Bien que les jumeaux numériques (“digital twins” en anglais) soient une technologie émergente dont le potentiel ne cesse de croître, ils restent largement méconnus du grand public. Cependant, leur potentiel et leur popularité croissante en font un sujet à suivre.
Chapitre 1: L’étude
La vision de TriLab
Dans le cadre de son processus d’innovation, le TriLab – le laboratoire d’innovation de Trialog – a organisé un projet supporté par un stage visant à approfondir le thème des jumeaux numériques.
L’objectif est de clarifier les aspects suivants: Qu’est-ce qu’un jumeaux numérique ? Quelles technologies sont impliquées ? Comment pouvons-nous les appliquer dans le domaine de la mobilité électrique ou dans d’autres domaines d’intérêt pour Trialog ?
Dans notre quête de réponses à ces interrogations, nous nous engageons également dans le développement d’une application de jumeau numérique destinée à servir de preuve de concept.
Qu’est-ce qu’un jumeau numérique ?
Cette technologie découle des concepts de modèles et de simulations, mais elle se distingue par son utilisation essentielle de données collectées en temps réel pour la simulation. En d’autres termes, un jumeau numérique est une réplique numérique d’un objet physique, capable de simuler en temps réel et d’interagir avec son environnement comme s’il était l’objet physique lui-même.
Actuellement, les jumeaux numériques manquent de normes et de standards en comparaison à d’autres technologies similaires, ce qui explique l’absence d’une définition standardisée et largement acceptée. De surcroît, certains experts en jumeaux numériques insistent sur l’idée que la notion d’un jumeau numérique est assez vaste, ce qui rend difficile la création d’une définition incluant toutes les possibilités et tous les aspects.
Notre définition du jumeau numérique
Bien que nous admettions la largeur du concept de jumeau numérique, nous utilisons une définition restreinte pour ce projet, basé sur les travaux d’IBM: “une représentation virtuelle d’un objet ou d’un système qui couvre tout son cycle de vie, qui est mise à jour à partir de données en temps réel, et qui utilise la simulation, l’apprentissage automatique, et le raisonnement pour aider à la prise de décision.”
Cette description entraîne la notion selon laquelle un jumeau numérique se compose de trois parties : un élément physique (l’objet étant jumelé), un élément virtuel qui représente l’élément physique numériquement, et une interface de communication permettant aux deux éléments de communiquer à travers des échange de données bidirectionnelles.
De notre point de vue, ces trois éléments doivent être inclus pour qu’un système soit considéré comme un jumeau numérique. Cependant, il est important de noter que la notion de jumeaux numériques reste ouverte et, puisqu’il n’existe pas encore de standard, toutes les déclinaisons du terme sont possibles.
Les technologies autour des jumeaux numériques
Un grand nombre de technologies peuvent être utilisées pour créer un jumeau numérique, notamment les objets connectés (IoT – Internet of Things), l’intelligence artificielle et l’apprentissage automatique, pour n’en citer que quelques-unes parmi les plus renommées.
Il existe également une technologie open source moins connue appelée “Eclipse Ditto” qui offre une interface adaptée pour les jumeaux numériques reposant sur le web. Plus précisément, Eclipse Ditto est une plateforme conçue pour la gestion des objets connectés à grande échelle, permettant de créer et de gérer les jumeaux numériques, tout en offrant des fonctionnalités de surveillance et de contrôle. Ditto propose une représentation numérique des objets connectés appelés « Things.”
Chaque “Thing” ou truc est décrit via un objet JSON doté de ses propres attributs que nous pouvons modifier et avec lesquels nous pouvons interagir grâce à une API HTTP. Dans le cadre de notre projet, nous avons fait le choix d’intégrer cette plateforme en espérant que Ditto sera en mesure de gérer l’infrastructure de notre application.
Une vue d’ensemble
Effectivement, chaque recherche autour des jumeaux numériques fait partie d’un grand puzzle. Le terme jumeau est facile à comprendre et il permet un niveau d’appropriation aux non ingénieurs. Le terme permet même de transmettre une idée de personnalisation et de compagnon. Néanmoins, les discussions sur les jumeaux numériques continuent, et plus nous l’étudions, plus nous réalisons que c’est un concept très large.
Chapitre 2: L’implémentation
Comment pouvons-nous utiliser les jumeaux numériques ?
Les cas d’utilisation des jumeaux numériques ont souvent pour objectif de tester l’interopérabilité d’un système sans avoir besoin d’utiliser les véritables systèmes physiques, ce qui pourrait être coûteux et chronophage. Ainsi, notre jumeau numérique pourrait être utilisé afin de tester les changements logiciels en simulant les bornes de recharge. L’idée est que les jumeaux réagissent de la même manière que les bornes de recharge physiques correspondantes. Nous créerons un jumeau numérique d’une borne de recharge, en utilisant les technologies suivantes : Eclipse Ditto pour le backend, le langage Python pour développer, et MongoDB pour la base de données.
L’architecture du projet
L’architecture du projet implique l’utilisation de deux technologies internes développées par Trialog: Troca (anciennement T-EMS) et OCPPvs. Troca (Trialog Original Connectivity Asset) est un outil permettant la communication et la gestion de bornes de recharge physiques . OCPPvs est un système capable de simuler une communication OCPP entre une borne de recharge et un véhicule électrique. Le protocole OCPP est standardisé par l’Open Charge Alliance.
Nous utilisons Troca pour obtenir des données sur les bornes de recharge avec lesquelles nous pouvons construire un profil de la borne. Ce profil est utilisé afin de réaliser un “Thing” dans Ditto, qui est ensuite connecté à OCPPvs pour simuler une borne de recharge avec les mêmes paramètres que ceux du jumeau physique.
En utilisant les données (quasi) temps réel, OCPPvs va ainsi au-delà de la simple simulation classique pour simuler la borne de recharge en tant que jumeau numérique.
Chapitre 3: Conclusion
Les résultats
Au final, nous avons réussi à construire une preuve de concept basique d’une application répliquant le comportement d’une borne de recharge. Elle se concentre plus particulièrement sur ses communication en utilisant le protocole de communication OCPP. Elle peut être considérée comme un jumeau numérique de processus.
Les trois composantes principales de ce jumeau numérique comprennent : (1) la station physique qui est jumelée, (2) le composant virtuel composé d’une interface de création du jumeau numérique qui extrait la configuration OCPP de la station de recharge physique, la transforme en objet Ditto, puis la transmet à la simulation OCPPvs, et (3) une communication bidirectionnelle par l’intermédiaire de Ditto et utilisant WebSocket.
Dans l’ensemble, nous avons simplement doublé le lien OCPP en ayant une station de recharge simulée et une station de recharge physique réelle.
Conclusions et travail potentiel à l’avenir
Avec notre preuve de concept, il est évident que l’incorporation des jumeaux numériques dans les projets est envisageable. Cependant, il est également clair que les cas d’utilisation pratiques concernant les intérêts de Trialog ne sont pas encore bien définis. Étant donné que ce projet est encore au stade de stage, les résultats obtenus fournissent une preuve de concept et ne constituent pas un système entièrement opérationnel.
Par conséquent, les prochaines étapes pourraient consister à finaliser l’application en complétant Troca afin d’avoir toutes les informations dont a besoin OCPPvs. Lorsque le jumeau numérique de borne de recharge fonctionnera pleinement, nous pourrons envisager d’y ajouter des extensions. Par exemple, une extension intéressante pour l’équipe Mobilité Électrique de Trialog serait la création d’un jumeau numérique exploitant les données d’ensoleillement pour les systèmes photovoltaïques.
