Jumeaux numériques¶

Un jumeau numérique est la représentation virtuelle vivante d'un équipement physique — il reçoit les données du terrain, les expose à des services tiers et permet de simuler des scénarios sans toucher au matériel réel.

Concept et valeur industrielle¶

La définition de l'IIRA (Industrial Internet Référence Architecture) est précise : un jumeau numérique est une représentation numérique d'actifs, de processus ou de systèmes dans le domaine IoT, qui peut être utilisée à des fins d'analyse, de simulation, de contrôle ou d'optimisation.

Ce n'est pas simplement une base de données de capteurs. Le jumeau numérique combine :

1. L'état courant : les dernières valeurs de tous les capteurs de l'équipement.
2. L'historique : les séries temporelles associées.
3. Le modèle : les métadonnées (type d'équipement, position, spécifications constructeur).
4. Le comportement : des règles ou modèles qui décrivent comment l'équipement réagit.

Cas d'usage concrets¶

Modélisation device et process¶

Ontologies et langages de modélisation¶

Plusieurs standards coexistent selon le domaine industriel :

Exemple de modèle DTDL — pompe centrifuge¶

{
  "@context": "dtmi:dtdl:context;3",
  "@id": "dtmi:industrial:pump:centrifugal;1",
  "@type": "Interface",
  "displayName": "Pompe centrifuge",
  "contents": [
    {
      "@type": ["Telemetry", "Temperature"],
      "name": "bearingTemperature",
      "schema": "double",
      "unit": "degreeCelsius",
      "displayName": "Température palier"
    },
    {
      "@type": "Telemetry",
      "name": "flowRate",
      "schema": "double",
      "unit": "litrePerSecond"
    },
    {
      "@type": "Property",
      "name": "operationalState",
      "schema": {
        "@type": "Enum",
        "valueSchema": "string",
        "enumValues": [
          {"name": "running",    "enumValue": "RUNNING"},
          {"name": "stopped",    "enumValue": "STOPPED"},
          {"name": "fault",      "enumValue": "FAULT"},
          {"name": "maintenance","enumValue": "MAINTENANCE"}
        ]
      },
      "writable": true
    },
    {
      "@type": "Command",
      "name": "emergencyStop",
      "displayName": "Arrêt d'urgence"
    }
  ]
}

Eclipse Ditto¶

Eclipse Ditto est le moteur open source de jumeaux numériques le plus complet de l'écosystème Java/Eclipse. Il expose une API REST et WebSocket pour interagir avec les jumeaux, et gère la persistance, la synchronisation et la politique d'accès.

Architecture interne Ditto¶

graph TB
    subgraph "Devices / Edge"
        D1[Capteur physique]
        GW[Gateway]
    end

    subgraph "Eclipse Ditto"
        CONN[Connectivity Service\nMQTT / AMQP / Kafka / HTTP]
        THINGS[Things Service\nÉtat courant des jumeaux]
        POLICIES[Policies Service\nContrôle d'accès]
        SEARCH[Search Service\nIndex de recherche]
        GATEWAY[Gateway Service\nAPI REST / WebSocket]
        MONGO[(MongoDB\nPersistance)]
    end

    subgraph "Consommateurs"
        APP[Application métier]
        DASH[Grafana / Dashboard]
        RULES[Moteur de règles]
        SIM[Simulateur what-if]
    end

    D1 -->|MQTT| GW
    GW -->|MQTT / HTTP| CONN
    CONN --> THINGS
    THINGS --> MONGO
    THINGS --> SEARCH
    POLICIES --> THINGS
    GATEWAY --> THINGS
    GATEWAY --> POLICIES
    GATEWAY --> SEARCH
    APP -->|REST / WebSocket| GATEWAY
    DASH -->|REST| GATEWAY
    RULES -->|WebSocket events| GATEWAY
    SIM -->|REST PATCH| GATEWAY

