Initialement développés pour des applications industrielles, les jumeaux numériques sont des répliques virtuelles de systèmes physiques qui combinent des simulations numériques avec des données réelles. Ces modèles permettent une compréhension approfondie du comportement des produits dans des conditions réelles et offrent la possibilité d’explorer des améliorations pour accroître l’efficacité.
Malgré leur adoption croissante, il n’existe pas de définition universellement acceptée des jumeaux numériques. L’American Institute of Aeronautics and Astronautics (AIAA) les définit comme : « Un ensemble de constructions d’informations virtuelles qui imitent la structure, le contexte et le comportement d’un ou plusieurs actifs physiques, mis à jour dynamiquement avec les données de leur équivalent physique tout au long de leur cycle de vie, et qui éclairent les décisions créatrices de valeur. »
Fonctionnement des jumeaux numériques : quatre étapes clés
- Collecte de données : Des capteurs et dispositifs IoT installés sur l’actif physique recueillent des données telles que la température, la pression et l’état opérationnel.
- Intégration des données : Ces données sont transmises au jumeau numérique, où elles sont traitées et utilisées pour mettre à jour en continu le modèle virtuel.
- Simulation et analyse : Le jumeau numérique exécute des simulations pour prédire des résultats, identifier des problèmes et tester des scénarios sans impacter l’actif physique.
- Boucle de rétroaction : Les informations issues du jumeau numérique sont utilisées pour optimiser les performances, anticiper les besoins de maintenance et améliorer l’efficacité.
Ces étapes fondamentales permettent aux jumeaux numériques de soutenir une large gamme d’applications industrielles et environnementales.
Défossiliser l’industrie grâce aux jumeaux numériques
Les jumeaux numériques offrent un potentiel de transformation dans la décarbonation des processus industriels reposant sur la combustion. Leurs avantages incluent :
- Surveillance en temps réel et maintenance prédictive
- Optimisation des performances
- Efficacité énergétique et réduction des émissions
- Surveillance et contrôle à distance
- Gestion du cycle de vie et évaluation des risques
- Tests hardware-in-the-loop (intégration de composants physiques dans des environnements de simulation)
- Flexibilité opérationnelle et résolution de problèmes
- Simulation de scénarios et prévisions
Cinq rôles fondamentaux des jumeaux numériques
- Performance : Adaptation aux environnements de calcul haute performance
- Intégration : Définition de workflows de bout en bout pour un déploiement complet
- Gestion des données : Traitement efficace de flux de données volumineux et personnalisés
- Interactivité : Interaction utilisateur avec le jumeau numérique
- Activation de l’apprentissage automatique : Amélioration de l’efficacité et estimation des incertitudes
Comment l’IA améliore-t-elle les jumeaux numériques ?
Apprentissage automatique (Machine learning) : Détecte des motifs dans de grands ensembles de données, prédit des résultats et améliore les performances sans programmation explicite.
Apprentissage par renforcement (Reinforcement learning)) : Entraîne des logiciels à prendre des décisions optimales en imitant l’apprentissage par essais et erreurs humain.
IA générative : Révolutionne les jumeaux numériques en permettant des simulations, prédictions et optimisations avancées. Grâce à une puissance de calcul accrue, les jumeaux numériques peuvent traiter des volumes massifs de données en temps réel, améliorant leur précision et leur réactivité. Cela conduit à des modèles plus détaillés, mieux représentatifs des systèmes physiques et capables d’anticiper leur comportement.
Études de cas
Quatre études de cas sont présentées dans le rapport 2025 :
Tokamak : Jumeau numérique couplé à l’IA comme méthode de prédiction et de contrôle pour les réacteurs de fusion
DestinE : Un jumeau numérique de la Terre pour répondre, anticiper et s’adapter aux grands défis environnementaux
TwinHeat : Jumeau numérique coulpé à l'IA pour optimiser et contrôler les fours industriels. Chaire industrielle dirigée par le CEMEF @ Mines Paris PSI
CYPHER COST Action : Une initiative alternative pour défossiliser l'industrie lourde.
Plus d’informations sur ces cas d'usage dans le rapport 2025 sur les technologies émergentes à télécharger
Acceptabilité sociale des jumeaux numériques couplés à l’IA
L’intégration des jumeaux numériques dans les processus industriels transforme la manière dont les entreprises fonctionnent, avec des bénéfices significatifs en termes de résilience, d’adaptabilité et d’efficacité. Toutefois, cette évolution technologique soulève des enjeux sociaux complexes.
