Por: Carlos Toro, coordinador de las Iniciativas de Gemelos Digitales en Latinoamérica y Jaime Rebolledo, director y Head of Natural Resources, NTT Data Europe and LATAM.

Resumen

Muchas situaciones pueden ocurrir durante el cambio de turno en una operación minera y con relación a la información que se genera, como por ejemplo: i) Silos de información, ii) Uso de herramientas no estándar para compartir eventos de seguridad, iii) Necesidad de movilizarse a un centro de mando para declarar un evento peligroso detectado durante el cambio de turno y iii) La existencia de información dispersa. 

El presente artículo propone la creación de una herramienta basada en gemelos digitales, que tiene por foco el apoyo a la actividad de cambio de turno. Los gemelos digitales poseen una característica innata de poder ser aglutinadores de información y, por ello, representan una excelente oportunidad de implementación.

Para poder crear la mencionada herramienta, los autores presentan una nueva metodología para la creación de servicios de ingeniería basados en gemelos digitales, fundamentada en el concepto de composiblity, y que hemos denominado: Composable Digital Twin Services (CDTS). Estos aseguran modularidad y escalabilidad en la creación de los gemelos digitales a través de la generación de servicios de software que responden a una arquitectura de microservicios de tipo componible.

Palabras clave: Digital Twins, Servicios de Ingeniería, Cambio de Turnos.

Introducción

Los gemelos digitales o Digital Twins, son una de las aproximaciones más innovadoras del momento. Propuestos por Michael Grieves en su artículo fundacional^[4], propone una forma de conjugar IoT, modelador físico, visualización (2D y 3D) e Inteligencia Artificial^[2,3,4] en un entorno altamente adaptativo y que en última instancia constituye un aglutinador de tecnologías en donde incluso, las herramientas existentes, pueden confluir para apoyar la toma de decisiones.

Un gemelo digital es una representación virtual en tiempo real de un objeto, sistema o proceso físico, que captura sus atributos y comportamientos^[2]. Entre los beneficios de los Digital Twins, se encuentran los siguientes:

ν Transforman los negocios acelerando la comprensión holística, la toma de decisiones óptima y la acción eficaz.

ν Utilizan datos históricos y en tiempo real para representar el pasado y el presente y simular futuros previstos.

ν Están motivados por los resultados, adaptados a los casos de uso, impulsados por la integración, basados en datos y guiados por el conocimiento del dominio.

En el presente artículo, se propone una nueva metodología para la creación de servicios de ingeniería basados en gemelos digitales, fundamentada en el concepto de composiblity^[1,3], y que hemos denominado: Composable Digital Twin Services o CDTS.

Los CDTS aseguran modularidad y escalabilidad en la creación de los Digital Twins a través de la generación de servicios de software que responden a una arquitectura de microservicios.

Finalmente, la metodología propuesta en este artículo se ve representada en una herramienta creada para dar apoyo al sector de la minería en el denominado proceso de cambio de turnos, la que se describe en profundidad en el documento.

En el caso de uso, también se introduce un nuevo concepto que hemos denominado Heartbeat of the Mine, el cual es una nueva forma de interactuar con los recursos de la mina mediante Digital Twins al proponer un símil con un ser vivo en donde si ocurre una situación de estrés (por ejemplo una situación anómala o de potencial peligro), el pulso (heartbeat) se acelera. Esta forma de ver una implantación de gemelos digitales genera un aspecto más natural a nivel de interacción con la mina misma.

El artículo presenta los objetivos, incluyendo los específicos buscados en lo relacionado a la modularidad y extensibilidad que debería tener una solución basada en Digital Twins. Asimismo, se presenta la arquitectura del sistema y una discusión relacionada con su implementación. Seguidamente, se difunden los resultados del sistema creado y una discusión alrededor de los mismos y, finalmente, se discuten algunas conclusiones y siguientes pasos.

