Il futuro di elicotteri e velivoli fabbricati da Leonardo si gioca sulla nuova frontiera del digital twin. Un percorso, basato sulla simulazione, che consente all’azienda di spiccare il volo con una conoscenza aumentata. «La gestione del dato è ormai parte inscindibile della nostra operatività. Un elicottero, un aereo, sono tanto più funzionali quanto più esiste una descrizione digitale. Sulla simulazione si gioca la nostra sostenibilità futura. Da una certa data in avanti i nostri clienti compreranno solo sistemi che hanno a bordo un digital twin poiché tutti vorranno essere nella condizione di poterne gestire le funzionalità». E’ quanto afferma Alessandro Profumo, ad della storica società, leader nell’aerospazio, difesa e sicurezza e principale azienda manifatturiera italiana (13,4 miliardi di euro di fatturato e 1,6 miliardi di spesa annua in ricerca e sviluppo).
Che la competitività industriale globale di Leonardo sia ormai strettamente associata alla digitalizzazione lo dimostra il Dipartimento della Difesa statunitense -104 gli elicotteri commissionati dal 2020 a oggi per un valore di circa 500 milioni di dollari – il quale ha dichiarato che in futuro accetterà forniture solamente da fquelle aziende in grado di garantire prodotti concepiti con un digital twin. Con il digital twin, Leonardo pone le basi per un new deal industriale basato sul paradigma as a service: il contratto di acquisto non corrisponde più al solo prodotto ma include servizi di revisione basati sulla manutenzione predittiva e l’addestramento dei piloti nel corso dell’intero ciclo di vita dei velivoli.
I vantaggi derivanti dall’utilizzo di soluzioni digitali sono indiscutibili: raccogliendo dati attraverso una sensoristica diffusa è possibile modellizzare i comportamenti di un gemello fisico, studiandone il comportamento in un ambiente virtuale capace di simulare i comportamenti dei velivoli anche in situazioni estreme; ciò consente di operare in maniera predittiva, anticipando potenziali pericoli e imprevisti prima che avvengano nella realtà. Strategica nell’evoluzione del gruppo, la nuova infrastruttura di supercalcolo. «davinci-1 è uno straordinario parco dei divertimenti per gli ingegneri. Una palestra digital twin per la simulazione e il training degli algoritmi che consentono di acquisire conoscenza sullo stato di funzionamento del suo alter ego fisico – elicottero o velivolo – fornendo capacità predittive, afferma Carlo Cavazzoni, direttore del laboratorio Hpc di Leonardo, un passato in Cineca e tra i massimi esperti di supercomputing. L’obiettivo è digitalizzare l’intera filiera del prodotto, dal progetto alla manifattura, fino ai servizi offerti ai clienti».
Digital twin ovvero design by simulation
Il digital twin lo si può definire come una rappresentazione virtuale, sincronizzata in tempo reale, del sistema esistente nel mondo fisico. E’ uno degli elementi centrali su cui si gioca la trasformazione digitale delle imprese e su questo tema Industria Italiana ha pubblicato centinaia di articoli (vedi qui). In fase di progettazione, l’utilità del digital twin è data dalla possibilità di testare una quantità di configurazioni molto elevata, limitata solo dalla potenza di calcolo. In Leonardo, per esempio, è possibile ottimizzare la prestazione di un elicottero in funzione del consumo di carburante.
«Il parametro di progettazione e della configurazione lo dà il cliente e il mercato. Senza digital twin dovrei fare degli esperimenti reali. Ma i prototipi costano tempo e denaro. Con il digital twin – grazie a simulazione multifisica, multicomponente e multiscala – si possono creare mille prototipi in una sola giornata e testare infinite configurazioni. E’ possibile verificare il funzionamento di molte versioni del sistema virtuale che simulano differenti sistemi reali. La progettazione di Leonardo è ormai “design by simulation” e consente di abbattere in modo significativo tempi e costi di sviluppo», dice Cavazzoni. In base all’esperienza finora acquisita dal gruppo, progettare digitalmente fa risparmiare fino all’80% di tempo nella fase di progettazione e produzione e può contribuire alla riduzione del 25% dei consumi. Abbiamo già casi di certificazioni specifiche rilasciate dalle competenti autorità aeronautiche sulla base dei dati di simulazione. Inoltre è sempre più centrale nella crescita della sicurezza del volo sia in fase di progettazione che di collaudo. L’Azienda beneficia anche dell’impiego significativo della simulazione nell’ambito dei servizi di addestramento di piloti e tecnici manutentori, altro ambito applicativo fondamentale per la riduzione dei costi, l’incremento della sicurezza e, in generale, della competitività.
