ArcGIS: pagrindas Skaitmeniniams Dvyniams

Skaitmeninio dvynio erdvinių duomenų bazės dalis, saugoma “ArcGIS Online” arba “ArcGIS Enterprise”, pasiekiama per daugybę atvirų standartinių API, paslaugų ir duomenų formatų, palengvinančių duomenų mainus ir integraciją su kitomis įmonės sistemomis.

Cris Andrews Esri

Pastaruosius kelerius metus, susiliejus geoerdvinėms technologijoms, pastatų informaciniam modeliavimui (BIM) ir interaktyvioms 3D technologijoms, pradėta kalbėti apie skaitmeninius dvynius (angl – Digital Twins) ir apie tai, kaip jie gali būti naudojami atskiriems objektams, ištisiems miestams ir net didelėms gamtinėms sistemoms modeliuoti. Skaitmeniniai dvyniai – tai virtualūs realaus pasaulio atvaizdai, įskaitant fizinius objektus, procesus, santykius ir elgseną.

Geografinės Informacinės Sistemos (GIS) gali būti naudojamos kuriant gamtinės ir antropogeninės (žmogaus įtakotos) aplinkos skaitmeninius dvynius. Jose taip pat gali būti naudojami įvairūs realaus pasaulio skaitmeniniai atvaizdai, virtualūs pasaulio ar gamtinių sistemų modeliai. Šie komponentai su informaciniais modeliais, duomenimis, ataskaitomis, analizėmis ir naudotojų sprendiniais taikomi skaitmeninio dvynio būklės vertinimui, jo veikimo stebėjimui ir rezultatų prognozavimui.

Skaitmeninio dvynio koncepcija atsirado gamybos pramonėje. Tikslūs sudėtingų objektų, pavyzdžiui, lėktuvų ar automobilių, skaitmeniniai modeliai gali būti apibrėžti duomenų bazėje ataskaitų rengimo, analizės ir galiausiai objekto veikimo modeliavimo ir testavimo tikslais. Pirminė skaitmeninio dvynių koncepcija padėjo perkelti duomenų apie turtą naudojimą tik iš finansų ir išlaidų apskaitos taikymų į veiklos vertinimą ir operacijų analizę.  Papildomai išplečiant duomenų turinį galima gauti informaciją ir apie finansinius gamybos ir pardavimo aspektus.

Skaitmeninio dvynio koncepcija taikoma modeliuoti realaus pasaulio infrastruktūrą, pastatus ir net tokio masto sistemas kaip ištisi miestai ir gamtinė aplinka. Idėja, kad ilgalaikio fizinio sprendinio modelis gali būti naudojamas siekiant suprasti našumą, sąnaudas ir statybos konstrukcijos ypatumus, yra įtikinama. Skaitmeninių dvynių koncepcijos išplėtimas į gyventojų sistemas yra dar įdomesnis ir sudėtingesnis.

GIS jau daugelį metų naudojamos realaus pasaulio sistemų tiksliam modeliavimui. Inžinerinių tinklų, žemės sklypų ribų ar eismo srautų vaizdavimas GIS pasitarnauja turto valdymo, priežiūros ir planavimo uždaviniams.

Skaitmeninio dvynio koncepcija remiasi esamais metodais ir technologijomis skirtomis duomenų saugojimui ir sistemų apjungimui, papildant ją objektiniais duomenų modeliais bei pridedant tikroviškumu, interaktyvia naudotojo patirtimi bei didelės skiriamosios gebos 3D ir 4D duomenų ir sistemų naudojimu. Siekiama, kad skaitmeninis dvynys turi padėti nekilnojamo turto ar sistemos savininkui, rangovui spręsti strateginius veiklos uždavinius, pagrįsti investicijų ir procesų pokyčius, būtinus informacijos sklaidai ir dvynių nuolatiniam palaikymui. Skaitmeniniai dvyniai gali padėti spręsti problemas, susijusias su turto istoriniais įrašais, veiklos rezultatų stebėsena, turto objekto testavimu ar jo ateities veikos prognozavimu.

