Una aproximación a los Gemelos Digitales en el ámbito de la defensa

En un mundo donde la tecnología redefine los límites de lo posible, los Gemelos Digitales emergen como una revolución silenciosa en el ámbito de la defensa. Desde la optimización de la industria militar hasta la monitorización en tiempo real del campo de batalla, esta herramienta disruptiva promete transformar la toma de decisiones estratégicas y operativas. El siguiente artículo estudia algunas de las posibles aplicaciones de los Gemelos Digitales, así como su potencial en un sector en el que la innovación es sinónimo de seguridad y soberanía.

Índice

• ¿Qué es un Gemelo Digital?
• El impacto de los Gemelos Digitales

  • Industria de Defensa
  • Mando y Control
  • Políticas Públicas

• Conclusión
• Notas

¿Qué es un Gemelo Gigital?

Al igual que otras tecnologías disruptivas[1], los Gemelos Digitales (o Digital Twins en idioma inglés) están generando un impacto cada vez más notable en distintos ámbitos de la sociedad; desde el sector salud, la industria manufacturera, la gestión inteligente de infraestructuras, o la generación de energía. En este contexto de expansión y adopción generalizada el sector de la Defensa no podía quedarse atrás.  En tiempos recientes, tanto las fuerzas armadas[2] como la industria aeroespacial y de defensa de distintos países[3] han dado pasos progresivos para su implementación en el que no es sino el capítulo más reciente de la revolución de los asuntos militares que trae la irrupción masiva de las tecnologías de la información en el campo de batalla.

Una definición accesible de Gemelo Digital sería concebirlo como la réplica en el mundo digital de un objeto, infraestructura o proceso,  que simula su comportamiento en tiempo real de forma dinámica a través de datos.

La principal ventaja de un Gemelo Digital reside en que permite llevar a cabo distintas simulaciones con una fracción del coste que implicaría llevar a cabo esas mismas acciones en su homólogo físico. 

Los usos potenciales de los Gemelos Digitales son tan extensos como puedan imaginarse y ya son una realidad en diferentes sectores productivos. Planteamos unos ejemplos prácticos que permiten hacerse una idea de su uso real:

• Modelado de una planta industrial de automoción[4] para simular el reemplazo de una línea de producción o de una máquina herramienta por otra, sin necesidad de paralizar la fabricación de coches para evaluar las distintas opciones, ahorrando costes. 
• Modelado de un hospital[5] para monitorizar en tiempo real el estado de las instalaciones (calefacción, iluminación, ascensores, energía) y simular escenarios de respuesta ante crisis (falta de suministro eléctrico), estableciendo protocolos de respuesta automáticos.
• Modelado de una plataforma de extracción de petróleo en alta mar[6] para decidir su ubicación definitiva y simular su capacidad de resistencia ante eventos atmosféricos o geológicos extremos, proponiendo soluciones arquitectónicas y de materiales de fabricación, o evaluando el impacto para el medio ambiente de las actividades de extracción.

Entrando en más detalle podemos identificar una serie de funcionalidades que diferencian un Gemelo Digital de otras tecnologías avanzadas con las que guarda íntima relación. El Internet of Things (IoT), el Big Data, o la simulación computerizada,  son pre requisitos técnicos para el funcionamiento de un Gemelo Digital, pero son integrados por este de tal forma que las capacidades tecnológicas resultantes son auténticamente disruptivas:

• Conectividad: el Gemelo Digital debe disponer de conectividad en tiempo real o cercana a tiempo real con su “réplica”  del mundo físico, sólo de esta manera puede recibirse feedback preciso. Idealmente el Gemelo Digital debe permitir la bi-direccionalidad de modo que el activo físico vaya adaptándose a las reconfiguraciones que se realicen en la simulación virtual. La llegada de conectividad 5G  o el edge computing, hacen posible que las capacidades de conectividad se acerquen a un estado sin latencia.

