Цифровой двойник города реферат

Обновлено: 02.07.2024

В 2018 году компания Gartner в своем ежегодном исследовании технологических циклов впервые назвала цифровые двойники в числе лидеров. С тех пор технология только набирает обороты. Разбираемся, как она устроена

Что такое цифровой двойник

Цифровой двойник — это цифровая (виртуальная) модель любых объектов, систем, процессов или людей. Она точно воспроизводит форму и действия оригинала и синхронизирована с ним.

Цифровой двойник нужен, чтобы смоделировать, что будет происходить с оригиналом в тех или иных условиях. Это помогает, во-первых, сэкономить время и средства (например, если речь идет о сложном и дорогостоящем оборудовании), а во-вторых — избежать вреда для людей и окружающей среды.

Физический продукт в реальном пространстве.
Виртуальный продукт в виртуальном пространстве.
Данные и информация, которые объединяют виртуальный и физический продукт.

Мощный толчок в развитии цифровых двойников произошел благодаря развитию искусственного интеллекта и интернета вещей. Согласно исследованию Gartner Hype Cycle, описывающему циклы зрелости технологий, это произошло в 2015 году. В 2016-м цифровые двойники и сами вошли в Gartner Hype Cycle, а к 2018 году оказались на пике.

Какими бывают цифровые двойники

прототип (DTP) — представляет собой виртуальный аналог реального объекта, который содержит все данные для производства оригинала;
экземпляр (DTI) — содержит данные обо всех характеристиках и эксплуатации физического объекта, включая трехмерную модель, и действует параллельно с оригиналом;
агрегированный двойник (DTA) — вычислительная система из цифровых двойников и реальных объектов, которыми можно управлять из единого центра и обмениваться данными внутри.

Оптимальной погрешностью между работой цифрового двойника и его физического прототипа считают 5%.

Какие задачи решают цифровые двойники

Провести тестовый запуск процесса или производственной цепочки быстро и без существенных вложений.
Обнаружить проблему или уязвимость до того, как будет запущено производство или объект поступит в эксплуатацию.
Повысить эффективность процессов или систем, отследив все сбои еще до старта.
Снизить риски — в том числе финансовые, а также связанные с безопасностью для жизни и здоровья персонала.
Повысить конкурентоспособность и прибыльность бизнеса.
Строить долгосрочные прогнозы и планировать развитие компании или продукта на годы вперед.
Повысить лояльность клиентов за счет точного прогнозирования спроса и потребительских качеств продукта.

Анастасия Пердеро, менеджер проекта Internet of Energy Центра энергетики Московской школы управления Сколково:

Где применяют цифровых двойников

Добыча и переработка полезных ископаемых

Цифровые двойники помогают снизить риски при добыче и переработке нефти и газа. Это позволяет сохранить жизни сотрудников и избежать ущерба для окружающей среды, а также сэкономить огромные суммы.

На одном из европейских нефтеперерабатывающих предприятий система предикативной (прогнозной) аналитики Schneider Electric позволила предсказать сбой большого компрессора за 25 дней до того, как он случился. Это сэкономило компании несколько миллионов долларов.

Технология цифровых двойников позволяет создавать отдельные детали и воспроизводить целые производственные цепочки, проводя виртуальные испытания и предупреждая сбои в работе оборудования.

Корпорация Siemens использует цифровых двойников для разработки двигателей, систем коммуникаций и даже скоростных поездов

Цифровые двойники применяют, чтобы оптимизировать работу электростанций, избежать сбоев в подаче электричества и рационально подойти к энергопотреблению.

Благодаря цифровым двойникам компания GE сэкономила более $1,5 млрд для своих потребителей.

Можно смоделировать как отдельное устройство или сервис, так и целую сеть, рассчитав предельные нагрузки и продумав защиту от киберугроз.

С помощью цифровых двойников можно построить модель будущего здания или целого квартала и спрогнозировать, как оно впишется в среду, выдержит климатические условия и нагрузки на несущие конструкции.

Виртуальные 3D-модели предметов интерьера или декора помогают представить, как будет выглядеть объект, нужно ли что-то изменить в его форме, цвете и деталях.

Цифровые двойники позволяют спрогнозировать загрузку торговых залов, перемещение клиентов и сотрудников, оптимальный уровень освещенности и температуру.

С помощью цифровых двойников можно оптимизировать маршруты транспорта, работу технических служб и пассажиропотоки.

Виртуальная система обработки багажа для крупного аэропорта позволила заранее просчитать, что понадобится дополнительная линия транспортировки для перераспределения потоков при внештатных ситуациях.