Istoriniai įrašai

Skaitmeniniai dvyniai gali būti naudojami vertinant, kokia turto ar analizuojamos sistemos būklė buvo atitinkamame laikotarpyje. Pavyzdžiui, nagrinėjant teisiniais ir procesų valdymo tikslais, naudinga matyti žemės sklypų ribų būklę ar inžinerinių tinklų modelių struktūrą realaus pasaulio sistemų geoerdviniuose dvyniuose.

Realybės duomenų surinkimas, pavyzdžiui, taškų debesimi ar paviršių tekstūra (angl. – mesh) naudojant „SURE for ArcGIS“ gali pasitarnauti sukuriant aukštos raiškos trimačio realaus pasaulio atitikmenį. Iš tokių realybės virtualių atitikmenų kai kurie paslaugų teikėjai netgi gali išgauti BIM (Building Information Modelling) duomenis, kurie pritaikomi tiek kaip istoriniai įrašai, tiek ir pagrindas būsimai renovacijai ar ūkinei veiklai.

Veiklos rezultatai

3D aplinkos poveikis, kurį suteikia 3D virtualus modelis, vartotojui gali suteikti interaktyvumo ir tyrinėjimo patirtį. Naudotojai gali žiūrėti į skaitmeninį modelį ir matyti realų pasaulį. Dėl šios priežasties daugelyje skaitmeninio dvynio projektų  jis naudojamas kaip švieslentė (angl. dashboard), rodanti kaip veikia ir funkcionuoja tikrosios sistemos, dažnai naudojanti tiesioginiais duomenų srautą ir dinamiškai atnaujinamus atributus. Šios sistemos dažnai būna susietos su kitomis centralizuotomis sistemomis. Vienas didžiausių GIS privalumų skaitmeniniam dvyniui yra tai, kad GIS gali saugoti, fiksuoti ir  dinamiškai analizuoti pokyčius tiek nedidelio statinio, tiek viso miesto 3D infrastruktūros atžvilgiu, vertinant taip pat objektą supančią antropogeninę ir gamtinę aplinką.

Testavimas ir būsimų rezultatų prognozavimas

Vieni didžiausių lūkesčių dėl skaitmeninių dvynių taikymo siejami su brangiai kainuojančių sprendinių versijų parengimu bei jų veiklos modeliavimu ir būsimo veikimo procesų prognozavimu. Automobilių pramonėje skaitmeniniai dvyniai gali būti naudojami automobilių aerodinamikos tyrimams. Architektūros, inžinerijos ir statybos (AEC) pramonėje apibendrinta BIM informacija naudojama virtualaus projektavimo ir statybos veiklose. Planuojamos statybos skaitmeninis dvynys naudojamas galimų saugos problemų išryškinimui ar projektinių sprendinių klaidų pastebėjimui

Miesto mastu projektuotojai nori imituoti būsimus pokyčius, pavyzdžiui, įvertinti naujo pastato dizainą, planuojamo greitkelio įtaką eismui ar jūros krantinės konstrukcijos keitimo prasmingumą. Tikimasi, kad skaitmeniniai dvyniai padės suprasti ir optimizuoti būsimų pokyčių poveikį, taip mažinant jų įgyvendinimo išlaidas.

Ar skaitmeniniam dvyniui būtina GIS?

Bet kuriam ilgalaikio turto ar realaus pasaulio sistemos skaitmeniniam dvyniui tiesiog naudinga įtraukti GIS duomenis apie turtą ir GIS sprendinių charakteristikas. GIS galima naudoti ne tik kuriant gamtinės ir urbanizuotos aplinkos skaitmeninius dvynius, bet ir integruojant daugybę skirtingų realaus pasaulio skaitmeninių atvaizdų. Atskirų mechaninio pasaulio objektų atveju, visas tiriamas objektas gali būti pavaizduotas savarankiškoje duomenų schemoje, kurią galima naudoti stebėjimams ir hipotezių tikrinimui. Stacionaraus fizinio turto arba gamtinių sistemų atveju duomenys apie dirvožemį, medžiagas, orą, eismą, techninę priežiūrą ar inžinerines komunikacijas gali būti saugomi skirtinguose duomenų modeliuose, pasižyminčiuose skirtinga duomenų kokybe, tikslumu ar turtine priklausomybe.

