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Open innovation e realtà virtuale nell’industria 4.0

I nuovi bisogni dell’industria amplificano la domanda nei confronti delle tecnologie immersive e di virtualizzazione. L’innovazione ha origine dalle necessità e dall’ingegno degli utilizzatori finali, come nel caso del Chernobyl Decommissioning Visualisation Centre

Tra i casi significativi relativi all’adozione di digital twin in ambito industriale, nell’ambito di quella che si definisce open innovation, viene raramente citato quello relativo alla messa in sicurezza della centrale di Chernobyl.
La storia del Chernobyl Decommissioning Visualisation Centre, assieme ad altri esempi più recenti, sono caratterizzati dall’utilizzo di tecnologie già disponibili adattate ai bisogni dell’utilizzatore finale. Questo principio spiega il successo delle tecnologie immersive in ambito aziendale [Hagl, Duane (1)], a dispetto di un’adozione stagnante per quanto riguarda i mercati di massa (2).

 

Digital twin

Il concetto di “gemello digitale” è stato introdotto nel 2002 da Michael Grieves (allora al PLM Development Consortium, University of Michigan) come risultato di una raccolta di dati, utilizzati per realizzare una copia virtuale di un asset reale (3). Il modello inteso da Grieves era poi volto a essere sfruttato per effettuare simulazioni e applicare cambiamenti all’asset reale, per ottimizzarne le performance.

Il termine digital twin compare invece nel 2010 in una presentazione della NASA che tentava di sintetizzare in un unico termine un ampio spettro di tecnologie future [Vickers et al. (4; 5)] a indicare “una simulazione ultra-realistica ad alta scalabilità, che utilizza i migliori modelli fisici disponibili, i dati dei sensori e quelli storici per il mirroring di uno o più sistemi reali”.

Di fatto, le informazioni contenute in un digital twin variano di caso in caso, e lo strumento diventa un incredibile alleato a supporto delle decisioni.

Tra i casi più diffusi, l’utilizzo di tecnologie di virtualizzazione per realizzare modelli 3D di oggetti reali, fino alla virtualizzazione di interi impianti produttivi. Raccogliendo dati tramite l’utilizzo di sensori e dispositivi IoT è inoltre possibile creare una copia digitale aggiornata in tempo reale alle condizioni dell’asset fisico, seguirne l’operatività e prevenire rischi.

Virtual Layout Planning

Gli ultimi anni hanno visto proliferare ricerche relative a sperimentazioni delle tecnologie di realtà virtuale all’interno del Factory Layout Planning (FLP), strumento adottato per velocizzare il design, la valutazione e l’ottimizzazione di ambienti industriali.

L’idea è quella di costruire un ambiente all’interno del quale persone reali possano simulare attività lavorative senza limiti, in modo del tutto naturale, confortevole e creativo [Avai, Dal Maso, Pedrazzoli, Rovere (6)], valutandone anche l’ergonomia e i rischi per la propria incolumità. Un accurato Layout Planning è in grado di ridurre costi operativi addirittura del 50% (7).

Il modo più efficace per testare molteplici configurazioni o procedure all’interno di questi ambienti consiste nel Virtual Layout Planning, che per creare digital twin degli impianti si avvale delle tecnologie di fotogrammetria, laser scanner e importazione di file CAD già disponibili, uniti alla modellazione 3D dei dettagli più minuti. Queste tecnologie hanno ormai raggiunto livelli di adozione diffusi, e non risultano più una prerogativa dei grandi gruppi industriali.

Realtà virtuale e sicurezza

Recentemente l’Osservatorio Industria 4.0 del Politecnico di Milano ha confermato come la gamification e le tecnologie di cross reality (XR)  (8) (categoria Advanced HMI) siano tra quelle che hanno destato maggiore attenzione dopo l’emergenza Covid; circa il 23% delle aziende coinvolte nello studio ha dichiarato di averle già integrate o essere in procinto di farlo (9; 10).

La possibilità di “immergere” un operatore all’interno di un ambiente virtuale assolutamente realistico si rivela essenziale per simularne i reali comportamenti, stimolarne l’attenzione e migliorarne la capacità di richiamo di informazioni apprese.