Цифровые модели помогают изучить физические объекты и процессы в виртуальной среде, часто — с использованием виртуальной, дополненной и смешанной реальности.

С помощью цифровых двойников разрабатывают, тестируют и запускают космические корабли и целые программы.

Цифровые двойники пациентов помогают сканировать жизненные показатели в режиме онлайн, подбирать наиболее эффективное лечение и проводить операции.

Можно отработать тактику командной игры или провести индивидуальную тренировку на цифровом двойнике.

Существуют цифровые двойники целых городов — например, Сингапура или российского Кронштадта. На них отслеживают транспортные потоки, работу коммуникаций, застройку, экологическую обстановку и энергопотребление, чтобы вовремя вносить важные изменения.

Благодаря цифровым двойникам можно просчитать климатические условия и урожай, сделав земледелие более эффективным.

Как выглядит процесс создания цифрового двойника

Двойники можно создавать разными способами:

графическая 3D-модель;
модель на базе интернета вещей;
интегрированные математические модели — такие как CAE-системы (Computer-aided engineering, решения для инженерного анализа, расчетов и симуляций) для инженерных расчетов;
различные технологии визуализации — включая голограммы, AR и VR.

Этапы создания двойника выглядят следующим образом.

Исследование объекта

Этот этап предшествует разработке только в том случае, если у цифрового двойника есть реальный прототип — например, работающее предприятие или система коммуникаций. Тогда разработчики составляют детальную карту прототипа, воспроизводят все процессы и характеристики. При этом важно изучить объект в разных условиях.

Моделирование цифровой копии объекта

Этот этап может быть первым, если реального прототипа еще нет и создание цифрового двойника ему предшествует. Например, в строительстве или дизайне, когда вначале создается цифровая 3D-модель, а уже потом — оригинал здания или другого объекта.

Для построения комплексной модели используются математические методы вычисления и анализа:

FMEA-модели (Failure Mode and Effects Analysis, анализ видов и последствий отказов) необходимы для анализа надежности систем и выявления наиболее критических шагов производственных процессов.
CAD-модели (computer-aided design/drafting, средства автоматизированного проектирования) используются, чтобы рассчитать внешние характеристики и структуру объектов, материалов и процессов.

Воплощение модели

Затем рассчитанную ранее архитектуру цифрового двойника переносят на специальные платформы — такие как Siemens или Dassault Systemes. Они объединяют математические модели, данные и интерфейс для управления цифровым двойником, превращая его в динамическую систему. Этот этап можно сравнить с трансформацией программного кода в программу или приложение с визуальным интерфейсом, который понятен любому пользователю.

Тестирование основных процессов работы на цифровом двойнике

Главная цель этого этапа — спрогнозировать, как будет вести себя объект или система в обычном режиме и при внештатных ситуациях, чтобы избежать поломок и перегрузки после запуска. Для этого к процессу подключают технических аналитиков, которые собирают большой массив данных в ходе испытаний, чтобы просчитать алгоритмы для любых возможных условий и ситуаций.

Запуск и наладка

Если предыдущий этап провели корректно, в процессе работы реального прототипа можно избежать до 90% сбоев и поломок. Однако часть ситуаций все же не удается спрогнозировать, и тогда их отслеживают уже на этапе запуска и наладки цифрового двойника.

Корректировка и развитие оригинального объекта или системы

Далее инженеры продолжают работать с цифровым двойником как с реальным физическим объектом до тех пор, пока не будут отлажены все системы и процессы. По результатам этой работы в оригинальный объект вносят изменения, чтобы добиться его максимальной эффективности.

Перспективы цифровых двойников

По данным Gartner, 12% компаний, которые используют интернет вещей, также применяют и цифровые двойники, а 62% планируют это сделать. GE Digital в 2019 году называла цифру в 1,2 млн цифровых двойников в мире. По другим прогнозам, в ближайшие пару лет рынок цифровых двойников достигнет $16 млрд.

В промышленности технология уже сегодня помогает повысить эффективность минимум на 10%, а в нефтяной отрасли — сэкономить от 5% до 20% капитальных вложений. В ближайшие годы крупные компании перейдут к дистанционному мониторингу и управлению целыми производствами и всеми подразделениями через виртуальные системы.