Création d'un jumeau via l'API REST¶

# Créer un jumeau pour la pompe P-042
curl -X PUT \
  "https://ditto.example.com/api/2/things/industrial:pump-P042" \
  -H "Authorization: Bearer ${TOKEN}" \
  -H "Content-Type: application/json" \
  -d '{
    "definition": "dtmi:industrial:pump:centrifugal;1",
    "attributes": {
      "manufacturer": "Grundfos",
      "model": "CM5-4",
      "serialNumber": "GF-2024-00423",
      "installDate": "2024-03-15",
      "location": { "site": "factory-A", "zone": "Z3", "line": "L2" }
    },
    "features": {
      "telemetry": {
        "properties": {
          "bearingTemperature": null,
          "flowRate": null,
          "motorCurrent": null
        }
      },
      "operationalState": {
        "properties": {
          "state": "STOPPED",
          "lastStateChange": null
        }
      }
    }
  }'

Mise à jour de l'état via un message entrant¶

# Mettre à jour la température du palier
curl -X PATCH \
  "https://ditto.example.com/api/2/things/industrial:pump-P042/features/telemetry/properties" \
  -H "Authorization: Bearer ${TOKEN}" \
  -H "Content-Type: application/json" \
  -d '{
    "bearingTemperature": 72.3,
    "flowRate": 4.85,
    "motorCurrent": 8.2
  }'

Boucle de synchronisation réel/virtuel¶

sequenceDiagram
    participant HW as Capteur physique
    participant GW as Gateway
    participant MQTT as EMQX Broker
    participant DITTO as Eclipse Ditto
    participant APP as Application
    participant SIM as Simulateur

    HW->>GW: Mesure (Modbus/OPC-UA)
    GW->>MQTT: MQTT PUBLISH\niot/pump-P042/telemetry
    MQTT->>DITTO: Connectivity bridge\n(MQTT → Ditto protocol)
    DITTO->>DITTO: Mise à jour features\nnotification WebSocket
    DITTO->>APP: Event SSE/WebSocket\n"thing modified"
    APP->>DITTO: GET /things/pump-P042\nétat courant complet
    APP->>SIM: Injecter état courant\npour simulation what-if
    SIM->>SIM: Simuler scénario\n(panne roulement dans 48h ?)
    SIM->>APP: Résultat prédiction
    APP->>DITTO: PATCH predicted_failure_date\n(propriété calculée)

Simulation what-if¶

La simulation what-if est l'un des cas d'usage les plus puissants du jumeau numérique. Elle permet de répondre à des questions telles que :

• "Si j'augmente la consigne de température de 5°C, quel est l'impact sur la durée de vie du roulement ?"
• "Si la pompe P-042 tombe en panne, quel est l'impact sur la production de la ligne L2 ?"

Architecture de simulation¶

graph TD
    TWIN["Jumeau numérique (état courant via Ditto)<br/>bearingTemp=72°C, flow=4.85 L/s, current=8.2A"]
    TWIN -->|snapshot de l'état| MODEL["Modèle de dégradation<br/>(ML LSTM ou équation physique)<br/>Input : historique 30j + paramètres constructeur<br/>Output : MTTF estimé, next maintenance date"]
    MODEL -->|résultats| RESULT["Résultats écrits dans le jumeau<br/>predictedFailureDate<br/>maintenanceRecommendation"]

Ce qu'il faut retenir¶

• Un jumeau numérique n'est pas un tableau de bord : c'est un objet logiciel qui encapsule état, métadonnées et comportement d'un équipement.
• Eclipse Ditto offre une API REST/WebSocket standardisée et un modèle de politique d'accès granulaire.
• La simulation what-if est le cas d'usage différenciateur qui justifie la complexité d'un jumeau par rapport à une simple base time-series.

Chapitre suivant : Tableaux de bord — Grafana, datasources et optimisation des requêtes time-series pour les opérateurs et les managers.