Интеграция передовых технологий для создания цифровых двойников – Часть 2

В первой части мы рассказали о том, что такое цифровые двойники и как происходит взаимодействие беспилотных технологий и технологии цифровых двойников. Теперь поговорим о практическом применении этих технологий, включая российскую практику, а также рассмотрим интеграцию цифровых технологий, беспилотных технологий, BIM и дополненной реальности на примере строительной отрасли.

Цифровые двойники и беспилотники: где уже применяется эта связка технологий?

Технология цифровых двойников в последние годы используется в самых разных отраслях деятельности. Но поскольку мы говорим о тех DT-примерах, где в сборе данных участвуют беспилотники, то укажем на несколько наиболее примечательных кейсов. 

Цифровых двойников можно использовать в различных отраслях, таких как добыча полезных ископаемых, строительство и инфраструктура, энергетика, транспорт и логистика, урбанистика, сельское хозяйство и общественная безопасность. Они могут быть особенно полезны для предоставления информации о труднодоступных производственных активах, таких как морские ветряные турбины, канализационные линии, промышленные объекты и атомные станции.

Рассмотрим несколько отраслей, где и для чего могут использоваться цифровые двойники 

Полезные ископаемые: добыча и переработка

И за рубежом, и в России сегодня этот сектор промышленности входит в число лидеров по применению передовых технологий, как бы странно это для кого-то ни звучало. Именно в горнодобывающей отрасли и нефтегазе стали активно внедрять беспилотные технологии и использовать их помимо всего прочего для создания цифровых двойников. Эти технологии помогают существенным образом снизить риски для персонала, сократить расходы на мониторинг и профилактику оборудования и снизить риски для окружающей среды. В итоге же, нововведения приводят к существенной экономии бюджетов компаний и повышению их конкурентоспособности на рынке.   

Крупное производство

Здесь существует несколько направлений для внедрения технологии цифровых двойников: 

• создание цифровых копий производственных зданий и промышленной инфраструктуры;
• создание цифровых копий прототипов продукции, особенно сложного оборудования и станков. 

В рамках нашей темы наибольший интерес представляет первое направление, так как здесь открываются широкие перспективы для применения беспилотников. Впрочем, имеются примеры применения БПЛА и в рамках второго направления. Например, если речь идет о созданий цифровых моделей крупных образцов продукции вроде пассажирских самолетов и даже космических кораблей. 

Энергетика

Энергетика наряду с ТЭК стала одной из тех отраслей, где технология цифровых двойников получила наиболее быстрое признание. При этом цифровые двойники служат здесь для самых разных целей: проектировании объектов энергетики (включая АЭС), мониторинга зданий и инженерных коммуникаций, оптимизации работы энергетических объектов, снижении рисков при эксплуатации и исключения сбоев электроснабжения и других задач.

Сегодня энергетический сектор принял разнообразные формы: традиционные станции на угле и мазуте, гидроэлектростанции (крупные и малые), атомные станции, солнечные электростанции и ветряные станции. Помимо собственно объектов генерации также эту систему попадают трубопроводы, линии электропередач, заводы по переработке нефти и газа и многие другие объекты. Компании и муниципалитеты обязаны выполнять регулярное обслуживание производственных активов, планировать и проектировать новые объекты. Все это требует огромных затрат времени, человеческих и финансовых ресурсов. 

Использование цифровых двойников, как показывает практика зарубежных и российских компаний, позволяет существенно экономить средства. Ведь в результате создания виртуальных макетов у компании появляется цифровой доступ ко всем активам компании. И это позволяет выполнять регулярные проверки, анализ, мониторинг и сравнение изменений во времени без необходимости выезда специалистов на место. 

Строительство и инфраструктура

Одним из наиболее ярких примеров успешного применения технологии цифровых двойников является сфера строительства и сектор инфраструктуры. Здесь специалисты могут включать в решения такие объекты, как жилые, коммерческие, производственные и иные здания, авто- и железные дороги, мосты, плотины, водные магистрали и многое другое. 