То же самое произойдет и с городами: они обзаведутся цифровыми двойниками, объединяющими все важнейшие системы, районы и объекты городской инфраструктуры. Онлайн-мониторинг будет осуществляться при помощи IoT-датчиков, сканеров и дронов с машинным обучением, а сами виртуальные системы будут размещены в облаке. При этом доступ к двойникам будет и у федеральных властей. Это позволит, в частности, экстренно реагировать на чрезвычайные ситуации и предотвращать их даже в самых отдаленных регионах.

Цифровых двойников можно будет использовать и в повседневной жизни: например, чтобы следить за жизненными показателями или улучшить работу какого-либо устройства. С помощью интернета вещей мы сможем объединить все коммуникации и технику в доме в единую систему и управлять ими с помощью цифрового двойника дома.

Происхождение

Пять китов городской цифровизации

Проект направлен на повышение конкурентоспособности российских городов, формирование эффективной системы управления городским хозяйством, создание безопасных и комфортных условий для жизни горожан и базируется на 5 ключевых принципах:

Основной инструмент реализации этих принципов - широкое внедрение передовых цифровых и инженерных решений в городской и коммунальной инфраструктуре.

Для чего и где нужны цифровые двойники

Эксперты говорят, что в ближайшие годы многие города мира могут столкнуться с огромным недополучением дохода. Например, за два будущих года города США могут недополучить примерно 360 миллиардов долларов. И этот дефицит потребует реализации инфраструктурных проектов иным, более эффективным образом. Сокращение расходов только повышает важность принятия обоснованных решений. А значит первая область применения - городские финансы.

Далее, все современные города стоят перед конфликтом интересов между строительной отраслью, перспективами развития города и интересами самих жителей. Именно полная цифровизация объектов недвижимости, нового строительства и всех коммунальных сетей поможет гармонизировать взаимоотношения конфликтующих сторон.

В самом строительстве цифровые двойники продолжают собой концепцию, основанную на применении BIM-технологии (Building Information Modeling), предполагающем создание информационной модели будущего сооружения. Однако они не позволяют учитывать изменения, произошедшие в процессе строительства и эксплуатации объекта и очень слабы в прогнозировании будущей эксплуатации объекта. И здесь на смену BIM приходят технологии цифровых двойников, которые могут решить все эти задачи. Также цифровые дневники городов начинают активно вмешиваться в сферы здравоохранения, строительство и эксплуатацию дорог.

Из крупных российских городов далее всего в направлении создания цифровых двойников продвинулись Санкт-Петербург, Владивосток, Екатеринбург, Казань, Калуга, Челябинск. В Белгороде создание ЗD-модели города Белгорода начнется с оцифровки вновь строящихся коммуникаций, постепенно в моделирование будут вовлекаться уже имеющиеся сведения о городской среде, хранящиеся пока что в бумажном виде. Однако, и города с населением до 100 тыс. жителей тоже с интересом приглядываются к опыту своих старших братьев.

Умная среда: инструкция по применению

Цифровые близнецы – новый уровень развития умных городов

Что такое цифровой двойник?

Как создать цифрового близнеца?

Первой компанией, которая разработала промышленное приложение для концепции цифровых двойников, стала американская корпорация General Electric, которая использовала ее для анализа и повышения эффективности своих ветровых турбин и авиационных двигателей. На сегодняшний день компания создала уже более полумиллиона цифровых двойников для широкого спектра продуктов, процессов и систем.

Национальное управление США по космосу (NASA) каждое новое оборудование тестирует вначале в виртуальной среде. Устройства не производятся физически до тех пор, пока их цифровые двойники не станут удовлетворять всем требуемым характеристикам.

Цифровой двойник города

Созданный цифровой двойник города позволяет отрабатывать на нем новые сценарии развития, изучать последствия тех или иных решений, моделировать различные нестандартные ситуации. Цифровой близнец объединяет множество разнотипных данных – от фото и видео информации, поступающих с датчиков, до текстовых документов.

И для индийского Джайпура создается цифровой двойник

Компания Dassault Systemes является одним из ведущих мировых разработчиков цифровых решений для двойного использования, а их платформа 3DEXPERIENCITY уже используется для создания цифровых близнецов Сингапура, Ренна и Джайпура. Платформа может использоваться для проектов различного размера, начиная от университетского городка и заканчивая огромным городом.

Интерактивные 3D-модели, лежащие в основе технологии цифрового двойника, позволяют реально просчитать и увидеть последствия от строительства нового небоскреба или прокладки дополнительной дороги. Цифровой близнец города позволяет гражданам обмениваться информацией с чиновниками и наоборот.