Processi di training abilitati dalla realtà virtuale risultano sensibilmente più efficaci della formazione tradizionale per quanto riguarda tutti quei processi aziendali che sfruttano il richiamo di informazioni e movimenti necessariamente esatti.
“La realtà virtuale abilita una superiore consapevolezza della propria posizione nello spazio permettendo all’operatore di sfruttare pienamente le informazioni provenienti dai nostri sensi vestibolari e propriocettivi; ciò caratterizza la principale differenza rispetto ai tradizionali display.” [Krokos, Plaisant, Varshney (11)]

Altre applicazioni cui viene dato enorme risalto sono relative alla sicurezza sul posto di lavoro e durante operazioni di manutenzione. Il National Safety Council, organizzazione pubblica Usa che si occupa di ricerche inerenti salute e sicurezza, ha osservato come le tecnologie immersive aiutino a mitigare i rischi garantendo ai lavoratori un ambiente sicuro dove poter imparare.
La tecnologia XR permette a un operatore di ripetere l’esperienza di training:

  • senza costi aggiuntivi;
  • senza mettere a rischio i propri colleghi;
  • senza spostarsi fisicamente all’interno dello spazio di lavoro.

Il concetto di open innovation

L’open innovation è il paradigma che descrive la trasformazione dei processi di innovazione osservata all’interno dei più disparati ambiti, non soltanto industriali. L’innovazione non appartiene più a “special places”, luoghi isolati dove concentrare risorse ingenti e menti brillanti, ma alla simbiosi tra questi luoghi e i consumatori finali del processo di innovazione. [Charles Leadbeater (12)]

L’esempio spesso citato è relativo alla genesi della mountain bike: un prodotto inesistente prima degli anni ’70, creato da amatori nel Nord California combinando le biciclette da passeggio con quelle da corsa, col solo obiettivo di spostarsi più agevolmente. Oggi il mercato delle mountain bike specializzate rappresenta oltre il 25% delle 10 milioni di biciclette vendute negli Usa ogni anno. (13; 14; 15)

Allo stesso modo l’invenzione del telefono era inizialmente caldeggiata come una soluzione per ascoltare concerti senza la necessità di recarsi in luoghi caldi e affollati (16), e soltanto le necessità del commercio ne causarono l’adozione di massa.

Concetti che ritroviamo anche nella storia delle e-mail, degli SMS e dei social media.

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Nell’ambito delle tecnologie immersive gli ultimi anni hanno visto l’esplosiva adozione in ambito industriale [2,2 mld di dollari investiti nel settore training AR/VR (17)] a dispetto di una vocazione iniziale relativa all’ambito consumer.

I casi di maggior successo, anche in questo ambito, derivano dalla combinazione tra le tecnologie disponibili e gli sviluppi degli operatori di settore, che creano nuovi segmenti di mercato diventando essi stessi destinatari delle nuove applicazioni.

Il caso Chernobyl

Uno di questi casi è relativo al Chernobyl Decommissioning Visualisation Centre (CDVC), che ha visto la virtualizzazione dell’intera centrale di Cernobyl dal 2006 e il 2016.

A seguito del disastroso incidente del 1986, dell’esplosione e del conseguente scoperchiamento del reattore n.4, molti operatori del settore hanno contribuito alla costruzione di una cupola di contenimento, il cui completamento ha richiesto quasi 30 anni.

open innovation

Dal 2006 il norvegese Institute for Energy Technology (IFE) ha affiancato le autorità nella creazione di un digital twin dell’intero power plant, al fine di pianificare in sicurezza le operazioni di dismissione e messa in sicurezza dei reattori nucleari.

Questa collaborazione ha dato vita al Chernobyl Decommissioning Visualisation Centre.
Il progetto pilota prevedeva la creazione degli ambienti 3D, utili per creare la documentazione necessaria all’esecuzione delle procedure di smantellamento.

Durante le successive fasi del progetto, il modello digitale della centrale ha permesso agli ingegneri di “navigare” in realtà virtuale l’impianto in assoluta sicurezza, oltre a progettare i robot responsabili delle attività necessarie dopo averne simulato le operazioni. (18)

L’ultima versione del software integra la rilevazione puntuale dei livelli di radioattività nelle diverse aree della centrale, e ha dato vita a un prodotto utilizzabile da altri impianti, chiamato VRdose (19).

Con oltre 200 tonnellate di combustibile nucleare ancora presenti nella zona, usare la realtà virtuale ha permesso di pianificare le operazioni senza esporre numerosi ingegneri all’ambiente radioattivo, riducendone le attività in loco dove possibile, o nei restanti casi svolgendo attività di training VR per ridurre al minimo rischi e tempi di esposizione degli operatori. (20)

 

User interface del software VRdose (IFE) col modello 3D dell’impianto nucleare e il grafico che mostra la dose di radiazioni percepita da un operatore.