Objetivos y estado del arte

Ofrecer soluciones basadas en gemelos digitales implica habilitar, diseñar, desarrollar, desplegar y operar acorde a las capacidades requeridas por el caso de uso^[15]. Para abordar un enfoque tan ambicioso, se identifica una serie de aspectos y características que deben estar presentes en cualquier solución, sin importar el rubro o caso de uso que, representan en sí mismos, desafíos de desarrollo:

νAlto rendimiento de conectividad: al suponer un esquema complejo con múltiples partícipes, que son implementados en sistemas en tiempo real y de precisión, involucrando conceptos como latencia, jitter, tasa de transferencia y ancho de banda.

νEscalabilidad: se debe soportar un escalamiento horizontal, es decir, la habilidad para acomodar un número creciente de conexiones a medida que se expande un sistema, con tal de cumplir el objetivo de adaptarse y soportar el cambio.

νFiabilidad: depende de los requerimientos de los datos de aplicación, como el orden estricto de la entrega de datos (que deben tener un orden específico respecto de la entrada y/o salida con tal de asegurar la integridad de la información) o tasas de pérdida de datos (sistemas que exigen operar bajo un cierto porcentaje de pérdida o error en los datos).

νResiliencia: la función de conectividad debería estar disponible (en la vista lógica) incluso cuando haya una desconexión física temporal, y cuando una conexión rota se restaura, el intercambio de datos debería restaurarse automáticamente con tal de que las últimas actualizaciones estén disponibles al usuario junto con cualquier cambio que se haya perdido.

νSeguridad: la información que se maneja en sistemas TIC o en entornos industriales (como la información de maquinaria, sensores o subsistemas) suele ser sensible y clave para la operación del negocio, lo que vuelve clave el contar con un sistema de seguridad acorde. Las consideraciones de seguridad de esta propuesta están descritas en detalle en el Marco de Seguridad de Internet Industrial (IISF).

Tal como puede verse, los aspectos definitorios de lo que un gemelo digital debe proveer, así como los mecanismos para su creación, presentan retos de investigación. Actualmente, la metodología más aceptada para la creación de Digital Twins es la que propone el Digital Twin Consortium con su Tabla Periódica CPT^[3].

CPT es un enfoque de desarrollo de aplicaciones para Digital Twins que se basa en un patrón de arquitectura empresarial ágil y composable. Los gemelos digitales componibles se centran en una rentabilidad más rápida, la orquestación basada en servicios y la reutilización de capacidades comerciales empaquetadas para desarrollar y adaptar aplicaciones industriales altamente escalables para sistemas complejos^[11].

Una aproximación composable se puede aplicar en un Digital Twins de diferentes maneras:

ν En primer lugar, se puede utilizar para la creación de componentes modulares que se puedan reutilizar en diferentes gemelos digitales. De esta manera, los componentes principales se pueden usar para construir de una manera más rápida y eficiente el gemelo digital.

ν En segundo lugar, la arquitectura composable se puede utilizar para permitir la integración de diferentes tecnologías habilitadoras en forma de dominio acotado y desacoplado. De esta manera se fomenta la flexibilidad y escalabilidad de la arquitectura ofreciendo mecanismos vía API de fuentes de datos externas, servicios de análisis, servicios predictivos, servicios de terceros, diferentes formas de visualización, etc.

ν Finalmente, la arquitectura composable se puede usar para ofrecer una plataforma abierta e interoperable, con el fin de conectar diferentes Digital Twins.

La tabla periódica de capacidades de gemelos digitales (CPT)^[3] es un marco de definición de requisitos independiente de arquitectura y tecnología. Está dirigida a organizaciones que desean diseñar, desarrollar, implementar y operar gemelos digitales en función de los requisitos de capacidad del caso de uso frente a las características de las soluciones tecnológicas. El marco CPT facilita la colaboración de los equipos que necesitan crear especificaciones de requisitos de Digital Twins en entornos complejos a gran escala. El marco mantiene el enfoque en los requisitos de capacidad de los casos de uso individuales. Estos casos se pueden agregar para determinar los requisitos generales de capacidad, las plataformas de gemelos digitales y otras soluciones tecnológicas que se requieren para abordar las necesidades comerciales específicas y proporciona una guía visual para la colaboración, la lluvia de ideas y la explicitación de los requisitos de un Digital Twins^[3].