Цифровая технология близнецов – это следующий шаг в развитии умных городов. Она позволяет городам контролировать, анализировать и оптимизировать работу своих различных систем и помогает им принимать более правильные решения о будущих разработках. Такие города, как Сингапур, Ренн и Джайпур, стали одними из первых, кто получил своих собственных двойников, но в ближайшем будущем другие города последуют за ними.

Цифровые близнецы – новый уровень развития умных городов

Статья была вам интересна? Мы старались для вас! Пожалуйста, поддержите нас репостом в соцсетях или обсудите материал на любимом форуме. Это очень поможет проекту. Спасибо!

В простейшем случае цифровой двойник (Digital twin) — это виртуальная копия физического продукта, процесса или системы. Он действует как мост между физическим и виртуальным мирами, используя датчики для сбора данных в реальном времени о физическом объекте. На основании этих данных выполняется создание цифровых двойников, что позволяет его понимать, анализировать, манипулировать или оптимизировать.

Классификация цифровых двойников

Несмотря на то, что технология цифровых двойников существует уже несколько десятилетий, только после быстрого роста интернета вещей они стали рассматриваться как инструмент будущего. Они привлекают внимание, потому что объединяют такие вещи, как искусственный интеллект (AI) и машинное обучение (ML). Это позволяет тестировать новые идеи, выявлять проблемы, прежде чем они произойдут, получать новые ответы на новые вопросы, а также контролировать объекты удаленно. Управление данными

Виртуальные модели традиционно применялись для улучшения характеристик отдельных изделий, таких как ветряные турбины или реактивные двигатели. Однако в последние годы они стали более изощренными. Теперь они исследуют не один объект, а скорее системы или даже целые организации. По мере того, как они объединяют все больше вещей, их способность помогать решать сложные задачи также возрастает.

Прототипы (Digital Twin Prototype, DTP)

Цифровой двойник прототип (DTP) — это прототип физического объекта. Он содержит данные, необходимые для описания и создания изделия. Прототипы, в зависимости от ситуации, могут содержать информацию, касающуюся физических атрибутов, свойств, рабочих параметров, ведомости материалов, номеров деталей, а также многого другого.

Виртуальный прототип не относится к конкретному экземпляру объекта. Это скорее рецепт для создания объекта.

Прототип- аккумулятор

Экземпляры (Digital Twin Instance, DTI)

Цифровой экземпляр (DTI) — это двойник физического объекта. DTI остается связанным с объектом в течение его жизненного цикла. Виртуальный экземпляр, как правило, содержит данные, относящиеся к условиям эксплуатации, истории, прогнозируемому состоянию объекта и другие. Он может содержать список номеров деталей, которые были использованы для производства данного конкретного изделия, а также все этапы, которые были выполнены при производстве данного актива.

Виртуальный экземпляр начинается с базовой информации, заложенной в его прототипе, в течение жизненного цикла он обогащается эксплуатационными данными.

Экземпляр — цифровая подстанция

Агрегированные двойники (Digital Twin Aggregate, DTA)

Digital Twin Aggregate (DTA) — это совокупность многих виртуальных экземпляров. Они могут располагаться на одном объекте (например, 100 двигателей на одном заводе) или распределяться между объектами (например, 100 двигателей на 25 заводах).

Агрегированные двойники создаются, чтобы исследовать групповое поведение объектов. Ведь групповое поведение не является суммой индивидуального поведения каждого изделия.

В будущем агрегированные двойники помогут открывать новые, неожиданные идеи. Агрегированный двойник

Сферы применения цифровых двойников

Цифровой двойник города

Город — это не только физическое пространство, но и социальная единица. Он является продуктом непрерывного взаимодействия между физическим и социальным миром. С появлением цифрового мира, город эволюционирует от взаимодействия этих миров до создания цифрового города.

Функции Google Maps для просмотра улиц и 3D-зданий можно рассматривать как отправную точку в создании цифрового двойника города. Но спрос растет не только на трехмерное изображение городов.

Виртуальный аналог — это умная трехмерная модель города, которая точно представляет улицы, здания, общественные места, а также другие объекты физического города. Многие цифровые элементы обновляются в режиме реального времени, например, движение людей или транспортных средств.

Электронный дубликат также может в режиме реального времени отслеживать потребление электроэнергии и расход воды. Кроме этого он может выполнять работы по техническому обслуживанию или отслеживать расположение аварийных служб для лучшего реагирования на чрезвычайные ситуации. Виртуальный аналог города

Виртуальная модель города позволит органам городской администрации моделировать любые планы по улучшению, прежде чем физически их реализовывать, проверяя потенциальные проблемы до их появления. С его помощью можно спланировать и проанализировать такие архитектурные аспекты: экологически чистое жилье, антенны беспроводных сетей, солнечные батареи, общественный транспорт, а также многое другое.

