Real-time validation of discrete event simulation models in a real-time framework : statistical techniques and harmonic analysis approach

In the context of Industry 4.0, the connection between the real system and its digital counterpart, created through the use of a Digital Twin (DT), is of great significance since it can allow the development of new technologies that can help to face unexpected events (i.e. a machine breakdown) in real-time or quasi, in order to implement proper corrective actions. The responsiveness in the decision-making process constitutes the keystone for a firm’s success. Discrete Event Simulation (DES) is a consolidated numerical approach that is used to simulate the behaviour of a manufacturing plant in the long-term horizon. DES can become a relevant tool since it can also be used to evaluate the plant’s behaviour in real-time, but to the best of author’s knowledge there is a lack in validation techniques which can be used in this context, since they rely on a great amount of data. This master thesis focuses on the research and development of a novel validation procedure which translates the analysis in the frequency domain and whose outcome, called “spectral indicator”, determines the degree of consistency of the DES model with respect to the real system. The ”spectral indicator” can detect significant differences between the real system and its DES model. Results show how it constitutes a reliable assessment even when the number of available data is limited, condition under which traditional validation techniques often provide the wrong response. Future developments have to be focused on the identification of the source of deviation, where the proposed approach still shows criticalities. The analysis can be then adjusted on specific features of the plant so that it can help in defining the changes to be made in real-time.

Nel contesto dell’Industria 4.0, la connessione tra il sistema reale e la sua controparte digitale, creata tramite l’utilizzo del Gemello Digitale, riveste una grande importanza dal momento che nuove tecnologie possono essere sviluppate con lo scopo di fronteggiare meglio eventi inaspettati (come la rottura di un macchinario) in tempo reale o quasi, al fine di poter implementare azioni correttive appropriate. La reattività nel processo decisionale diventa quindi fondamentale per il successo di un’azienda. La Simulazione a Eventi Discreti (DES) è un approccio numerico consolidato e ben conosciuto che viene utilizzato per simulare il comportamento di un impianto manifatturiero nell’orizzonte a lungo termine. DES può diventare uno strumento importante dal momento che può essere anche usato per valutarne il comportamento in tempo reale ma, al meglio delle conoscenze degli autori, ad oggi non esistono tecniche di validazione che possono essere usate in queste particolari condizioni, dal momento che gli approcci tradizionali richiedono una grande quantità di dati. Questa tesi si focalizza sulla ricerca e sviluppo di una nuova procedura di validazione, la cui analisi viene traslata nel dominio delle frequenze e la risposta, chiamata “indicatore spettrale”, determina il grado di consistenza del modello DES rispetto al sistema reale. L’indicatore spettrale può rilevare differenze significative tra il sistema reale e il suo modello DES. I risultati ottenuti mostrano come esso costituisca un giudizio affidabile anche quando il numero di dati disponibili è limitato, dove le tecniche tradizionali spesso forniscono risultati errati. Gli sviluppi futuri possono essere concentrati sull’identificazione della fonte di errore, dove l’approccio proposto mostra delle criticità. L’analisi può dunque essere focalizzata su specifiche parti dell’impianto così da poter definire meglio i cambiamenti da apportare in tempo reale.