Дигитални близнаци в трафика

Скок в бъдещето на умните градове

В епоха, в която четем новините си от малко екранче в джоба, успяваме от разстояние да включим пералнята или дори да организираме цяло пътуване на другия край на света в рамките на минути, би било нередно да не направим същото и за градовете, в които живеем. Следвайки технологичния бум, дигиталните модели рязко успяват да навлизат във всички сфери на живота, включително и в управлението и организацията на градската мобилност.

Текст: списание Инфрабилд

Все пак и да го дефинираме накратко - цифровият близнак е виртуално копие на физически обект или система, който може да се наблюдава, контролира и променя в реално време. Той използва информация от сензори и други източници, за да се създаде цифров модел, способен да се държи съвсем като реалния. Това копие може да симулира различни ситуации, да тества промени и подобрения и да открива потенциални проблеми. Може да бъде създаден както преди физическата си версия (ако целим да симулираме целия му жизнен цикъл), така и след това (ако целим оптимизация или синхронизация с по-нова или подобрена версия). Много широко разпространени са те в машиностроителната индустрия – например, напълно обичайно би било Ford да разработят цифров близнак за всеки модел превозно средство, а General Electric имат такъв за модела си на ветрогенератор с цел наблюдение на повече от 40000 турбини в различни обекти

От гледна точка на инфраструктурата, цифровите близнаци ще очертаят географските характеристики и градоустройственото планиране, а движещо колело за развитието им е нарастващата популярност на идеята за интелигентни градове. На практика това става с изграждане на 3D и 4D модели с информация в реално време за градската среда. Съвременните технологии за виртуална реалност позволяват още по-детайлно проектиране с помощта дори на данни от вградени сензори. Така могат да се изграждат дори триизмерни модели за принтиране на застроени райони за последващ анализ от професионалисти. При изграждането на терминал 1 на летище Хийтроу, Лондон, през 1996г. инженерите създават един от първите подобни модели, който да симулира изпомпването на разтвор в земята за стабилизиране на земните пластове. Друго разпространено приложение ще е при инспекция на сгради и съоръжения след земетресения след заснемане от безпилотни средства.

Основните предимства на използването на цифрови модели могат да се обобщят като подобрен работен процес – данните се получават в реално време и могат да бъдат използвани за симулации на бъдещи процеси. Повишена финансова ефективност – взимането на решения се базира на работа върху повече възможни опции и оценка на финансовата им ефективност. И не на последно място подобрено обслужване за гражданите – по-бърз анализ въз основа на нуждите на гражданите, а също и по-лесно визуално възприемане на решенията от неспециалисти. 

Разработката на всеки цифров модел се състои от четири основни етапа- стратегическа фаза, проучвателна фаза, аналитична и проучвателна фаза. Стратегическата фаза е отправна точка за малки до средни градове. Характерно за нея е, че градът вече има разработена стратегия и политическа воля за дигитален двойник за подобряване на процесите по вземане на решения и градско планиране. При нея трябва да се намери финансиране за започване, да се използват информацията от вече работещи цифрови модели и събраните от там данни. На този етап по-скоро се случват базови въпроси – какви са основните проблеми, които имат нужда от решение, какъв да бъде дигиталният двойник, до какви по-добри решения може да се достигне с него.

Проучвателна фаза е следващият етап е създаването на цифровия близнак за определена употреба с данни от две основни градски направления – обем на трафика и качество на въздуха, като по този начин градът може да тества на базово ниво ефективността на подобен опростен модел. Основно внимание се обръща на това какви резултати ще бъдат постигнати, има ли подкрепа, има ли законови пречки за развитието на модела нататък и доколко данните са ефективни и не заемат излишно място.

