Los «gemelos digitales» se están convirtiendo en una tecnología emergente muy extendida en varias industrias, estando intrínsecamente vinculados con otros términos en auge como la Industria 4.0 y los sistemas ciberfísicos. Según Gartner, se anticipa que las grandes corporaciones industriales incrementarán su interés en la aplicación de gemelos digitales para potenciar su eficiencia en un 10%. En el ámbito de la arquitectura, ingeniería y construcción (AEC), se considera que los gemelos digitales son una tendencia al alza, aunque todavía queda mucho camino por recorrer en comparación con otras áreas como la manufactura o el sector aeroespacial. Pueden representan réplicas virtuales de edificaciones o entidades físicas que posibilitan la simulación en tiempo real a través de sensores. Estos modelos pueden encapsular toda la información relevante durante la vida útil de un edificio, facilitando la simulación y control de bienes físicos a través de la interconexión de sensores que permiten la recolección, procesamiento y análisis de los datos requeridos. Sin embargo, las soluciones de gemelos digitales disponibles en el mercado actualmente por parte de ciertos proveedores no son homogéneas en términos de contenido, uso e implementación técnica, lo que resalta una carencia de estandarización en el sector de la construcción.
Aunque algunos proveedores ya comercializan soluciones, éstas varían en lo que respecta a contenido, uso e implementación técnica, lo que sugiere una ausencia de estandarización en los gemelos digitales en el ámbito de la construcción. No obstante, se han logrado avances notables en tecnologías asociadas, como Internet de las Cosas, Industria 4.0, sensores en tiempo real y redes de sensores inalámbricos (WSN), así como un incremento en la adopción e implementación de BIM en la industria AEC y en la cantidad de paquetes de software BIM disponibles en el mercado para integrar la gestión de información de los edificios. Además, se han presentado iniciativas que evidencian cómo las tecnologías digitales pueden coadyuvar a un futuro más sostenible y digital.
Originalmente, los términos «BIM» y «DT» se solapaban significativamente en la industria de arquitectura, ingeniería y construcción. Sin embargo, recientemente, se ha empezado a considerar al BIM como un subconjunto de las tecnologías digitales debido a su menor densidad informativa y capacidad analítica en comparación con las últimas. Se ha sugerido que «el gemelo digital es la evolución siguiente del modelo BIM» dada su habilidad para unificar los ciclos de diseño, construcción, operación y mantenimiento de un bien.
El BIM ha desempeñado un papel clave en la evolución del Gemelo Digital, proporcionando una base firme para la creación de modelos digitales en la industria de la construcción. Además, el BIM ha mejorado la eficiencia en la planificación, diseño y edificación de construcciones, lo que ha fomentado una mayor demanda de modelos digitales más sofisticados y completos.
Por otro lado, el Gemelo Digital es una réplica digital que refleja un sistema físico, tal como un edificio, una planta industrial, un vehículo o una infraestructura. El Gemelo Digital permite a los profesionales supervisar y controlar de cerca el sistema físico, facilitándoles tomar decisiones basadas en datos y optimizar la eficiencia y efectividad del sistema. En definitiva, el BIM ha sido un antecedente relevante en la evolución del Gemelo Digital, habiendo sentado las bases para la generación de modelos digitales en la industria de la construcción y promoviendo una creciente demanda de soluciones más avanzadas. Aunque el BIM se utiliza principalmente para mejorar la eficiencia del diseño y la construcción, mediante la resolución de conflictos, supervisión de obras, estimación de costos y mejora de la interoperabilidad de los stakeholders, incluso teniendo en cuenta su integración con los sistemas de gestión de edificios y facilitando información a la fase de explotación. Por otro lado, el Gemelo Digital se beneficia de los datos en tiempo real para proporcionar un modelo con capacidad de respuesta que actúa dinámicamente en relación con su entorno.
El uso de los «Gemelos Digitales» en la industria del agua puede implementarse de diversas formas para mejorar la eficiencia, la seguridad y la calidad en la industria del agua:
- Análisis de la calidad del agua: Es factible crear un gemelo digital de una planta de tratamiento de agua con el fin de simular y vigilar su funcionamiento en tiempo real. Este modelo puede emplearse para identificar problemas potenciales y ejecutar acciones preventivas antes de que se produzcan fallos en el sistema.
