A new paradigm to combine model-and data-based digital twins in smart manufacturing

The main objective of this thesis is the proposal of a new paradigm to comprehend the many different interpretations of the Digital Twin concept proposed and applied in the context of advanced - or "smart" - manufacturing. The ultimate goal of the long-term research to which the thesis belongs, is to implement the said paradigm in the form of tools to support the management of a production asset throughout its life cycle. The research motivation comes from observing on the one hand that entities named "Digital Twins" are nowadays of fundamental importance in the design, engineering, commissioning, control, maintenance and management of production assets, and on the other hand, that those entities are as heterogeneous as can be a BIM database, a system of differential and algebraic equations, and a neural network. A paradigm unification as the one here proposed - which is much more than just transferring data among domain-specific tools, as will be shown - is therefore of undoubted value, and highly desirable. From the above, it naturally comes that the thesis shall take a multidisciplinary approach, accounting in particular for the Systems and Control and the Operations and Management viewpoints. These are in fact the major ones to come into play along the life of an asset, and at the same time reflect a major division in the Digital Twins zoo. Simplifying here for brevity, in the Systems and Control domain a Digital Twin is generally some kind of simulation model, while in Operations and Management a data-centric interpretation of the Digital Twin idea is most frequently adopted. As a matter of fact, and quite apparently based on the numerous success stories available, each interpretation is correct in its domain. The potential of modern ICT - think of cloud applications, (Industrial) Internet of Things and the like, to name just a few developments - when applied to manufacturing, is nowadays going far beyond the most traditional uses of "simulating" and "controlling" systems, first in a Digital World and then physically. At the same time, as systems need to become flexible and rapidly reconfigurable, ICT is becoming necessary for lifelong decision making support from the management level almost down to the plant floor. The research we present starts from the consideration, simple at a first glance but instead loaded with a wealth of consequence, that the mentioned Digital World has the nature of multiverse. In fact, it already contains different parallel realities (e.g., as design alternatives being evaluated) and different viewpoints (e.g. the CAD drawing, the P&ID, the control scheme and a queue-plus-server model for a machine). The problem is that all the above knowledge is managed with separate tools, and the burden of keeping the knowledge base consistent (e.g., ensuring that a CAD modification does not invalidate a control study, to clarify that it is not just a matter of data interchange) stands with humans. Elaborating on the above idea we introduce our paradigm, that we name Digital Multiverse. We show that different Digital Twin interpretation can be seen as "projections" or "views" applied to a more abstracted object, that we term Digital Meta Twin and offers the higher abstraction level envisaged above. We deduce that a Digital Meta Twin must take the form of a Model and Data Base, where consistency relationships need instating and automatically enforcing - as is done in the database domain for data alone - but here involving both data and models. We define some such relationships, and outline the way their management has to be implemented. We consequently come to defining the structure of a Digital Multiverse tool, and although the realisation of such an object extends far beyond the scope of this thesis, we support its viability by defining and motivating the required mix of available (and solid) enabling technologies. We then apply our paradigm to some relevant problems, also with the aid of industrial case studies drawn from the Lombardia regional research and innovation project AD-COM, "ADvanced COsmetic Manufacturing" (ID 214632) that provided support for the presented research. We end the dissertation with retrospect considerations, open issues, and a consequent sketch of future activities.