Например, пользователи могут создать при помощи цифровых двойников макет будущего здания, целого района и инфраструктуру, чтобы “увидеть”, насколько эти объекты вписываются в ландшафт и окружающую среду, как они поведут себя в определенных ситуациях (ураган, наводнение или другие природные бедствия), выявить недостатки и уязвимости модели и таким образом спрогнозировать будущее конструкции. 

В сфере инфраструктуры цифровые двойники уже сегодня применяются не только для мониторинга и проектирования объектов, но и для создания целой системы автоматизированного управления объектами из единого центра. Этим занимаются не только частные, но и государственные организации, повышая безопасность и эффективность управления и эксплуатации критически важными для функционирования поселений инфраструктурными объектами. 

Урбанистика

К сфере строительства и инфраструктуры тесно примыкает еще одно важное направление, где себя хорошо показали цифровые двойники. Сегодня уже существуют примеры цифровых моделей городов вроде Сингапура или Кронштадта. Но этим данное направление не исчерпывается. Появились новые профессии и научные направления, связанные с созданием цифровых двойников населенных пунктов. Это не только отражение процесса цифровизации общества и экономики, но и рациональное понимание необходимости подобных технологий для эффективного функционирования всех компонентов современного города, повышение комфорта и безопасности жителей любого населенного пункта. 

Транспорт и логистика

В области транспорта и логистики также уже имеются примеры применения цифровых двойников. Новая технология помогает выстраивать оптимальные маршруты для общественного и коммерческого транспорта, повышает эффективность работы различных специализированных служб, оптимизирует потоки пассажиров. И это далеко не все, что может вам дать в данной области технология виртуальных моделей.

Сельское хозяйство

В какой-то степени данное направление может показаться необычным, ведь до сих пор у обычного человека сельское хозяйство ассоциируется с консерватизмом и отсталостью. Однако это далеко не так. Процессы цифровизации и внедрения передовых технологий давно затронули многие, в том числе отечественные, аграрные хозяйства. Конечно, новые технологии чаще применяют крупные агрохолдинги, так как у обычного фермера средств на подобные вещи практически нет. Тем не менее, процессы активно идут, и сегодня с помощью цифровых двойников удается прогнозировать урожай, климатические изменения и повышать эффективность хозяйства. 

Зарубежные и отечественные примеры применения цифровых двойников

Зарубежные и российские компании, а также государственные организации все активнее внедряют технологию цифровых двойников в свои производственные и управленческие процессы. Практических примеров из разных отраслей уже довольно много. Зарубежные, в первую очередь западные, компании стали первыми применять данную технологию. Здесь же появились и первые программные экосистемы вроде Bentley (которая сегодня используется и в России), ArcGIS и другие. 

Одними из первых на Западе цифровых двойников стали использовать транспортные организации и компани. Так в Нидерландах аэропорт Схипхол (Амстердам) применил новую технологию для создания динамичной виртуальной модели помещений аэропорта. При этом использовались потоки данных в реальном времени с информацией о местоположении самолетов и наземного транспорта. 

В Великобритании железнодорожная компания Network Rail с помощью технологии цифровых двойников создала виртуальную модель станции Паддингтон с реалистичным отображением всех деталей, включая указатели и системы сигнализации. Этот опыт позволил наметить план оцифровки всех подобных объектов в зоне ответственности компании для более эффективного и безопасного управления.   

Как уже говорилось в первой части статьи, одной из первых организаций, внедривших цифровые модели в свою деятельность стала НАСА. И тем самым была проложена дорога для других организаций и компаний аэрокосмической отрасли. В большей части это касалось проектирования летательных аппаратов. Но где же здесь место дронам? Оно нашлось. 

В США и Западной Европе беспилотники стали использовать для обслуживания гражданских лайнеров, чтобы сократить сроки ремонта и технического обслуживания, а также снизить расходы на процедуру ТО. И в начале БПЛА служили больше для мониторинга и осмотра самолетов в труднодоступных для рабочих местах. Однако вскоре в процедуру технического обслуживания был внесен новый элемент – создание цифрового двойника реального самолета и его отдельных компонентов: двигателей, шасси и др.