GIS yra vienintelė technologija, kuri suteikia paprastą raktą – vietą, kuri leidžia atlikti kompleksinę įvairių duomenų modelių ir jų rinkinių analizę. Per pastaruosius kelerius metus „Esri“ investavo į „ArcGIS“, reikšmingai tobulindama jos funkcionalumą, siekdama paversti GIS tinkamiausia technologija, leidžiančia kombinuoti skirtingus duomenų rinkinius, juos panaudoti švieslentėse, žemėlapių pasakojimuose. Informacijos sklaidos palengvinimo tikslu kuriami procesų stebėsenai ir kompleksinės sistemų analizės vykdymui taikomi 2D, 3D ir 4D žemėlapiai.

Kuo daugiau duomenų įtraukiama į GIS, tuo daugiau naudos GIS suteikia.

Kas lemia skaitmeninių dvynių projekto apimtį?

Kaip ir projektuojant bet kurią sudėtingą sistemą, kuriant skaitmeninių dvynių projektą reikia nustatyti kriterijus, kurie padėtų riboti projekto apimtį, t.p. ir užtikrintų sprendinio nuolatinę stebėseną ir procesų palaikymą. Atsižvelgiant į įvairias skaitmeninių dvynių panaudojimo sritis, kai kurios aplinkybės, padėsiančios nustatyti apimtį ir reikalavimus, yra šios:

Ar skaitmeninis dvynys bus naudojamas vienam projektui, ar visam sprendinio gyvavimo laikotarpui? Pavyzdžiui, virtualaus projektavimo ir statybos (angl. – Virtual Design and Construction, VDC) praktikoje skaitmeninis dvynys paprastai naudojamas tik projekto gyvavimo laikotarpiu ir nesitikima, kad dvynys bus naudojamas turto eksploatacijai.

Suinteresuotųjų šalių įvairovė

Ar žmonės, dirbantys su skaitmeniniu dvyniu arba priklausomi nuo jo, dirbs vienoje projekto komandoje, ar komanda bus sudaryta iš įvairių (skirtingų) sričių dalyvių?

Sistemų kompleksiškumas

Skaitmeninio dvynio kompleksiškumas didės – greičiausiai eksponentiškai – kartu su modeliuojamų sistemų skaičiumi. Tai pasakytina apie statinių sistemas, pavyzdžiui, vandentiekio, elektros, mechanikos, apsaugos ir telekomunikacijų, o dar labiau – apie kvartalus ir miestus. Siekiant mažinti kompleksiškumą, skaitmeniniame dvynyje modeliuojamų sistemų skaičius turėtų būti orientuotas į problemas, kurioms spręsti jis ir bus naudojamas.

Duomenų nuosavybė

Duomenų nuosavybė lemia tiek prieigos prie duomenų teises, tiek duomenų rinkinių sujungimo galimybes. Įrenginio, kvartalo ar komercinių pastatų savininkams užsitikrinus turimų duomenų naudojimo teises, jie gali nustatyti detalesnius reikalavimus naujai gaunamų duomenų rinkiniams.

Didesnio kvartalo ar miesto sprendimų rangovams gali būti sunku sukurti skaitmeninį dvynį, kuris atitiktų jų  išsikeltus tikslus, jei ne visi inžinerinių tinklų, įrenginių ar kitų sistemų duomenys, turintys įtakos pagrindinei sprendinio veiklai, suderinti ir pilnai valdomi.

Duomenų saugumas

Sistemos, pavyzdžiui, skaitmeninio dvynio saugumą lemia saugiausio sistemos duomenų rinkinio reikalavimai. Tai, kad į skaitmeninį dvynį galima įtraukti itin saugomą duomenų rinkinį, nereiškia, kad jis įtrauktinas, jei prieigos apribojimai ribos suinteresuotų šalių reikalavimus ar kitas skaitmeninio dvynio galimybes.

Skaitmeninis dvynys yra virtualus modelis. Moksliniame kontekste modelis naudojamas hipotezėms tikrinti ar būsimoms sistemų būsenoms prognozuoti. Moksliniai modeliai paprastai pritaikyti konkretiems sistemos elementams išbandyti ir dažnai negali būti išplėsti į taikymus papildomų scenarijų, kurie nenumatyti modelyje.

Kuriant skaitmeninio dvynio projektą verta pagalvoti, kad sėkmė gali priklausyti nuo to, ar pavyks apriboti jo apimtį iki pasiekiamų rezultatų, o ne plėsti jo taikymo sritį, kad būtų išspręsta kiekviena būsima problema.