Una manifattura distribuita a livello internazionale
Il percorso di digitalizzazione di Leonardo riguarda l’intera struttura industriale del gruppo, che si estende in oltre 20 Paesi nel mondo, dove è presente con 103 siti (in Italia e all’estero). A livello commerciale, sono 150 i Paesi nel mondo che ogni giorno utilizzano prodotti, sistemi e servizi forniti da Leonardo. Quanto agli elicotteri, gli stabilimenti produttivi sono concentrati in Italia, Regno Unito, Polonia e Stati Uniti; agiscono in modo integrato e sono organizzati attorno a centri che supportano le linee di assemblaggio finali, situate a Vergiate, a Yeovil nel Regno Unito, a Świdnik in Polonia e a Filadelfia negli Stati Uniti. Alcuni elementi sono realizzati a Cascina Costa; altri, come i mozzi e le parti rotanti, vengono costruiti a Frosinone; le pale in composito ad Anagni e anche in Inghilterra; le cabine a Brindisi e a Świdnik. Un arsenale produttivo che nel tempo acquisterà una dimensione sempre più digitale. Una copia virtuale del sistema fisico permetterà una maggiore efficienza nel supporto alle operazioni e lo sviluppo di strategie diagnostiche per il miglioramento di attività di manutenzione e formazione, tra l’altro in larga parte già offerte e disponibili.
Leonardo Labs, ricerca & sviluppo per una crescita di lungo periodo
L’innovazione digitale ha bisogno di costanti aggiornamenti. Da qui la decisione, negli ultimi due anni, dell’apertura dei Leonardo Labs e il lancio del supercomputer davinci-1. I Labs sono gli incubatori di tecnologia destinati a supportare il gruppo nella ricerca di lungo periodo e nello sviluppo delle soluzioni più innovative legate al digital twin. Nascono dalla volontà non solo di essere la frontiera dell’innovazione, ma di anticiparla e migliorare così i prodotti e servizi offerti ai clienti, garantendo una prospettiva di crescita nel lungo periodo. Queste nuove strutture – alcune realizzate in collaborazione con partner industriali e centri di ricerca leader mondiali nei rispettivi ambiti di competenza – sorgono in prossimità dei principali siti industriali di Leonardo in Italia: a Torino, Genova, Roma, Pomigliano D’Arco, Grottaglie e a Cascina Costa, in provincia di Varese dove ha sede la Divisione Elicotteri, centro di eccellenza per la progettazione e produzione delle trasmissioni, per l’integrazione avionica e per le attività di volo sperimentali.
Terabyte di dati per creare digital twin di elicotteri e velivoli
La fase più avanzata nell’implementazione del digital twin riguarda il mondo degli elicotteri. «Stiamo definendo dei prodotti che usano data lake con terabyte di dati provenienti dai sensori per offrire servizi aggiuntivi che ottimizzano l’utilizzo delle flotte, dice Cavazzoni. La stessa cosa la stiamo iniziando a fare per i velivoli. Allo stesso tempo stiamo definendo tutta una serie di processi di certificazione degli algoritmi in modo tale che possano essere utilizzati in operatività real time. Per arrivare all’adozione su larga scala di queste tecnologie occorreranno ancora diversi anni. Non per un problema tecnologico, ma per esigenze di processo, di riorganizzazione del lavoro. Il tutto richiede l’innesto di nuove competenze che, spesso, non sono facilmente reperibili sul mercato del lavoro. Sicuramente, chi riuscirà a introdurre le nuove metodologie digital twin in una forma avanzata godrà di benefici in termini di competitività». Insomma, come più volte sottolineato da Profumo, le nuove infrastrutture del digitale, basate sulle tecnologie dell’Hpc, richiedono un grande investimento in termini di risorse e, soprattutto, competenze specializzate. «Il ciclo di obsolescenza delle tecnologie digitali è, in media, di poco più di cinque anni: non è più pensabile poter gestire l’innovazione con la velocità e con i metodi del ventesimo secolo, afferma l’ad di Leonardo. Oggi sono richieste figure professionali di alto profilo, capaci di un costante aggiornamento on the job e di adattarsi alle trasformazioni dell’industria digitale».
Digital twin come sistema di sistemi
Ma come viene interpretato in Leonardo? Come spiega Cavazzoni, il digital twin non è concepito come un programma monolitico. E’ un contenitore multicomponente e multiscala, con capacità di elaborare più funzioni associate alle singole componenti, o parti, di un elicottero o di un aereo. Possono essere i motori, l’ala, la cabina, il sottosistema elettrico o quello idraulico. Ciascuno di questi produce i suoi dati e ha la sua descrizione digitale che ne replica il funzionamento. Esiste quindi un master digital twin di un velivolo che unifica i dati di tutte le componenti e ne dà una rappresentazione completa. «Tutto questo rende necessaria una particolare funzione per descrivere lo stato interno del sistema e mantenere sincronizzate tutte le componenti, dice Cavazzoni. Il modello è tanto più accurato e corrispondente al reale tanto più alta è la capacità di calcolo e di storage. Da qui l’importanza di possedere un’infrastruttura come davinci-1».