La CPT se desarrolla en diferentes niveles, siendo el primero el que engloba la especificación de requisitos relacionados con: Data Services, Integration, Intelligence, User Experience, Management y Trustworthiness (ver Figura 1).

Existe una especificación de segundo y tercer nivel que describe con más detalle capacidades a desarrollar englobadas en cada uno de los ítems del primer nivel y que se explica con detalle en Digital Twin Consortium - Digital Twin Capabilities Periodic Table^[3].

En este trabajo se propone una arquitectura que permite usar la CPT como base para la creación de servicios de software tipo composable, que hemos denominado Composable Digital Twin Services (CDTS). Los CDTS permiten acelerar la creación de gemelos digitales al enfocarse en la generación de servicios sobre los GD en lugar de la creación de los Gemelos Digitales en sí mismos.

El motivo por el cual nuestra aproximación se basa en la creación de servicios es aportar a la escalabilidad y modularidad en la creación de Digital Twins.

Se ha reportado en la literatura, que una de las principales dificultades en implementar soluciones de gemelos digitales es el hecho precisamente que se debe invertir una cantidad muy alta de dinero en su elaboración y que, en muchas ocasiones, al desplegarse, se encuentra con que faltaban variables o que existen cambios de último momento, lo que hace que la inversión deba en muchas ocasiones rehacerse, con el costo y tiempo que esto implica^[11].

Para evitar que esto ocurra, nuestro trabajo usa la Digital Twin Capabilities Table como base para identificar microservicios de software que darán las funcionalidades requeridas al gemelo digital.

Para demostrar nuestra aproximación, hemos creado una aplicación en tiempo récord con características escalables y altamente modular referida al cambio de turno en minería.

Implementar un gemelo digital del proceso de cambio de turno en una operación minera, tiene como objetivo que la aplicación que sea escalable y modular que sea desplegada en una herramienta de uso normal por parte del personal como lo es Microsoft Teams. Disminuyendo los tiempos necesarios en desplazamiento a un centro de reporte en un 90% y aumentando la seguridad al tener eventos críticos reportados con mayor premura.

Arquitectura del sistema

Como se ha mencionado en capítulos anteriores, nuestra aproximación denominada Composable Digital Twin services, consiste en crear Digital Twin a partir de componentes de software granulares y no necesariamente acotados por dominio que tienen una implementación independiente de software API o solución de visualización, y que se pueden combinar para formar gemelos digitales más complejos.

Esas pequeñas piezas de software (o servicios) son altamente configurables y se encuentran interconectados entre sí, ofreciendo diferentes visiones y aplicaciones tanto del activo físico como de su representación digital.

La aproximación CDTS permite una mayor flexibilidad en el diseño e implementación del gemelo digital, así como un mayor modularidad y escalabilidad, lo que permite que se pueda implementar en diferentes plataformas y entornos. Desde un punto de vista técnico, los componentes o building blocks del software se integran a través de una API, lo que le permite comunicarse con otras partes del sistema sin problemas y sin afectar la funcionalidad existente o aumentar la complejidad de integración sobre el mismo.

La Figura 2, muestra la arquitectura general que sirve como motivación a nuestro trabajo.

La arquitectura tiene tres niveles claramente diferenciados:

En el primero existe el objeto físico en sí, con tres partes: la plataforma informática, incluyendo la sensórica disponible y la conectividad que el objeto físico en sí mismo provea. Esta conectividad puede ser un Controlador Lógico Programable (PLC, por su sigla en inglés) que ejecuta acciones de control sobre el objeto físico, así como sensores tales como medidores de temperatura, presión, acelerómetros, etc.

Sobre esta capa, se presentan servicios de datos y capacidades conectadas que no son otra cosa que bases de datos históricas, data lakes, etc.

Sobre estos datos que podrían verse como pertenecientes al dominio del tiempo real, los primeros, y el tiempo en offline, los segundos, se implementa una cierta conectividad relacionada con el hecho de que el objeto físico no está aislado y forma parte de una cadena de procesos o una celda de manufactura, con lo que esta información de lo que pasa antes de entrar al asset físico es también capturada (Figura 3).