• Sensórica: un Gemelo Digital no es posible[7] sin la existencia de sensores que recopilen una multiplicidad de datos del mundo físico. Cuantos más y de mejor calidad sean esos datos más fidedigna y realista será la réplica que se obtenga virtualmente. Los desarrollos en el llamado Internet of Things, así como derivaciones de este como el Internet of Bodies(para monitorizar el cuerpo humano) o el Internet of Vehicles (idem para vehículos) permiten sensorizar prácticamente cualquier activo que podamos imaginar. Otro factor que favorece la explosión del IoT es el desarrollo de microcontroladores miniaturizados y de bajo coste que permiten instalar sensores en todo tipo de dispositivos; sensores de luz, calor, presión, movimiento, etc.

• Monitorización: fruto de la combinación de conectividad y la sensórica, el Gemelo Digital permite tener monitorizado el activo físico en todo momento, evaluando cualquier cambio o alteración, e idealmente, permitir un seguimiento del activo sin necesidad constante de supervisión humana.

• Automatización: si bien no es estrictamente necesario, la mayoría de Gemelos Digitales incorporan capacidades de automatización, de modo que se puedan pre-configurar umbrales o eventos que, una vez se alcancen, activen una respuesta automática (ej: desconectar un sistema cuando se supere un umbral de calor, implementar una medida de alerta, avisar un operador). Estas capacidades son muy útiles combinadas con las capacidades de análisis y monitorización, por ejemplo para implementar mantenimientos preventivos del objeto simulado.

• Análisis: la recopilación de datos masivos procedentes de los sensores y la monitorización en tiempo real generan un gran volumen de datos sobre los que se pueden aplicar técnicas de análisis predictivo, preventivo y prescriptivo.La combinación de técnicas de Big Data (ej: Data Mining) junto con las incipientes capacidades de Inteligencia Artificial (deep learning o machine learning) permiten el descubrimiento de tendencias o correlaciones ocultas indetectables anteriormente.

• Simulación: la ventaja definitiva que ofrece un Gemelo Digital reside en sus capacidades de simulación avanzada. A diferencia del software de simulación clásico[8] que depende en mayor o menor medida de abstracciones matemáticas que representan los objetos simulados, el Gemelo Digital trabaja sobre una réplica precisa gracias a los sensores y a tecnologías de modelado digital (simulación 3D,nube de puntos, fotografía satelital), lo que permite afinar perfectamente los escenarios planteados.

https://www.revistaejercitos.com/articulos/la-digitalizacion-del-carro-de-combate/

El impacto de los Gemelos Digitales

Una vez conocemos someramente qué es un Gemelo Digital y sus principales funcionalidades, ¿Qué pueden ofrecer estos al ámbito militar? Sin ánimo exhaustivo, puesto que la potencialidad de las tecnologías disruptivas es difícil de calibrar, ofrecemos tres ámbitos en los que los Gemelos Digitales pueden tener un impacto a corto-medio plazo en el ámbito de la defensa: Industria, Mando y Control,  y Políticas públicas.

Industria de Defensa

La adopción generalizada de los  Gemelos Digitales ha estado vinculada al mundo industrial, en concreto a las plantas productivas de  los grandes fabricantes de automoción. En consecuencia, la mayor parte de sus aplicaciones son replicables en la industria aeroespacial y de defensa en todo lo que se refiere a la fabricación de plataformas (ej: navieras, fabricación de vehículos, fabricantes de munición, etc).

Modelado y gestión de plantas industriales

Los Gemelos Digitales junto con tecnologías  de modelado avanzadas como tecnología LIDAR o Building Information Modelling (BIM) permiten obtener réplicas virtuales 3D detalladas de las plantas de fabricación industrial, por ejemplo, un astillero[9]. Estos Gemelos Digitales se nutren de datos procedentes de dispositivos y sistemas para obtener un avatar o sistema espejo de toda la planta, sus elementos productivos e incluso sus productos.

Utilizando las capacidades de simulación avanzada, una industria puede evaluar, sin incurrir en elevados costes, si es capaz de readaptar, cuando no directamente implementar, una nueva línea de fabricación, estudiar si va a necesitar adquirir nueva maquinaria, proyectar la ampliación de sus instalaciones o el traslado a una nueva ubicación, etc. En general, los Gemelos Digitales industriales, son un elemento más de la llamada Industria 4.0, que se sirve del Internet industrial de las Cosas (IIoT), la computación en la nube, la sensorización, y otras tecnologías avanzadas para lograr una gestión integral e inteligente de los procesos productivos.