Il futuro degli elicotteri è digitale
Digital twin e simulazione sono parte integrante della progettazione e manutenzione della famiglia di elicotteri di nuova generazione, best seller del gruppo, AW139, AW169, AW189, oltre all’AW109. Sono infatti dotati del sistema Hums (health usage monitoring system) che, grazie a sensori, registra lo stato dei componenti critici del mezzo. La diagnostica è realizzata memorizzando i dati su una scheda. Una volta a terra, questa viene scaricata, e ciò consente di selezionare i componenti che richiedono, più di altri, manutenzione. Il sistema permette di incrementare la sicurezza del volo, ma anche di far risparmiare tempo e soldi al cliente. Infatti, la manutenzione preventiva e predittiva è funzionale ad una allocazione mirata delle risorse. Il sistema di base raccoglie non solo i parametri di utilizzo come decolli, atterraggi, avviamenti del motore ma anche quelli relativi alla salute del motore e della trasmissione, e i dati provenienti da tutte le parti vibranti e rotanti più importanti. L’evoluzione di questa tecnologia prevede una trasmissione dei dati wireless, quando il mezzo è ancora in volo. In parte, su alcuni elicotteri, questa funzione è già operativa, e diventerà uno standard.
I programmi Future Rotorcraft Technologies e Future Aircraft Technologies
La Divisione Elicotteri, con il supporto dei Labs, è impegnata nello sviluppo di tecnologie e soluzioni basate sulla simulazione che interessano le piattaforme ad ala rotante di ultima generazione. L’obiettivo è migliorare la sicurezza e la flessibilità operativa. In particolare, a Cascina Costa vengono sviluppate soluzioni digital twin supportate dall’intelligenza artificiale per aumentare le performance dei sistemi di controllo e gestione del volo e per l’ottimizzazione dell’interazione pilota-velivolo. E’ il programma Future Rotorcraft Technologies cui si affianca, per la parte velivoli, Future Aircraft Technologies. che prevede lo sviluppo di soluzioni per l’assistenza avanzata al pilota in scenari operativi complessi. L’attività di simulazione è legata anche allo sviluppo di nuovi materiali. L’obiettivo è migliorare le proprietà meccaniche nelle applicazioni aeronautiche e ridurre i costi di produzione. Nei Labs vengono inoltre sviluppate attività di ricerca su materiali e strutture multifunzionali in grado di combinare caratteristiche meccaniche, funzionalità dei sistemi e proprietà fisico-chimiche specifiche. La digitalizzazione investe anche l’area elettronica e di sensorizzazione al fine di trasformare gli attuali sistemi di supporto alle decisioni in un processo realmente cognitivo che faccia leva sull’intelligenza artificiale.
Intelligenza artificiale per sistemi di supporto decisionale avanzato
In Leonardo, l’intelligenza artificiale associata al digital twin è oggi una tecnologia essenziale in molti domini e viene studiata per cogliere nuove opportunità da applicare a prodotti e servizi. In particolare, si ricercano nuovi modelli e tecniche di analisi per applicazioni di sicurezza utilizzando immagini, flussi video e audio. Un’attività che è strategica per sviluppare applicazioni di comando e controllo basate sulla fusione di dati di sensori con sistemi di supporto decisionale adattabili a vari contesti operativi. «In un mondo in cui un’enorme quantità di dati viene generata ogni giorno da ogni singolo dispositivo, da quello più semplice a quello più complesso, trattare i dati per analizzarli ed estrarre le informazioni reali è fondamentale, dice Cavazzoni. Quest’area di ricerca lavora in sinergia con il team dell’Hpc e del cloud per individuare nuovi metodi per l’estrazione e la visualizzazione delle informazioni».
Convergenza fisico-virtuale per un funzionamento ottimale
Il digital twin applicato ad elicotteri e velivoli è sviluppato tramite metodologie di simulazione numerica e algoritmi di machine learning che, elaborando i dati acquisiti, replicano il comportamento del sistema reale e permettono d’individuare o prevedere anomalie di funzionamento e di attuare strategie di correzione e ottimizzazione. Dotato di intelligenza artificiale, animato da un algoritmo, abilita una capacità diagnostica sul suo stato e sul suo funzionamento. «Il paradigma digital twin si fonda su due pilastri chiave, dice Cavazzoni. Uno è costituito dai dati real-time raccolti dal sistema – elicottero o velivolo – durante il suo funzionamento; l’altro è un modello virtuale, che può essere costruito con tecniche differenti (equazioni basate sulla fisica, modelli analitici) e con diversi livelli di dettaglio (modelli ridotti o multiscala). Sono le componenti che danno vita alla rappresentazione real-time del nostro prodotto».