Mediante una conectividad a nube, en Edge o híbrida, se implementa el segundo nivel que se muestra en la Figura 4. Este corresponde al gemelo digital en sí mismo y está constituido por tres partes que elevan la funcionalidad del entorno físico (por ejemplo en el entorno físico se tiene la plataforma informática, en el entorno virtual de la segunda capa al mismo nivel se tiene la plataforma de ingeniería).

Las tres partes son: la plataforma de ingeniería, simulación y visualización, que se encarga de cobijar las funcionalidades relacionadas con la parte visual (bien sea en 2D o 3D), la simulación (rápida o usando métodos numéricos) etc.

Sobre los servicios de datos de la parte física, se construyen servicios cognitivos e inteligencia de negocio que aportan al Digital Twin herramientas para el análisis de indicadores, etc.

Finalmente, sobre la combinación con otros recursos, se construye una capa de inteligencia empresarial e integración de sistemas que facilita el análisis de procesos aguas arriba y aguas abajo, y de fenómenos como starvation o bottle necks^[12].

Igualmente y tal como se muestra en la Figura 5, se tiene el aspecto más innovador de la presente propuesta que constituye los Composable Digital Twin Servicies como tales.

Sobre la parte digital, en el detalle de la plataforma de ingeniería, se crean servicios de diseño e innovación que permiten hacer acciones como por ejemplo el comisionado virtual^[8].

Del mismo modo, sobre los servicios cognitivos se generan servicios de soporte al cliente integrados y servicios de campo, como podría ser el mantenimiento predictivo de una infraestructura.

Para culminar, sobre la parte de inteligencia empresarial se crean servicios relacionados con la cadena de suministro y su optimización (Figura 5).

Creación de los microservicios de software que contiene cada capa de la arquitectura

Cada una de las capas de arquitectura maestra, es un contenedor natural de piezas de software que se denominan microservicios^[7]. El objetivo de dichos microservicios es el de ejecutar las diferentes acciones del gemelo digital. Los mencionados servicios se implementan en contenedores tipo Docker^[5], con lo que la escalabilidad y la modularidad están aseguradas.

El uso de contenedores es una buena manera de abstraer diferentes bloques de construcción de la arquitectura, brindando flexibilidad en términos de elección para usar diferentes tecnologías, lenguajes de programación, etc. Esto ayuda a evitar una limitación de la interoperabilidad de los usos de tecnologías en cada bloque de construcción y permite mejores escenarios, escalado, mantenimiento, implementaciones y otros, como por ejemplo, el uso de diferentes lenguajes de programación abstrayendo el mismo del modelo de ejecución y facilitando integraciones con herramientas multiplataforma (ver Figura 6).

Relación de la arquitectura propuesta con la Digital Twin Capabilities Table

Como se ha visto anteriormente la CPT es una forma muy organizada y metódica de identificar que es necesario para implementar un gemelo digital. Sin embargo, su uso no excede más que el hecho de crear un documento (usualmente en Excel) que recoge la especificación.

En nuestro trabajo, usamos la CPT para identificar los servicios necesarios que deben ser implementados en cada una de las capas de la arquitectura propuesta, con lo que nuestra aproximación es la primera que tengamos noticia, capaz de unir el mundo metodológico con una especificación que pueda ser programada en un ordenador.

Un ejemplo de lo anterior podría ser el soporte integrado y el servicio de campo que es la forma genérica en la que podría referirse a los servicios orientados al mantenimiento predictivo. La anterior actividad estaría compuesta, entre otros, por algún tipo de Machine Learning que permitiese ver la vida útil de un determinado elemento y para la que se requeriría tener algoritmos identificados en la CPT tal y como se puede observar en la Figura 8.

Presentación y discusión de resultados

Con el fin de probar la factibilidad de nuestra aproximación descrita en el capítulo anterior, en el presente se describe un gemelo digital creado para tal fin. El problema que el mencionado producto aborda es el del cambio de turno en operaciones mineras.

Definición del problema de cambio de turno

El cambio de turno es un momento muy crítico en la operación minera. Muchas situaciones pueden ocurrir en relación con la información que se genera.

