de data management) sont autant de silos de données qu’il faut intégrer au jumeau. La structure du modèle numérique doit faciliter l’incorporation et la restitution de l’ensemble de ces informations. »
Des partenariats se mettent actuellement en place pour proposer des solutions aux industriels, à l’instar du rapprochement entre Siemens (avec son logiciel Simcenter) et SAP, en juillet 2020, et de la création du consortium dédié au jumeau numérique réunissant Ansys, Microsoft, Dell et Lendlease. Un dernier point focalise également la recherche : la gestion de l’incertitude dans les modèles numériques. Les procédés industriels étant particulièrement complexes, de nombreuses variations peuvent intervenir. « Il faut pouvoir attribuer un certain degré de confiance au jumeau numérique, surtout si celui-ci est amené à prendre des décisions automatiquement », estime Louise Wright. Plusieurs méthodes sont d’ores et déjà envisagées, comme la simulation de données en régime transitoire, même si de l’aveu de Georges Hébrail, la perspective d’un tel jumeau semble encore lointaine.
« Il faut apprendre à défendre une surface d’attaque potentiellement énorme »
Gilles Désoblin, directeur de programme et expert cybersécurité à l’IRT SystemX
Quelles cybermenaces pèsent sur le jumeau numérique ?
Nourrir et utiliser un jumeau numérique suppose de faire circuler un grand nombre de données, dont certaines sont confidentielles. La menace est double : le vol d’informations sensibles et l’injection de données non intègres dans le système, qui pourrait mettre en péril la production. Le jumeau numérique doit prévoir, détecter et répondre à ces attaques. La difficulté réside dans la taille de la surface d’attaque, potentiellement énorme, car l’ensemble des infrastructures peut devenir une porte d’accès.
Comment contrer ces attaques ?
Au niveau des données, l’encryptage et le compartimentage des informations clés sont essentiels. Sur le volet des intrusions, le jumeau doit identifier l’attaque et y répondre en bloquant l’accès ou en effectuant un « leurrage ». Dans ce cas, on aménage des chemins d’accès au sein du jumeau, et l’attaquant est guidé grâce à des « pots de miel » vers une zone contenant de fausses données. C’est une technique prometteuse, mais complexe.
Quel rôle peut jouer le jumeau numérique face à l’essor des attaques sur les équipements industriels ?
L’OT (operational technology) n’a pas été conçu pour répondre aux cyberattaques, et il y a encore peu de collaboration entre l’IT (information technology) [le réseau d’entreprise, ndlr] et l’OT pour mettre en place des garde-fous efficaces. Le jumeau numérique pourrait permettre une meilleure convergence entre les deux univers. Il est donc essentiel d’intégrer les problématiques cyber dès sa conception. C’est une approche cybersecurity by design que nous portons à l’IRT SystemX.