Skaitmeninių dvynių sėkmę lemiantys elementai

Daugelis sėkmingo skaitmeninio dvynio projekto elementų yra tie patys, kurie lemia sėkmingus IT diegimo projektus daugelyje pramonės šakų. Skaitmeninis dvynys labai priklauso nuo gebėjimo apjungti duomenis ir sukurti naudotojo patyrį, padedantį spręsti problemas ir gerinti  suvokimą apie projekto rezultatą.

Gerai apibrėžti rezultatai

Probleminės sritys ir reikalavimai ataskaitoms bei analizei tiesiogiai lemia reikalavimus duomenims ir sprendinių taikymo patirtį, kuri bus sukurta skaitmeniniam dvyniui. Skaitmeninio dvynio įgyvendinimą palengvins išankstinis kaip galima aiškesnis ir detalesnis  pageidaujamų rezultatų, ataskaitų ir analizių rinkinio apibrėžimas. Joks technologijų įgyvendinimas nėra statiškas. Į būsimas skaitmeninio dvynio iteracijas gali būti įtraukta ir daugiau reikalavimų.

Dizaino mąstysenos (angl. – Design Thinking) metodas

Gilus supratimas apie tai, kaip skaitmeninis dvynys bus naudojamas verslo praktikoje padeda surinkti būtiną informaciją apibrėžti skaitmenio dvynio funkcionalumą. Naudojant skaitmeninį dvynį kaip švieslentę, kurioje matomos realaus laiko sistemos, naudotojo potyriai ir rezultatai bus kitokie nei naudojant išplėstinės realybės (angl. Extended Reality, XR) priemonėmis pagrįstą planavimą ir modeliavimą, skirtą būsimų pokyčių poveikiui ištirti. Pilną sprendinio supratimą galima išvystyti tik dirbant su suinteresuotosiomis šalimis per visą planavimo ir dvynių kūrimo procesą.

Aiškūs informacijos architektūros reikalavimai

Skaitmeninio dvynio savininkas turi gerai suprasti, kaip jis bus naudojamas, ir reikalauti, kad duomenys ir paslaugos būtų teikiamos pagal šiuos poreikius atitinkančias specifikacijas.

Tai gali pareikalauti papildomų pradinių investicijų, tačiau tai vienintelis būdas patikimai gauti standartizuotus, kokybiškus duomenis, kuriais galima aprūpinti skaitmeninį dvynį.

Atviri duomenų standartai ir API

Kadangi su duomenų ir sistemų integracija susijusios problemos sudaro didelę dalį problemų, susijusių su skaitmeninio dvynio kūrimu, klientai turi nurodyti atviruosius standartus, kurie leistų patikimai ir tvariai prisijungti prie duomenų iš daugelio skirtingų programų. Tai pasakytina apie BIM modelius, pateikiamus pagal industrijoje naudojamą standartinį bylų formatą, taip pat apie realaus laiko (angl. – Real-time) duomenų kanalus, kuriuos galima pasiekti per atvirą REST API.

Standartizuotas tapatybės nustatymas bei licencijavimas

Jei skaitmeniniu dvyniu naudosis nedidelė komanda, prieiga ir tapatybės patvirtinimas gali būti ne itin svarbi problema. Jei skaitmeniniu dvyniu naudosis daug darbuotojų ir suinteresuotųjų šalių visoje organizacijoje (pavyzdžiui, mieste) reikalavimuose turi būti nurodyta, kaip derinami duomenų rinkiniai bus pasiekiami naudojant standartizuotus autentifikavimo ir tapatybės nustatymo modelius. Jei reikės bendros prieigos kortelės (angl. – Common Access Card, CAC), užtikrinkite, kad visi apie tai žinotų jau projekto pradžioje. Standartinis „ArcGIS Enterprise“ puikiai tinka informacijos bendrinimui organizacijos viduje, o „ArcGIS Hub Premium“ leidžia organizacijai bendrinti projekto informaciją su išorine auditorija.