Además, Los Gemelos Digitales industriales permite inventariar cada elemento de las plantas de fabricación, geolocalizándolos con precisión en un plano 2D o un modelo 3D de las instalaciones, lo que redunda en numerosos beneficios; desde la reducción de riesgos y accidentes al conocer el estado de los activos en todo momento, a optimizar los costes de mantenimiento anticipándose a los fallos de los equipos,  o  detectar indubitadamente el origen de pérdidas o mermas en los proceso de fabricación, entre otras aplicaciones.

Oferta de configuraciones personalizadas (prototipado)

En general los Gemelos Digitales pueden potenciar las capacidades de I+D+i de la industria al servirse de las capacidades de modelado y simulación para ir refinando sus procesos de producción, simulando pruebas (como pruebas de resistencia de materiales o aerodinámica) sin necesidad de fabricar los componentes hasta obtener una versión óptima del producto. Combinado con otros avances como la fabricación aditiva o la impresión 3D, se generan importantes reducciones de coste en prototipos  y maquetas físicas de las plataformas de combate (ej: aeronaves, blindados, buques) y componentes de estos.

Además la simulación vía Gemelo Digital permite ofrecer a un cliente diferentes configuraciones de producto idénticas al resultado que se obtendría tras la fabricación. Todo ello sin incurrir en costes de manufactura de modelos a escala o a tamaño real para cada propuesta personalizada.

Actualmente se emplean gemelos Digitales de sistemas de combate terrestre orientados principalmente al mantenimiento predictivo[10], pero, fácilmente podemos imaginar su uso para diseñar una variante al cliente  ofreciendo una configuración de cadenas en lugar de la original mediante ruedas. La propuesta se ofrecería acompañada de datos sintéticos resultado de haber sometido la derivación de cadenas a pruebas de estrés que simulen las condiciones de uso en combate. Así, se puede evaluar el despliegue en diferentes zonas geográficas para estimar diferencias de rendimiento o medir sus reacciones ante diferentes condiciones operativas obteniendo métricas relacionadas con la obsolescencia de los equipos, extrapolar la necesidad de repuestos y de mantenimiento en cada caso, o la tasa de supervivencia ante diferentes tipos de proyectiles.

https://www.revistaejercitos.com/articulos/la-organizacion-basada-en-la-eficiencia/

Mando y Control

Monitorización del campo de batalla en tiempo real

Desde mediados de los años 80 se habla recurrentemente del concepto de “Revolución de los Asuntos Militares” o “Tercera Revolución Militar”[11] para referirse a la creciente y progresiva influencia de las tecnologías de la información en el campo de batalla.

Avances como la conectividad, la miniaturización de los circuitos impresos, y en general el aumento de la capacidad de cómputo de los microchips, han contribuido a dotar de inteligencia a los sistemas de armas, así como a introducir medios de comunicación que refuerzan ampliamente las capacidades del Mando y Control en el campo de batalla. La tendencia es clara, se busca obtener información en tiempo real o near-real-time, tanto del despliegue de tropas y plataformas como de los vectores de ataque, reduciendo la incertidumbre asociada a la niebla de guerra y compensar el desequilibrio de fuerzas con el enemigo gracias al aumento de la precisión[12]. La adopción masiva de drones es el último paso de esta evolución ya que permiten no sólo obtener información abstracta en forma de datos o unos y ceros, sino visual directamente del escenario de los combates.

En la medida en que tropas, equipos, posiciones, plataformas,  o municiones puedan ser “sensorizadas” y mantengan condiciones de conectividad estable, es posible obtener su correspondiente Gemelo Digital. Entonces, el mando dispondrá de un amplio catálogo de opciones de monitorización, análisis o simulación.  Mediante algoritmos se pueden evaluar todas las alteraciones que están teniendo lugar en el escenario de los enfrentamientos y simular su desenlace incrementando el potencial adaptativo de los ejércitos. Las capacidades de análisis prescriptivo de un Gemelo Digital pueden incluso ofrecer al mando soluciones en tiempo real para informar su decisión y aplicarlas al estilo de un juego de guerra para calcular probabilidades de éxito.

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