Algoritmi di intelligenza artificiale e supercomputing
Come spiega Cavazzoni, «Un algoritmo è una funzione o un insieme di funzioni che serve a rappresentare un fenomeno nella sua complessità, costruito in modo tale da poter fare delle previsioni circa i comportamenti del fenomeno analizzato. Non è un modello finito, ma dinamico, che si sviluppa e si espande in funzione di una conoscenza supplementare acquisita nel contesto fisico di riferimento. La capacità cognitiva, derivata da tecniche di machine e deep learning, permette di fare previsioni sugli stati futuri del sistema. «E’ un qualcosa che è stato reso possibile negli ultimi dieci anni, prima non c’era sufficiente potenza di calcolo per addestrare modelli di intelligenza artificiale, racconta Cavazzoni. Oggi tutti quei dati che abilitano la rappresentazione di un elicottero possono essere portati in un’infrastruttura di supercomputing o in cloud. In sintesi, per realizzare il digital twin serve capacità di processamento di big data su infrastrutture Hpc, un software specifico e, soprattutto, competenze trasversali: dall’esperto del sistema reale (che può anche non avere alcuna esperienza di computer e software) all’ingegnere di processo e di progettazione, all’informatico per la scrittura del software e la gestione dei dati, al matematico o al fisico per i modelli, fino all’esperto di infrastrutture di calcolo».
La capacità predittiva per il business as a service
Il digital twin “avionico” di Leonardo è l’elemento che abilita modelli di business software as a service o product as a service. L’elicottero o il velivolo verranno progressivamente venduti insieme al modello virtuale che è stato usato per progettarli, con la possibilità di utilizzare i dati di funzionamento. Insomma, l’idea nata in progettazione si confronta con quello che si va a misurare sul campo. A quel punto c’è una fase di tuning e si può intervenire su una serie di caratteristiche parametriche. «Tuttavia, il digital twin non mi dirà mai che alle 5.30 del giorno tale un certo componente si romperà. Mi dirà che la probabilità inizierà a diventare significativa a partire da un certo periodo di tempo. Non solo, la capacità predittiva non si limita a scongiurare un guasto ma diventa l’elemento per fornire servizi aggiuntivi. Di logistica, per esempio: meno parti in magazzino, in un numero limitato o comunque coerente rispetto a quanto mi suggerisce il modello digitale. Ci stiamo attrezzando per andare in questa direzione, definendo algoritmi, metodi e programmi per sfruttare queste potenzialità».
La collaborazione per il nuovo progetto Tempest
Le competenze di Leonardo in tema di nuova digitalizzazione si estendono anche nel Regno Unito. Il gruppo è uno dei partner che collaborano con il Ministero della Difesa britannico per fornire le tecnologie e le conoscenze che consentiranno di sviluppare la sesta generazione del futuro velivolo da combattimento Tempest della Royal Air Force. Il progetto prevede che tutti gli elementi del sistema siano collegati da una rete intelligente, basata su un’architettura cloud dedicata (combat cloud), intelligenza artificiale e potenti datalink di nuova generazione. Compito di queste tecnologie è permettere di elaborare, analizzare e rendere disponibili in modo semplice e immediato enormi quantità di dati. Per la progettazione, innanzitutto, ricorrendo in misura rilevante a supercalcolo, simulazione e digital twin. Il programma abbraccia concetti di ingegneria digitale per accorciare i tempi di sviluppo. Il digital twin di Leonardo consentirà di ridurre drasticamente la quantità di tempo necessaria per concepire, sviluppare e produrre una nuova generazione di caccia a reazione. Uno degli obiettivi è rompere il ciclo di 40 anni in cui un aereo viene concepito, sviluppato e costruito. Il caccia di sesta generazione Tempest punta a un ciclo di sviluppo di 10-15 anni e a far volare il suo primo aereo entro il 2035. Un esempio di come l’utilizzo combinato di big data e di algoritmi dedicati, attraverso il digital twin, sia ormai strategico in tutte le fasi di progettazione di un prodotto per modificare eventuali anomalie, in maniera veloce e sicura, guidandone lo sviluppo passo dopo passo sulla base di parametri in continua evoluzione.
(Ripubblicazione dell’articolo del 13 gennaio 2022)