- Examinación de la calidad del agua: La generación de gemelos digitales permite simular la calidad del agua en diversos instantes del día, a lo largo de las estaciones del año, y en variadas condiciones meteorológicas. Esto posibilitaría a las autoridades y empresas vigilar la calidad del agua e implementar acciones para su mejora.
- Predicción de fugas de agua: Los modelos digitales pueden emplearse para anticipar dónde podrían ocurrir fugas en las conducciones de agua y actuar de manera preventiva antes de su aparición.
- Planificación de la distribución de agua: Los gemelos digitales pueden utilizarse para organizar la distribución de agua de forma más efectiva y garantizar un suministro constante y de calidad a los habitantes.
Dentro del ámbito de los Gemelos Digitales en las Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDARs), podemos identificar múltiples roles de usuarios de importancia que cumplen con funciones cruciales en la administración, funcionamiento y mantenimiento de dichas instalaciones. Seguidamente, se exponen algunos de estos roles significativos:
- Gestor de EDAR: Este individuo es el responsable de la supervisión y toma de decisiones estratégicas en la EDAR. Accede al Gemelo Digital con el fin de obtener una panorámica global de la instalación, vigilar el rendimiento, examinar datos históricos y tomar decisiones basadas en datos acerca de la optimización de los procesos y la planificación a largo plazo.
- Operador de planta: Este rol se encarga del manejo cotidiano de la EDAR. Emplea el Gemelo Digital para monitorear en tiempo real la situación de los equipos, regular y adaptar los parámetros de funcionamiento, recibir alertas y notificaciones, y ejecutar labores de mantenimiento preventivo y correctivo.
- Ingeniero de proceso: Este profesional es encargado de analizar y optimizar los procesos de tratamiento de aguas residuales en la EDAR. Utiliza el Gemelo Digital para simular escenarios, efectuar análisis de rendimiento, identificar puntos de congestión y sugerir mejoras en los procesos ya existentes.
- Ingeniero de mantenimiento: Su función esencial es asegurar el correcto desempeño de los equipos y sistemas de la EDAR. Utiliza el Gemelo Digital para acceder a información detallada sobre la situación de los activos, llevar un seguimiento de las tareas de mantenimiento programadas, diagnosticar fallos y coordinar las reparaciones requeridas.
- Responsable de calidad del agua: Este rol se dedica a garantizar que el agua tratada cumpla con los estándares de calidad establecidos. Emplea el Gemelo Digital para llevar a cabo análisis de calidad del agua, identificar problemas potenciales o desviaciones y tomar acciones correctivas para asegurar el cumplimiento de las normativas.
- Responsable de seguridad y cumplimiento normativo: Su labor es asegurar que la EDAR cumpla con las regulaciones de seguridad y medioambientales. Emplea el Gemelo Digital para efectuar simulaciones de seguridad, evaluar riesgos, aplicar medidas de prevención y coordinar acciones en casos de emergencia.
Para llevar a cabo el modelado de la EDAR Santa María de Palautordera, disponemos de datos históricos de su SCADA de 123 variables, correspondientes al periodo 2006-2021. Estos datos engloban diversas medidas de caudales, de sensores de oxígeno y redox, lecturas de las bombas, entre otros. El objetivo con estos datos es crear un modelo que reproduzca el comportamiento de la planta, proyectando así el comportamiento futuro esperado basado en los valores que las variables han adoptado previamente. Por ende, estos modelos se fundamentarán en la premisa de que las variables de los procesos de la planta estarán interrelacionadas en algún grado.
Dependiendo del proceso y subproceso al que cada variable se asocie, la interdependencia de las variables puede variar significativamente, lo que resulta en algunas variables siendo más críticas que otras para la construcción de cada modelo. Considerando la cantidad de variables y medidas disponibles, se ha considerado relevante el uso de técnicas de aprendizaje automático (machine learning) para este análisis. Estas técnicas posibilitan el descubrimiento de patrones e interrelaciones entre las variables que serían difíciles de encontrar con métodos de análisis tradicionales, lo que aportará un valor adicional al desarrollo del sistema de gemelo digital. Previo a la aplicación de las técnicas de machine-learning (ML), se ha realizado un estudio estadístico inicial de los datos para identificar el comportamiento de las variables y los rangos de valores dentro de los que operan.