L'obiettivo principale di questa tesi di dottorato è la proposta di un nuovo paradigma che possa comprendere le diverse interpretazioni esistenti di Digital Twin proposte e applicate nel contesto della produzione avanzata - meglio detta "smart manufacturing". L'obiettivo finale della ricerca cui la tesi appartiene, è quello di implementare il paradigma sotto forma di strumenti a supporto della gestione di un asset produttivo durante tutto il suo ciclo di vita. La motivazione della ricerca parte da due osservazioni. Da un lato notiamo che le entità denominate "Digital Twins" sono oggi di fondamentale importanza nella progettazione, ingegnerizzazione, commissioning, controllo, manutenzione e gestione degli asset produttivi, e dall'altro che tali entità sono eterogenee come può esserlo un database BIM, un sistema di equazioni differenziali e algebriche e una rete neurale. Un'unificazione di paradigmi come quella qui proposta - che è molto più del semplice trasferimento di dati tra strumenti specifici di dominio, come verrà mostrato - è quindi di indubbio valore e altamente auspicabile. Da quanto sopra risulta naturale che la tesi assuma un approccio multidisciplinare, tenendo conto in particolare dei punti di vista Sistemi, Controllo e Operations e Management. Questi sono infatti i principali che entrano in gioco lungo la vita di una risorsa e allo stesso tempo riflettono una divisione importante tra le varie interpretazioni di Digital Twins. Semplificando per brevità, nel dominio Systems and Control, un Digital Twin è generalmente un modello di simulazione, mentre in Operations and Management viene adottata più frequentemente un'interpretazione basata sui data dell'idea di Digital Twin. In effetti, e in apparenza in base alle numerose storie di successo disponibili, ogni interpretazione è corretta nel suo dominio. Il potenziale delle moderne ICT - si pensi alle applicazioni cloud, all'Internet of Things (industriale) e simili, per citare solo alcuni sviluppi - quando applicato alla produzione, sta oggi andando ben oltre gli usi più tradizionali di "simulazione" e "controllo" dei sistemi, prima in un mondo digitale e poi fisicamente. Allo stesso tempo, poiché i sistemi devono diventare flessibili e rapidamente riconfigurabili, le ICT stanno diventando necessarie per supportare il processo decisionale permanente dal livello di gestione quasi fino all'impianto. La ricerca che presentiamo parte dalla considerazione, a prima vista semplice ma carica di una ricchezza di conseguenze, che le diverse interpretazioni di Digital Twin appartengano ad un più ampio Digital World che ha la natura di multiverso. Esso contiene già diverse realtà parallele (es. come alternative progettuali in valutazione) e diversi punti di vista (es. il disegno CAD, il P&ID, lo schema di controllo e un modello coda più server per una macchina). Il problema è che tutta la conoscenza di cui sopra è gestita con strumenti separati e l'onere di mantenere coerente la base di conoscenza (ad esempio, garantire che una modifica CAD non invalidi uno studio di controllo, per chiarire che non è solo una questione di scambio di dati ) compete all'uomo. Elaborando l'idea di cui sopra introduciamo il nostro paradigma, che chiamiamo Digital Multiverse. Mostriamo che la diversa interpretazione del Digital Twin può essere vista come "proiezioni" o "viste" applicate a un oggetto più astratto, che chiamiamo Digital Meta Twin e offre il livello di astrazione più elevato previsto sopra. Ne deduciamo che un Digital Meta Twin deve assumere la forma di un Model and Data Base, dove le relazioni di consistenza devono essere istituite e applicate automaticamente - come avviene nel dominio del database per i soli dati - ma qui coinvolgendo sia i dati che i modelli. Definiamo alcune di tali relazioni e delineiamo il modo in cui deve essere implementata la loro gestione. Si arriva quindi a definire la struttura di uno strumento Digital Multiverse, e sebbene la realizzazione di un tale oggetto si estenda ben oltre lo scopo di questa tesi, ne sosteniamo la fattibilità definendo e motivando il necessario mix di tecnologie abilitanti disponibili (e solide). Applichiamo poi il nostro paradigma ad alcune problematiche rilevanti, anche con l'ausilio di casi studio industriali tratti dal progetto di ricerca e innovazione di Regione Lombardia AD-COM, "Advanced COsmetic Manufacturing" (ID 214632) che ha fornito supporto alla ricerca qui presentata. Concludiamo la dissertazione con considerazioni retrospettive, questioni aperte e conseguenti attività future.