Riferimenti

1. Hagl, Duane. impact of augmented reality and virtual reality technologies on business model innovation. [Online] 2017. https://www.researchgate.net/publication/338572722_Exploring_the_impact_of_augmented_reality_and_virtual_reality_technologies_on_business_model_innovation_in_technology_companies_in_Germany_A_conceptual_framework.

2. Jenkins, Aric. https://fortune.com/longform/virtual-reality-struggle-hope-vr/. Fortune. [Online] 2019. https://fortune.com/longform/virtual-reality-struggle-hope-vr/.

3. Grieves, Michael. Origins of the Digital Twin Concept. [Online] 2016. https://www.researchgate.net/publication/307509727_Origins_of_the_Digital_Twin_Concept.

4. Piascik, R., Vickers, J., Lowry, D., Scotti, S., Stewart, J. and Calomino, A. Technology Area 12: Materials, Structures, Mechanical Systems, and Manufacturing Roadmap. NASA Office of Chief Technologist. [Online] 2010.

5. Glaessgen, Edward H., Stargel D. S. The Digital Twin Paradigm for Future NASA and U.S. Air Force Vehicles. NASA. [Online] 2012. https://ntrs.nasa.gov/citations/20120008178.

6. Avai, Dal Maso, Pedrazzoli, Rovere. Factory layout planner: How to speed up the factory design process in a natural and comfortable way. Conference: The 10th International Conference on Modeling and Applied SimulationAt: Rome – Italy. [Online] 2011. https://www.researchgate.net/publication/260405741_Factory_layout_planner_How_to_speed_up_the_factory_design_process_in_a_natural_and_comfortable_way.

7. Gong, Berglund, Johansson, Wang, Fast-Berglund,Börjesson. Development of virtual reality support to factory layout planning. [Online] 2019. https://www.researchgate.net/publication/331146206_Development_of_virtual_reality_support_to_factory_layout_planning.

8. Vizzarri, Giovanni. https://www.industry4business.it/realta-aumentata/videogiocare-per-aumentare-la-produttivita-in-azienda-il-ruolo-della-cross-reality/

9. Milano, Osservatorio Industria 4.0 Politecnico di. Digital New Normal: Essere 4.0 ai tempi del Covid. [Online] 2020. https://www.osservatori.net/it/eventi/on-demand/convegni/convegno-presentazione-risultati-ricerca-osservatorio-industria-4-0-2020.

10. Roskladka, Nataliia. Industria 4.0: la ripresa dell’industria italiana passa dal digitale. [Online] 2020.

11. Krokos, Plaisant, Varshney. Virtual memory palaces: immersion aids recall. University of Maryland. [Online] 2018. https://obj.umiacs.umd.edu/virtual_reality_study/10.1007-s10055-018-0346-3.pdf.

12. Leadbeater, Charles. Charles Leadbeater: The era of open innovation. TED. [Online] https://www.youtube.com/watch?v=W7raJeMpyM0.

13. Buenstorf, Guido. Designing Clunkers: Demand-Side Innovation and the Early History of the Mountain Bike. [Online] 2003. https://www.researchgate.net/publication/4915593_Designing_Clunkers_Demand-Side_Innovation_and_the_Early_History_of_the_Mountain_Bike.

14. Luthje, Herstatt, Eric von Hippel. User-innovators and “local” information: The case of mountain biking. [Online] 2004. http://web.mit.edu/people/evhippel/papers/Section%202%20mountain%20biking%202006.pdf.

15. NBDA. 2015 – The NBDA Statpak – A Look at the Bicycle Industry’s Vital Statistics. [Online] 2015. https://www.nbda.com/articles/industry-overview-2015-pg34.htm.

16. Rebecca J. Rosen. The Magical, Revolutionary Telephone. The Atlantic. [Online] 2012. https://www.theatlantic.com/technology/archive/2012/03/the-magical-revolutionary-telephone/254149/.

17. Greenlight Insight. 2020 Virtual Reality Market Intelligence. [Online] https://greenlightinsights.com/expertise/virtual-reality/.

18. Institute for Energy Technology (IFE) . Chernobyl NPP decommissioning assistance project. [Online] 2019. https://ife.no/en/project/chernobyl-npp-decommissioning-assistance-project/.

19. —. https://ife.no/en/Service/hvrc-vrdose/. [Online] 2018. https://ife.no/en/Service/hvrc-vrdose/.

20. Yoshikawa, Zhang. Progress of Nuclear Safety for Symbiosis and Sustainability. [Online] Springer, 2014.

 

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