Цифровые двойники позволили авиакомпаниям сократить расходы на техническое обслуживание примерно на 30%, повысив надежность и безопасность полетов, снизив риск отмены рейсов по техническим причинам. А это в целом способствовало росту эффективности и конкурентоспособности компаний, снижению общих издержек, более рациональной и долгосрочной эксплуатации воздушных судов. 

В России применение цифровых двойников в производстве, строительстве, городском планировании и других отраслях началось несколько позднее. Тем не менее, после 2018 года процесс этот ускорился, в том числе в рамках активно продвигаемой государством концепции цифровой экономики. Так, пандемия ускорила процесс создания цифрового двойника медицинской организации, чтобы в итоге получить представление обо всех медицинских учреждениях РФ со всеми деталями. 

В сфере производства отечественными лидерами в создании цифровых двойников стали “Ростех”, “Росатом”, а также компании нефтегазового сектора. Например, атомщики стали широко использовать концепцию цифровых двойников не только для создания оборудования АЭС, но и проектировать сами станции, чтобы снизить риски строительства и эксплуатации столь сложных и опасных объектов, а также спрогнозировать будущие условия функционирования новых АЭС.

Нефтегазовые компании давно используют беспилотные технологии в своей деятельности, о чем мы уже неоднократно рассказывали. Но появление концепции цифровых двойников позволило им интегрировать новые технологии в свои бизнес-процессы и получить от этого не только материальную выгоду. 

В Москве с 2020 года технология цифровых двойников стала активно применяться в строительстве. Здесь, в частности, в декабре 2020 года стартовал совместный проект московских властей и университета МИСиС по созданию виртуальных двойников сотрудников. Это одни из примеров реализации технологии без применения беспилотников, однако имеются примеры другого рода. 

Например, в том же 2020 году, в Санкт-Петербурге началось формирование цифрового двойника Северной столицы. Между тем, годом ранее компания МегаФон и власти Санкт-Петербурга реализовали другой проект подобного рода – цифровой двойник Кронштадта. Для создания трехмерной модели знаменитой морской крепости и городского поселения использовали 3 беспилотника с камерами. Летательные аппараты за 9 часов облетели всю территорию и выполнили съемку, на основе которой был получен нужный результат. 

Кронштадт и Санкт-Петербург стали первыми российскими пилотными проектами цифровых моделей городов. Создавали их не для демонстрации любопытствующим (модель Кронштадта была показана на ПМЭФ 2019), а для развития городских территорий. Цифровые модели призваны улучшить качество управления городами и их инфраструктурой. С их помощью также планируется подключить граждан к процедуре голосования за будущие строительные проекты.  

Этот пример далеко не единственный. К процессу цифровизации городов подключили другие регионы России. В частности, в июне 2020 года руководство Кемеровской области сообщило о том, что в 2021 году специалисты создадут виртуальные макеты всех крупных городских поселений области, а это примерно два десятка муниципалитетов. 

Помимо урбанистики цифровизация в виде создания двойников реальных объектов активно проникает в отечественное производство. Планируется, что к 2024 году 250 предприятий будут использовать технологию цифровых двойников. Это стало частью программы “Технет 4.0”. Проект касается других направлений применения технологии цифровых двойников, однако это тоже весьма показательный пример и часть амбициозного плана создания “фабрик будущего”. 

Цифровые двойники и BIM

В популярной литературе нередко можно встретить путанцу в отношении цифровых двойников и технологии BIM. Да, BIM тоже играют важную роль в создании цифровых моделей и даже считаются фундаментальной частью всего процесса создания цифрового двойника в области строительства и инфраструктуры. Тем не менее, цифровой двойник и BIM – понятия разные. 

Что такое BIM и для чего это нужно?

Давайте так же, как и с цифровыми двойниками, определимся, что такое BIM и затем обсудим их роль в цифровизации объектов. 

Информационное моделирование зданий (Building Information Modeling), или сокращенно BIM, предоставляет способ доступа к подробной информации о зданиях и объектах инфраструктуры. Технология служит для создания 3D-моделей. Эти модели включают данные о функциональных и физических характеристиках объекта. 