Geoerdviniai skaitmeniniai dvyniai

Šiuo metu „ArcGIS“ klientai gali kombinuoti ir apjungti realaus pasaulio duomenis, 3D, 2D ir kitus planimetrinius duomenis bei realaus laiko srautus į dinamišką ir interaktyvų sprendinį, kuris apibūdina atskirus objektus, dideles sistemas ar ištisus miestus. Geoerdviniai skaitmeniniai dvyniai, sukurti naudojant „ArcGIS“, gali būti tvarkomi mobiliuosiuose įrenginiuose, interneto naršyklėje arba taikant plačią gamą „Esri“ ir jos partnerių darbalaukio (angl – desktop) programinių priemonių.

Skaitmeninio dvynio erdvinių duomenų bazės dalis, saugoma „ArcGIS Online“ arba „ArcGIS Enterprise“, pasiekiama per daugybę atvirų standartinių API, paslaugų ir duomenų formatų, palengvinančių duomenų mainus ir integraciją su kitomis įmonės sistemomis, pavyzdžiui, „IBM Maximo“ arba „Autodesk BIM 360“.

Daugelis „Esri“ klientų jau pasinaudojo geoerdvinių skaitmeninių dvynių galimybėmis. Amsterdamo Schipholio oro uostas sukūrė dinamišką oro uosto teritorijos skaitmeninį dvynį, į kurį, naudojant „Safe Software“ FME integraciją su „ArcGIS“, įtraukti atviro standarto BIM duomenys, ir tiesioginiai orlaivių bei antžeminių transporto priemonių buvimo vietos duomenų srautai.

JAV infrastruktūros projektavimo įmonė „HNTB Corporation“, „Esri“ partnerė, pateikdama statybos projektų laiko ir sąnaudų vizualizacijas naudoja naujoviškas internetinio tinklalapio 3D „ArcGIS“ programas. Jos vykdomas Long Island Railroad projektas leidžia komandoms vaizdžiai internetiniuose puslapiuose stebėti projekto eigą ir net peržiūrėti būsimų darbų scenarijus, kuriuose tiriamas grafiko ir biudžeto pokyčių poveikis.

Hartsfildo Džeksono Atlantos tarptautinis oro uostas, naudodamas CAD, BIM duomenis, GIS ir informaciją apie supančią aplinką, sukūrė skaitmeninį dvynį, kuris padeda pasirinkti tinkamiausią maršrutą ir įrangos išdėstymą, analizuoti pavojus ir valdyti erdvę.

Aplinkos inžinerijos įmonė „Hazen and Sawyer“ padeda klientams tiekti kokybišką geriamąjį vandenį ir riboti vandens taršą. Ji naudoja GIS, kaip priemonę  kaupti ir integruoti  BIM duomenis, skaitmeninės realybės modelio duomenų  (angl. – mesh) fiksavimui ir sistemų informacijos apie visas vandens valymo įmones suderinimui, t.p. naudoja švieslentes  įrenginių eksploatavimo ir priežiūros rodiklių stebėsenai.

Skaitmeninių dvynių ateitis

GIS jau dešimtmečius atlieka pagrindinį vaidmenį, padedant klientams modeliuoti, analizuoti ir stebėti jų turtą bei sistemas. Naujos technologijos, tokios kaip žaidimų varikliai (angl. – Game Engines) ir realaus laiko duomenų srautai, suteikė įdomių galimybių kurti įvairesnius interaktyvius sprendinius, leidžiančius naudotojams tyrinėti, analizuoti ir išbandyti numatytas priemones juos  supančioje aplinkoje.

„Esri“ daug investuoja į skaitmeninės realybės modelio duomenų parengimą, BIM integraciją, statinių sistemų sąsajas, daiktų interneto (IoT) duomenų analizę ir susijusias technologijas bei įrankius, ateityje naudotinus plataus funkcionalumo įvairių skaitmeninių dvynių su ArcGIS vystymui..

Apsilankykite „Esri“ skaitmeninių dvynių svetainėje ir sekite GIS naudojimo naujoves, kuriant  skaitmeninius dvynius.


Šio straipsnio originali versija publikuota Arc User žurnale, 2021 pavasario leidinyje

Originalaus straipsnio nuoroda: https://www.esri.com/about/newsroom/arcuser/arcgis-a-foundation-for-digital-twins/

Kitas įrašas

Išmanusis vandentiekis

Skaityti