Résilience et adaptabilité
Les experts industriels reconnaissent de plus en plus les jumeaux numériques comme des outils renforçant la résilience des entreprises. Ils permettent une meilleure réponse aux perturbations et une agilité opérationnelle accrue. Cependant, pour les jumeaux numériques alimentés par l’IA, de nombreux bénéfices restent théoriques, avec peu de validation concrète, soulignant le besoin d’expérimentations pratiques.
Numérisation industrielle et débats énergétiques
L’adoption des jumeaux numériques s’inscrit dans les débats plus larges sur la numérisation industrielle. Les parties prenantes environnementales soulignent les compromis énergétiques : bien que les jumeaux numériques optimisent l’énergie industrielle, les centres de données qui les soutiennent consomment beaucoup d’énergie. Il est essentiel de comprendre et de réduire l’empreinte environnementale de ces infrastructures numériques.
Transformations socioprofessionnelles
Les jumeaux numériques entraînent des changements notables dans la main-d’œuvre industrielle et les structures organisationnelles :
- Simplification des workflows : Rationalisation des opérations, réduction des coûts et des accidents, mais risque de suppression d’emplois traditionnels
- Évolution des compétences : Hausse de la demande pour les spécialistes IT et analystes de données, baisse des rôles techniques classiques → nécessité de programmes de reconversion
- Reconfiguration logistique : Modification des dynamiques de la chaîne d’approvisionnement
- Changement de géographie de l’emploi : Déplacement des opportunités vers des régions technologiques
- Transformation des pratiques managériales : Décisions de plus en plus guidées par les données, réduisant potentiellement l’influence des opérateurs de terrain.
Relation changeante avec l’infrastructure physique
La dépendance croissante aux modèles virtuels peut affaiblir le lien entre les travailleurs et leur environnement physique. Cela peut entraîner des relocalisations et une perte d’engagement. L’absence de techniciens sur site peut aussi nuire à la communication entre les parties prenantes locales et les équipes opérationnelles.
L'importance d'une transition inclusive
Bien que les jumeaux numériques offrent des avancées prometteuses, leurs implications sociales doivent être gérées avec soin. Une approche proactive est essentielle : engagement des parties prenantes, développement des compétences, et responsabilité sociale. Une transition inclusive et équitable permettra de construire un avenir où technologie et travail humain coexistent harmonieusement.
Analyse environnementale des jumeaux numériques
Les jumeaux numériques contribuent fortement à la durabilité environnementale grâce à la surveillance en temps réel et à l’optimisation de l’usage énergétique. Leurs avantages incluent :
- Un efficacité énergétique accrue
- Une meilleure gestion des ressources
- La réduction de l’usage de matériaux (moins de prototypes physiques → moins de consommation et d’émissions)
Malgré ces avantages, les jumeaux numériques présentent aussi des risques :
- Exigences infrastructurelles : Consommation énergétique élevée et dépendance à des matériaux critiques (CRM) comme le cobalt, le titane et l’indium
- Déchets électroniques : Mauvaise gestion des capteurs et du matériel → augmentation des déchets électroniques
- Émissions des centres de données : Émissions directes et indirectes liées à l’énergie consommée
Trouver l’équilibre entre innovation et durabilité
En conclusion, les jumeaux numériques, en particulier lorsqu’ils sont alimentés par l’IA, représentent un changement de paradigme dans la manière dont les industries conçoivent, opèrent et évoluent. Leur potentiel est immense : optimisation énergétique, anticipation des impacts climatiques, transformation des dynamiques professionnelles. Mais pour concrétiser ce potentiel, une mise en œuvre réfléchie est nécessaire—équilibrant innovation et durabilité, efficacité et responsabilité sociale.
Contributions et remerciements :
- Mihir Sarkar
- Nicolas Meynet
- Guy-Alexandre Grandin
- Dmitriy Slutskiy
- Bertrand Haut
- Benjamin Charles
- Mohammed Benslimane
- Jules Pommies
- Mary Hanoun
- Jean Sanchez
- Elodie du Fornel
- Jan Mertens
- Jean-Pierre Keustermans
- Céline Denis
- Olivier Sala
Pour aller plus loin :
Consultez le rapport 2025 d’ENGIE sur les technologies durables émergentes pour plus d’exemples, de cas d’usage et d’analyses.