За все время своего существования BIM-технология довольно быстро превратилась в ценнейший инструмент прогнозирования, мониторинга и управления объектами. При правильном подходе созданные на основе BIM-технологий трехмерные модели с большим количеством ценной информации и высоким уровнем детализированности помогают специалистам не только отработать процесс визуального мониторинга и контроля, но и значительно улучшают взаимодействие подрядчиков, инженеров и владельцев за счет более полной картины вокруг и внутри объекта.

Многое показывает, что в основе BIM-технологий и технологии цифровых двойников лежат общие принципы, а сами цифровые двойники представляют собой своеобразную эволюцию BIM. Это позволяет получателям информации получать объективную информацию в реальном режиме времени, углублять свои познания об объекте и использовать это для сотрудничества со специалистами смежных отраслей или просто заинтересованными лицами. Видение объекта во времени улучшает не только понимание того, в каком состоянии он находился или находится, но и облегчает прогнозирование. Жизненно важным обстоятельством также является возможность вносить улучшения и адаптировать проекты для получения лучших результатов за счет мониторинга в реальном режиме времени. Именно тогда в игру вступают цифровые модели.

Одно из основных отличий технологии BIM от цифровых двойников заключается в том, что обычно первая методология используется на этапах проектирования и строительства для создания статических моделей объекта. Это не позволяет наблюдать за ним в динамике, что крайне важно во многих, если не во всех, случаях. 

В отличие от BIM цифровые двойники, особенно создаваемые с помощью беспилотников, помогают не просто увидеть здание в реальности, но и следить за тем, как оно функционирует на различных этапах своего существования и в различных условиях окружающей среды, то есть, по сути, на всем этапе жизненного цикла. 

Это крайне ценная информация дополняет то, что получено в результате BIM-технологий, и позволяет делать выводы не только в отношении конкретного объекта, но и даже целой группы и/или класса однородных объектов.

BIM-технологии и беспилотники

Опытные специалисты, хорошо знакомые с BIM, уже знаю, что в области строительства самых различных зданий и сооружений часто используют интеграцию BIM с беспилотными технологиями, хотя функции у них вроде бы разные. На самом деле именно дроны сегодня все чаще применяют на этапе создания фотоснимков, видеосъемки или лазерного сканирования рабочего участка и объектов. 

После анализа изображений с дронов и сканированных изображений строительной площадки технология BIM позволяет команде проекта еще лучше понять масштаб и контекст проекта. Дроны, по сути, играют роль поставщиков данных для программного обеспечения BIM, предоставляя ПО информацию о существующих условиях на самой площадке и вокруг нее, чтобы гарантировать, что цифровая 3D-модель, созданная с помощью программного обеспечения BIM, является максимально точной.

Для архитекторов, строителей и всех заинтересованных лиц BIM-технология важна, так как помогает решить целый ряд задач: от интеграции нового объекта в контекстную среду до прогнозирования различных аспектов эксплуатации. Дроны и соответствующее программное обеспечение позволяют эффективно интегрировать все компоненты в бизнес-процесс.  

В этом ключе важную роль играет не только инструмент для сбора информации – в данном случае беспилотник, – но и возможность своевременной обработки и анализа полученной информации. В последние годы к этому также добавились новые возможности программного характера. Речь идет о возможности координации работы команд с помощью специальных программных платформ (у DJI это, например, FlightHub), использования облачных сервисов, искусственного интеллекта, машинного обучения и интеграции с технологиями виртуальной и дополненной реальности (VR и AR). 

BIM-технологии в российской практике

В российской практике новые технологии стали применяться позднее, чем на Западе. Тем не менее, ряд обстоятельств, включая решения правительства в области стандартов строительства ускорили внедрение BIM-технологий и других новых методик в производство и строительство. 

Например, с июля 2019 года российские застройщики перешли на проектное финансирование – абсолютно новую для России модель. Такой шаг означает, что в случае недостроя или иных негативных обстоятельств основную часть рисков будут брать на себя финансовые организации и сами компании – застройщики, в том время как раньше такие риски полностью ложились на плечи дольщиков, то есть клиентов строительных организаций. И здесь логичным решением становится использование BIM-технологий, которые помогают, как мы уже знаем, более точно оценивать риски.  

Цифровые двойники, беспилотники и технология дополненной реальности

Когда-то иммерсивные подходы к изучению тех или иных объектов были всего лишь мечтой ученых и инженеров. Сегодня же технологии VR/AR наряду с цифровыми двойниками позволяют решать массу важных задач. В числе прочих – доступ к цифровым моделям. Вот почему сегодня связка “цифровые двойники – дополненная реальность” превратилась в одну из самых актуальных тем. 

Особенно хорошо видно работу новой связки “беспилотники – BIM – цифровые двойники – дополненная реальность” на примере строительства различных зданий. Практически на каждом этапе проектирования и строительства специалисты сегодня подключают для сбора информации беспилотники. Начинается это уже на этапе проектирования и использования технологии BIM, о которой уже говорилось. 

Проектирование завершается созданием виртуальной модели здания – его цифрового двойника в виде копии готового сооружения. Виртуальный макет помогает строителям как можно точнее и качественнее возвести реальное здание. На этапе строительства весьма востребованными оказываются как виртуальная модель, так и дополненная реальность. Цифровой двойник “помещается” в виртуальную реальность.

Интеграция этих технологий в первую очередь помогает наладить контроль за реализацией проекта, отслеживать допущенные в ходе строительства ошибки, просчеты, риски. Также виртуальная реальность служит для сокращения себестоимости производства за счет разумной экономии материалов, помогает избежать криминальных схем и ускорить строительство и сдачу объекта заказчикам. При этом дополненная реальность помогает понять многие тонкости не только проектировщикам или строителям, но и заказчикам. 

С точки зрения инструментов реализации дополненной реальности тоже все не так сложно. Современные программные продукты и уровень аппаратного обеспечения помогают реализовать трансляцию дополненной реальности не только на компьютер или ноутбук, но и на мобильные устройства вроде планшета или смартфона. Пользователь может при этом надеть соответствующие устройства: очки или шлем. А может просматривать все на дисплее. 

Сам процесс выглядит, как наложение виртуального макета на реальный прототип, что и позволяет наладить в реальном времени управление и контроль над процессом строительства. Таким образом и осуществляет трансляция цифровых двойников в виртуальное пространство с эффектом присутствия. У пользователя создается таким образом более детальное и целостное представление об объекте: инфраструктурном или ином типе сооружения.

В сфере производства интеграция беспилотников, цифровых моделей и дополненной реальности может решать не только задачи проектирования, но и помогать в мониторинге различных объектов в дистанционном режиме. Такие методы уже используются на объектах нефте- и газодобычи, на опасных производствах и т.п. Это способствует повышению эффективности эксплуатации производственных объектов, снижает риски для персонала и оборудования, сокращает затраты на проведение проверок. Особенно важно такое преимущество для организаций с ограниченными ресурсами. 

Подведем некоторые итоги

Быстро развивающиеся технологии позволяют вносить существенные изменения в производственные и бизнес-процессы. В последние годы в числе самых интересных и перспективных технологий отмечены: беспилотные системы, цифровые двойники, дополненная и виртуальная реальность, искусственный интеллект. 

В таких отраслях, как строительство и инфраструктура указанные технологии наряду со специализированными, отраслевыми (BIM-технологии) привели к почти революционным изменениям, создавая не только новые подходы к созданию объектов, но способствуя формированию целой экосистемы. В частности, такой процесс мы наблюдаем в отношении цифровых двойников. 

Интеграция упомянутых технологий в той же строительной области способствует более глубокому пониманию процессов проектирования, строительства и эксплуатации зданий и объектов инфраструктуры, снижает затраты на их создание, повышает уровень безопасности и комфорта при эксплуатации. Важную роль в этом играют беспилотные системы, внедрение которых способствует повышению качества и детализированности информации о объектах, ускорению процессов создания цифровых моделей и BIM.