Esta información puede ser de seguridad, de mantenimiento o simplemente de reporte ante situaciones anómalas. Actualmente, la información que se genera en esta actividad de reporte tiene problemas que potencialmente pueden ser resueltos mediante un gemelo digital.

Entre las situaciones se pueden contar las siguientes como las más relevantes:

νSilos de información: debido a que la data que debería estar disponible, esta generada por muchos proveedores y por herramientas que no son necesariamente compatibles o que no están pensadas para compartir y aunar información.

νHerramientas no estándar para compartir contenido: (WhatsApp, correo electrónico, otras herramientas de chat). Fruto de que los usuarios y sus equipos comparten la información de la manera que pueden y con las herramientas que conocen o que tienen a su disposición en la empresa.

νCentros de control deslocalizados: en ocasiones, es complicado desplazarse a un centro de control para declarar un evento peligroso detectado durante el cambio de turno y las herramientas de “tiempo real” como por ejemplo Microsoft Teams, no ofrecen capacidades de interacción con los sistemas de información de la compañía minera.

νInformación dispersa: la información por consiguiente se diluye en equipos y es complicado recogerla de un proveedor de datos que sea fiable y que disponga de la última versión.

ν Información limitada sobre el estado general de los procesos: al haber tanta dispersión, los procesos de generación de información no son suficientes para que el tomador de decisiones pueda efectivamente “decidir” qué hacer ante una situación peligrosa (por ejemplo acumulación de rocas en un camino) y a qué a veces no tenga a disposición herramientas que le permitan saber en tiempo real la situación actual, mucho menos poder asignar tareas de, por ejemplo, remoción de escombros eficientemente.

Mediante el uso de un gemelo digital creado mediante nuestra aproximación de Composable Digital Twin Servicies, se intenta palear las mencionadas situaciones.

Alineación con la arquitectura propuesta y recogida de especificaciones mediante la CPT

Mediante reuniones con dos empresas mineras con las que se ha probado la herramienta desarrollada (cuyos nombres no podemos compartir por temas de confidencialidad), se ha hizo una recogida de especificaciones y requerimientos usando la CPT, cuya información se presenta en las Figuras 9 a la 12.

En base a la especificación, se crearon servicios de software en los lenguajes de programación Python y Javascript que fueron encapsulados en containers de Docker^[7] y orquestados por un clúster de Kubernetes^[1].

Las siguientes figuras muestran como la implementación de los servicios creados se alinea con la arquitectura genérica propuesta para el caso de uso.

En la Figura 13 puede verse que el requisito de foco está basado en la plataforma informática y en los servicios de datos, siendo la primera una necesidad que obedece al hecho de que se debe crear una infraestructura para reportar eventos del cambio de turno que en el caso de uso será representada por Microsoft Teams.

Los servicios de datos responden a las características que deben existen en Teams y que se aprovecharán en el gemelo digital. Las mencionadas características incluyen la posibilidad de entablar conversaciones, asignar tareas y crear grupos de trabajo, todas ellas útiles a la hora de generar una mejor interacción con el usuario del Digital Twins (ver Figura 13).

Pasando a la plataforma de gemelo digital en sí, se puede ver en la Figura 14, que el desarrollo se ha centrado en dos aspectos de la arquitectura, el primero de ellos es la plataforma de ingeniería y visualización que se ha construido en base a los requisitos de la CPT y que engloba aspectos como la visualización de alarmas, la creación de los parámetros necesarios para “acelerar el pulso” de la mina (Mine Heartbeat) y los servicios de visualización necesarios.

En cuanto al aspecto de inteligencia empresarial, se ha implementado una integración con sistemas de reporte actualmente disponibles mediante encapsulamiento de microservicios de software.

En cuanto al aspecto de la capa CDTS en sí misma, los servicios creados sobre las anteriores capas, se centran en el aspecto de ideas, diseño y acciones, siendo servicios orientados a que se asigne tareas a un determinado usuario y se siga el proceso de ejecución de dichas tareas (como ejemplo, que se haya reportado una piedra en el camino y que se asigne al usuario X para que la retire).