Датчики уже установлены во многих городах. Они генерируют аналитические данные, относящиеся к условиям окружающей среды, а также могут объединиться, чтобы создать основу виртуальной модели целого города.

Цифровой двойник предприятия

В электронном дубликате предприятия интегрированы процессы по вертикали во всей организации, от разработки продуктов и закупок до производства, логистики и обслуживания. Все данные о процессах, их эффективности и управлении качеством, а также о планировании операций доступны в режиме реального времени.

Горизонтальная интеграция выходит за пределы внутренних операций от поставщиков до клиентов и всей цепочки создания стоимости. Двойник предприятия включает в себя технологии от устройств отслеживания и трассировки до планирования.

Но речь идет не только о технологиях: изменение бизнес-процессов и корпоративной культуры так же требуется для успеха этих инициатив. Проекты цифровой трансформации часто позволяют крупным и устоявшимся организациям конкурировать с более проворными конкурентами, работающими только в области информационных технологий. Виртуальный аналог предприятия

Согласно недавнему опросу, проведенному Грантом Торнтоном, более двух третей (69 процентов) финансовых директоров и старших финансовых директоров планируют увеличить свои инвестиции в технологии. А четверо из десяти заявили, что планируют увеличение вложений более чем на 10 процентов в течение следующих 12 месяцев. Почти половина респондентов заявили, что инвестиции их компаний в цифровую трансформацию призваны помочь им преодолеть конкуренцию путем дифференциации.

Цифровой двойник изделия

Цифровой двойник изделия — это очень сложная виртуальная модель, которая является точным аналогом (или близнецом) физической вещи. Изделием может быть автомобиль, туннель, мост или даже реактивный двигатель. Датчики на физическом объекте собирают данные, которые могут быть сопоставлены с виртуальной моделью.

Виртуальный аналог является жизненно важным инструментом, помогающим инженерам понять не только то, как работают изделия, но и как они будут работать в будущем. Анализ данных с подключенных датчиков в сочетании с другими источниками информации позволяет делать такие прогнозы.

Виртуальные модели дают производителям представление о том, как работают их продукты. Электронный дубликат нужен, чтобы выявить потенциальные неисправности, устранить неисправности издалека и, в конечном итоге, повысить степень удовлетворенности клиентов. Электронный дубликат изделия

Есть и другие положительные моменты. Одна из основных — это то, цифровые двойники предоставляют инженерам детальное, сложное представление о физическом объекте, который может находиться далеко. С двойником не нужно, чтобы инженер и объект находились в одной комнате или даже в одной стране.

Digital twin уже помогают организациям предупреждать сбои в работе, понимая изменяющиеся предпочтения клиентов, их настройки и опыт. Это означает, что предприятия могут доставлять продукты быстрее, с более высоким качеством, от компонентов до конечных потребителей.

Будущее концепции цифрового двойника

Города скоро будут иметь свой собственный парк беспилотников с возможностями сканирования для создания виртуальных моделей своих сообществ. С улучшением сканеров и датчиков начнут появляться все более функциональные цифровые двойники улиц и кварталов. Поначалу тысячи дронов могут показаться раздражающими, но появление новых предприятий, рабочих мест, информации, анализа данных и доходов быстро превратит скептиков в сторонников отрасли.

Для городов цифровые двойники будут включать в себя каждую линию электропередачи, подстанции, канализации, водопроводы, системы аварийных служб. Кроме этого, они будут включать в себя сети Wi-Fi, автомагистрали, системы безопасности, сети управления движением и многое другое.

В будущем будет возможно создать цифровую модель человека. У нас уже есть несколько инструментов, которые могут создать цифровую карту нашего тела. Например, 3D лазерные сканеры, рентгенография, МРТ и многое другое. Некоторые элементы 3-D моделирования человеческого организма уже реализуются

Когда будет создана модель человека, можно будет увидеть полное цифровое изображение себя, которое можно вращать вокруг, увеличивать для крупных планов. Кроме этого, можно будет наблюдать, как кровь течет по венам и артериям, мышцы сгибаются, наблюдать за сердцебиением. Система с повышением уровня детализации возможна для каждой железы, фолликула, жировой ткани, органа и вкусового рецептора.

Сейчас мы наблюдаем, как создается цифровая инфраструктура, которая будет включать в себя все существующие объекты.

Читайте также: