Интеграция передовых технологий для создания цифровых двойников – Часть 1

Дроны, BIM-технологии и дополненная реальность

Цифровые двойники (другие варианты: виртуальные макеты, цифровые копии) – сравнительно новая технология, возникшая во многом благодаря появлению мощных компьютеров. Сегодня этот подход используется в самых разных отраслях деятельности: в научных исследованиях, производстве, строительстве, экологии и даже в моделировании климата. Однако бизнес, особенно российский, пока не слишком активно применяет новый метод, хотя в целом ряде отраслей он может оказаться весьма востребованным и экономически эффективным. 

За рубежом технология цифровых двойников или цифровых моделей сейчас активно внедряется в бизнес-процессы. В России только приступают к этому, поэтому было бы полезно разобраться в некоторых деталях нового подхода и попутно рассмотреть возможности интеграции цифровых двойников и беспилотных технологий в бизнес-процессы, особенно в строительном бизнесе. А поскольку наряду с цифровыми двойниками в этой отрасли также активно используется BIM-технология и внедряется концепция дополненной реальности, то в настоящей статье попытаемся затронуть и их. Это позволит представить более полную картину происходящих технологических изменений и кому-то, возможно, подскажет направление дальнейшего развития. 

О технологии “цифровых двойников”: суть подхода, преимущества и возможности

Начнем с технологии цифровых двойников, а затем посмотрим на то, как к созданию цифровых двойников можно привлечь беспилотные технологии.

Идея цифрового двойника (Digital Twin – DT), или виртуальной модели, была предложена в 2002 году американским ученым Майклом Гривсом. Он описал свою концепцию в книге “Происхождение цифровых двойников” и предложил их трехчастную схему:

• Физический объект в реальном мире,
• Цифровой объект в виртуальном мире,
• Интеграция физического и виртуального объектов в виде данных и информации.  

Майкл Гривс утверждал, что “в идеальных условиях вся информация, которую можно получить от изделия, может быть получена от его цифрового двойника”.

Таким образом, цифровым двойником можно считать модель любого объекта (живой и неживой природы, включая человека). В идеале цифровая модель должна воспроизвести в точном виде форму и действия копируемого объекта (продукта, производственного актива, живого существа). 

В 2010 году концепцию Гривса на практике использовало Национальное аэрокосмическое агентство США (НАСА) в создании виртуальной копии космического корабля. Но, возможно, все осталось бы уделом только науки и узких высокотехнологичных отраслей вроде космической, однако после 2010 года началось бурное развитие технологий искусственного интеллекта, машинного обучения и интернета вещей. Эти тенденции сыграли решающую роль наряду с появлением более мощных компьютеров, облачных вычислений и новых систем хранения данных в развитии технологии цифровых двойников. После 2015 года, согласно исследованиям ряда зарубежных агентств, технология цифровых двойников стала активно проникать в гражданские отрасли, в частности строительный бизнес, но не только.  

В популярных статья о цифровых двойниках (DT) далеко не всегда говорится о том, что на практике используется три вида виртуальных моделей: 

• Прототип объекта, или сокращенно DTP (Digital Twin Prototype). Это цифровая копия реального объекта со всей информацией для производителей физического продукта.
• Экземпляр объекта, или сокращенно DTI (Digital Twin Instance). Это цифровой двойник реально существующего объекта с полной информацией о нем, включая характеристики и условия эксплуатации, а также 3D-модель объекта. DTI нужен для отслеживания существующего объекта, поэтому он функционирует вместе с ним одновременно.
• Агрегированная копия объекта, или сокращенно DTA (Digital Twin Aggregate). Это уже более сложная система, которая позволяет управлять и реальным, и цифровым объектом (копией) управлять из единого офиса.  

В целом, современные методы позволяют создавать весьма точные виртуальные копии физических объектов. По мнению специалистов, сегодня оптимальный показатель погрешности цифрового двойника по отношению к физическому прототипу составляет 5 процентов. 

Зачем нужны цифровые двойники?

Виртуальные модели уже активно применяются на практике, но далеко не все компании как в России, так и за рубежом знают об этой технологии. А тем более, далеко не всем известны возможности и преимущества использования цифровых двойников. Поэтому имеет смысл сказать о тех задачах, которые в состоянии решить технология цифровых копий. 

Если говорить в общем, то основной задачей цифровых двойников является моделировать процесса эволюции физического прототипа в разных условиях, чтобы сэкономить бюджет и снизить риски для людей, а также окружающей среды. Создание виртуальные моделей, даже исходя из описанных выше трех видов технологии, может преследовать разные задачи. Если более конкретно, то их можно свести к следующему списку:

• DT позволяет сократить время и средства на тестирование производственного процесса или производственной цепочки.
• С помощью цифровой модели вы сможете выявить проблемы или риски продукта (объекта) до начала его производства (строительства) и продажи клиентам (ввода в эксплуатацию).
• Создание модели позволяет еще до запуска различных процессов и целых систем найти уязвимые места и риски для повышения эффективности и безопасности.
• Цифровая модель снижает риски: финансовые, экологические и другие (в зависимости от отрасли применения). Неслучайно, медицина стала одной из ведущих отраслей в плане применения цифровых двойников.
• DT повышает доходы бизнеса и его конкурентоспособность.
• Моделирование означает возможность создавать долгосрочные прогнозы и развивать стратегическое планирование предприятия, компания, отрасли.
• Модели могут применяться в маркетинге для повышения лояльности клиентов, построения прогнозов спроса и др.

Очень важно, что цифровые двойники могут точно отражать ситуацию на реально существующем объекте, позволяя выполнять мониторинг во времени, максимально приближенном к реальному. Это крайне важно для объектов критической инфраструктуры и даже обычных коммерческих и жилых зданий. Владельцы, подрядчики и другие заинтересованные лица в таком случае получают более полную, точную и актуальную картину происходящего. 

Однако процесс создания виртуальных макетов – не такая уж и простая задача. Разумеется, технологические инновации, совершенствующее программное обеспечение и ряд других факторов способствуют снижению трудовых, временных и финансовых затрат на процедуру цифровизации объектов. Наряду с уже известными инструментами специалисты в последние годы получили в свое распоряжение такие вещи, как: разнообразные датчики, BIM-технологии, ГИС, облачные технологии, искусственный интеллект и машинное обучение. Интеграция этих новейших технологий в единую систему приводит к невероятным по качеству и эффективности результатам. И мы хотели бы особый акцент здесь сделать на роль беспилотных летательных аппаратов в создании цифровых моделей. 

Зачем использовать дроны при создании цифровых двойников?

В трехчастной схеме Майкла Гривса – автора концепции цифровых двойников – один из уровней отведен данным, объединяющим физический объект и его виртуальную модель. Но данные – это не только часть схемы. Они играют ключевую роль и представляют огромную ценность для тех, кто создает цифровые модели физических объектов, каковыми бы они ни были по своей природе. 

Во многих отраслях деятельности большое значение играет тот факт, что модель не просто является точной копией прототипа, но и “живой”, постоянно развивающейся, максимально точно отражающей все изменения, которые происходят внутри и вовне физического прототипа. Эти требования лучше проясняют то, почему так важны актуальные и точные данные. 

И здесь дроны могут сыграть решающую роль, особенно если речь идет о сборе данных в строительстве, геодезии и других отраслях деятельности, где часто нужны своевременные и точные данные с воздуха. Для этого у современных БПЛА имеется практически все необходимое: соответствующее оснащение для надежных и стабильных полетов, подвесное оборудование для съемки, сканирования или анализа окружающей обстановки, программное обеспечение для обработки данных. 

Новые системы передачи данных, в том числе с высокой степенью защиты, позволяют безопасно и очень эффективно собирать даже весьма чувствительную информацию о различных объектах. такие решения сегодня разработаны компанией DJI, а также рядом других производителей БПЛА и оборудования для них. Это будет хорошей новостью не только для государственных структур, но и для бизнеса, заинтересованного в защите коммерческой информации. Беспилотные системы также безопасны для задействованных в проекте специалистов, ведь летательные аппараты часто могут заменить целую команду высококвалифицированных сотрудников в тех случаях, когда необходимо собирать данные о труднодоступных объектах или в сложных условиях.   

Процесс создания виртуальных моделей часто носит сложный и многоуровневый характер, а это предъявляет высокие требования к организации сбора данных, их точности, полноте и надежности. Но далеко не все специалисты знают, насколько хорошо могут выполнять такую работу специализированные БПЛА с подвесным оборудованием. 

При этом эксплуатация беспилотных систем оказывается намного проще и эффективнее,  в том числе с экономической точки зрения. А легкость и простота развертывания систем помогают специалистам выполнять сбор информации на регулярной основе и в довольно короткие сроки. Итогом же всего этого можно с уверенностью считать актуальные и максимально соответствующие реальному положению дел данные. 

Ряд современных моделей дронов DJI получают встроенные модули глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС – GNSS) и/или могут работать с наземными мобильными станциями вроде D-RTK 2 от компании DJI. Высокоточное оборудование позволяет эффективно использовать дроны для геодезических исследований и сбора данных ГИС. А это тоже важный фактор для создания цифровых двойников. Интеграция беспилотных технологий и ГИС помогает точно воспроизводить физические прототипы в их историческом состоянии, в настоящем времени и даже предсказывать изменения в будущем. 

Что же касается конкретных моделей беспилотных систем компании DJI, то для таких задач вы можете сегодня использовать несколько инструментов: геодезический квадрокоптер DJI Phantom 4 RTK, ультракомпактный промышленный квадрокоптер DJI Mavic 2 Enterprise Advanced, а также промышленный квадрокоптер DJI Matrice 300 RTK с фотограмметрической камерой P1 и/или камерой L1 с модулем LiDAR. DJI Phantom 4 RTK и M300 RTK поставляются со встроенными модулями GNSS. У Mavic 2 EA такой модуль можно установить, купив его отдельно. Примечательно, что другие модели промышленных коптеров Mavic 2 такого функционала не имеют.

Каким образом дроны могут собирать информацию для создания цифровых двойников?

Если вы планируете использовать беспилотники для создания точного и детального цифрового двойника, то в зависимости от полезного оборудования дроны могут снабдить вас как одним, так и несколькими наборами данных. Процесс этот беспилотники выполняют достаточно быстро и, что очень важно, очень быстро передают эти данные с датчиков пользователям. Делать это они могут практически в любом месте и почти в любое время. 

В зависимости от типов модулей и датчиков вы можете получать различные типы данных. Вот некоторые из наиболее востребованных и доступных уже сегодня:

• RGB-камеры. Используются для сбора визуальных данных об объекте.
• Тепловые или инфракрасные камеры. Используются для сбора радиометрической температуры с поверхности объекта, что дает пользователю доступ к информации о температурных параметрах различных участков поверхности объекта (или группы объектов).
• LiDAR. Сканирование поверхности с помощью этого инструмента позволяет собрать информацию высокой точности о размерах объектов и окружающего пространства, даже если зона сканирования скрыта растительностью или плохо освещена.
• Мультиспектральные камеры. Позволяет собирать информацию в 5 различных полосах электромагнитного спектра и за счет этого анализировать больше данных.
• Гиперспектральные камеры. Они позволяют собирать данные в более узких и более многочисленных диапазонах по сравнению с мультиспектральными камерами, что значительно увеличивает набор данных.
• Ультразвуковые модули. Они позволяют измерять, например, толщину внешней поверхности объекта. 

Перечисленные 6 типов датчиков помогут решать широкий круг задач и если и не произвести революцию в данном вопросе, то уж точно внести глубокие изменения в рабочий процесс создания цифровых двойников. 

Итак, очевидно, что мы можем использовать дроны в качестве ключевого инструмента в процессе создания цифровых копий, так как БПЛА способны быстро, точно и безопасно собирать необходимые данные. Но какие же данные могут собрать для нас беспилотники и как мы можем использовать полученную информацию для создания цифровых двойников?

Облака точек 

Облако точек представляет собой цифровое отображение участка или объекта, а еще точнее 3D-модель, в которой имеется множество точек с координатами. Чтобы получить облако точек, специалисты обычно используют лазерные 3D-сканеры и LiDAR, которые сегодня все чаще и чаще служат в качестве инструментария геодезических исследований.

С помощью этого оборудования можно не просто создать 3D-модель, но и точно измерить глубину, высоту и объем объекта, сформировать его точную модель и определить точное расположение в пространстве. Чем больше точек удается собрать, тем плотнее получается модель. Облако точек можно использовать и в фотограмметрии.   

Геодезический комплекс, состоящий из дрона DJI M300 RTK, камеры Zenmuse L1 и программного пакета DJI Terra обеспечивает выполнение полного – от начала и до завершения – процесса по созданию карт с помощью генерации облаков точек модулем LiDAR и фотограмметрии. Если же на дроне используется камера P1 (с полнокадровой матрицей 45 Мп), то это позволяет работать над фотограмметрией высокого разрешения. Облака точек можно использовать в качестве основы для детализации, а также в процессе создания цифровых двойников.

Трехмерная сетка

Трехмерная сетка – это развитие концепции облака точек, а точнее следующий этап ее эволюции. Трехмерная сетка подразумевает создание между точками облака маленьких треугольников. После этого пользователь с помощью программного обеспечения для картографии создает текстуру для каждого из тысяч треугольников, извлекая небольшую часть исходной фотографии каждой точки, и строит трехмерную сетку или модель.

Строго говоря, трехмерную сетку нельзя считать цифровых двойником, но она тоже играет важную роль в создании подробной и очень точной модели. А кроме того, ее можно рассмотреть, используя технологии дополненной реальности. 

Двухмерная ортомозаика

Как известно, ортомозаикой называют процедуру яркостного выравнивания и сшивания (то есть, объединения) нескольких ортотрансформированных снимков. В результате получается одно большое цельное изображение с заданными параметрами. Ортотрансформирование снимков необходимо для составления ортофотопланов различных районов. Причем можно выполнять такие планы в различных масштабах. Это крайне важно при работе топографов, геологов и других работ проектно-изыскательского характера. 

Для создания двухмерных ортофотопланов уже успешно используются беспилотные летательные аппараты, хотя специалисты пользуются также результатами съемки и с других типов летательных платформ. 

Среди наиболее эффективных и новых инструментов создания фотограмметрии следует отметить комплекс, состоящий из дрона DJI M300 RTK и и фотограмметрической полнокадровой камеры P1 с разрешением 45 Мп. Этот комплекс может создавать высокодетализированные и четкие ортофотомозаики с разрешением снимка менее 1 см.

Эти 2D-карты реальных участков с географической привязкой представляют собой определенный этап на пути создания 3D-сеток, которые можно использовать для обеспечения альтернативной перспективы в рамках цифрового двойника.

Данные для цифровой модели местности

Если вам требуется создать цифровую модель местности (Digital Terrain Model – DTM), то для этого лучше всего подойдут беспилотники с модулем LiDAR на борту. DTM – это модель рельефа (поверхности) без каких-либо объектов на ней: зданий, инженерных сооружений и т.п.). 

Не следует путать DTM и DSM. DSM (Digital Surface Model) – это отображение поверхности со всеми объектами на ней. Для этого можно использовать LiDAR и фотограмметрию. Данные, полученные с дронов для DTM, можно перевести в цифровые модели, чтобы получить точную копию рельефа со всеми деталями и изменениями.

В следующей части статьи рассмотрим практические примеры применения технологии цифровых двойников, а также посмотрим, какие преимущества несет интеграция DT, BIM и дополненной реальности с беспилотными технологиями.