Aplicación desarrollada y ejecución de la misma

Tras la creación e implementación de la arquitectura, se desarrolló el aplicativo mostrado a continuación, desplegándose en Microsoft Teams que se usa en el caso de estudio como contenedor del gemelo digital. Y que tiene los siguientes módulos que se han construido como servicios tipo Composable Digital Twin.

1. Heartbeat de la mina: esta es una forma de mostrar la criticidad de los eventos, a mayor cantidad de eventos de tipo crítico, el ritmo cardiaco se acelera, tal como pasaría con un ser vivo.

2. Chatbot NLP para consultar e interactuar con el gemelo digital^[9].

3. Lista de eventos críticos de interés para cada usuario con su tiempo de creación.

El usuario en su Microsoft Teams puede geolocalizar eventos (tomar fotos, videos, lanzar un audio). Los eventos así geolocalizados pueden ser asignados y compartidos (Figuras 17 a la 20).

Conclusiones

1. Se ha implementado una forma nueva de crear gemelos digitales mediante servicios que hemos denominado Composable Digital Twin Services (CDTS), que permiten desarrollar soluciones acotadas y de rápido desarrollo aplicadas a la industria minera y, en particular al caso, de cambio de turno incluyendo (i) El Heartbeat de la mina: usado para representar la criticidad de los eventos, a mayor cantidad de eventos de tipo crítico, el ritmo cardiaco se acelera, tal como pasaría con un ser vivo, (ii) Chatbot NLP para consultar e interactuar con el gemelo digital y sus servicios desplegados, (iii) La lista de eventos críticos de interés para cada usuario contiene su tiempo de creación y se despliega en Microsoft Teams, permitiendo geolocalizar eventos (tomar fotos, videos, lanzar un audio). Los eventos así geolocalizados pueden ser asignados y compartidos.

2. La arquitectura propuesta, permite el despliegue de Digital Twins en una operación de cambio de turno con:

νVisión completa y unificada: del estado general del proceso de reporte de situaciones en el cambio de turno.

νFacilitado del aspecto de la colaboración: entre equipos.

νApoyo a la mejora de procesos: utilizando herramientas sofisticadas (IA, Bot de Chat) a través de un gemelo digital completo de la mina que crece con su operación.

νModularidad: al tratarse de una arquitectura de software que permite ser personalizada a las necesidades de cada unidad minera y que es escalable a cada una de las necesidades de la operación minera.

νUnificación: la información que se crea y georeferencia, está justo donde se necesita y justo cuando se necesita.

3. El resultado del caso de uso propone la implementación de módulos de interacción con el usuario que le permiten, no solo declarar los eventos relevantes durante el cambio de turno, sino asignar responsables de acciones particulares acortando en nuestras pruebas el tiempo de reacción ante un evento de seguridad en un 90%, reduciendo el traslado al centro de control con el objetivo de hacer reportes en un 100% y mejorando la calidad de la información y su disponibilidad en un 100%, siendo estas métricas el resultado de pruebas iniciales en campo, las cuales serán detalladas en un posterior artículo haciendo parte del trabajo futuro inmediato del equipo que ha desarrollado tanto la técnica como su implementación.

4. Como trabajo futuro, el equipo plantea agregar además información de Fleet Management para que sea además tenida en cuenta por los usuarios y por el heartbeat de la mina.

Asimismo, el motor usado para interactuar con el gemelo digital es un chatbot tradicional^[9], se plantea una integración futura con ChatGPT para que se extienda la capacidad de la aplicación hacia la integración con sistemas de lenguaje natural e inteligencia artificial avanzados.

Agradecimientos

Los autores desean expresar su agradecimiento al equipo del proyecto Mine Teams que han apoyado la implementación de las bases conceptuales propuestas en el artículo: Wilfredo Díaz Heras, Simón Carstens, Jorge Álvarez, Nelson Gatica y Leandro Mena. Asimismo, merecen un reconocimiento especial por su aporte en las discusiones que han dado pie a las ideas presentadas: Claudio Soarzo y Nelson Wilson Garcinuno. El equipo de NTT Data que apoya el desarrollo de los gemelos digitales y que cree en su viabilidad industrial y se encuentra en el día a día, ofreciendo soluciones, merece también un reconocimiento.

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