В аналитичната фаза се преминава към по-структурирано използване на дигиталния близнак за изготвяне на прогнози за това как ще въздейства политиката за управлението му. Могат да бъдат интегрирани по-голям набор от данни за средата и да се постигне усъвършенствана симулация на модела и да се създадат, например, зони с ниски емисии върху времето за пътуване, качеството на живот като променлива от чистата на въздуха, шум, натоварвания, произшествия и т.н. В действие са влезли по-лесни за възприятие модели, които дават възможност за по-добър поглед върху градоустройството и ефективни разходи. Основните казуси ще бъдат свързани с това какво да се визуализира, колко често да се обновяват данните и какви предвиждания са от първостепенно значение.

Прогнозиращата фаза е финална. Моделите в последната фаза целят създаването на устойчиво бъдеще. Моделите могат да се справят с редица данни в реално време, а решенията на градската управа се взимат за дългосрочни политики. Търсят се отговори на въпросите от гледна точка на развитие на моделите през следващите 5 години, принципите, от които да се ръководи изкуственият интелект, който ги развива.

Дигиталните близнаци и пътната инфраструктура.

Пандемията от коронавирус промени начина, по който функционира нашият свят. Голяма част от работата се премести онлайн, а налаганите ограничения тласнаха допълнително развитието на технологиите в тази насока. За транспорт, инфраструктура и трафик, най-вече става въпрос за разработване на по-добри начини за получаване и споделяне на информация в реално време, но и по-успешно информационно моделиране на сградите (BIM) с 4D и 5D симулация за повторно планиране и оптимизиране. Това носи допълнителни ползи дори за доставките на материали и цялостния процес по строителството.

Дигиталният двойник е способен да съдържа изключително разнообразна и детайлна информация. Така, например, като част от цифровизацията на бъдещето, във Великобритания се разработва точно такъв модел на цялата пътна мрежа. В него чертежите и статичните схеми ще бъдат заменени от модели, които да предвидят проблеми с поддръжката, каквито могат да са дупките в асфалта. Идеята е синхронизация на всички дигитални близнаци и натрупване на огромна база данни до получаването на един мегаизточник на данни. Разбира се, до този етап ще бъде необходимо и физическото оглеждане и оценка от експерти в областта, но цифровизацията ще спести доста време и пари.

Едно от големите предизвикателства пред този проект се оказват комуналните услуги - тръби и кабели. В бъдеще ведомствените и строителни организации ще могат да споделят информация и да разбират как различните различни дейности върху инфраструктурата си влияят взаимно, а това не само ще намали финансовите разходии времеви разходи за проучвания, но също ще подобри чувствително безопасността. Очакванията са цифровият близнак да може да демонстрира текущото местоположение на всички знаци и портали, както и позицията на захранващите кабели и тръби в мрежата и всичко това на екрана пред нас, вместо физически да пътуваме, за да разгледаме инфраструктурата.

Задачата е доста амбициозна – планът е цифровият близнак да успява да управлява и трафика посредством подходяща симулация, а с помощта на подходящата организация със знаци и сигнали през пътната мрежа да преминават максимално количество хора. В допълнение, с течение на времето може да се натрупват данни, които да бъдат ползвани за по-реалистични модели. За отправна точка е избрана градската магистрала на Лондон – М25, една от най-важните и натоварени пътни артерии във Великобритания, а надеждите са трафикът да се организира по-добре с навлизането на технологиите и особено с изпълнението на проекта А428 за пътувания между Милтън Кейнс и Кеймбридж.

Редно е да кажем, че проектът за дигитален двойник на британската пътна мрежа се разработва в сътрудничество с отдела за изследвания и иновации на Обединеното кралство (UKRI), Съвета за научни изследвания в областта на инженерните и физическите науки (EPSRC), MSCA COFUND (програма за мобилност и академични изследвания на ЕС), Costain (частна британска строителна компания с близо двувековна история) и Университета в Кеймбридж – една сложна екипна работа, а това невинаги е лека задача. Огромната и натрупваща се информация се събира в платформа на пътната агенция, на име Business Information Framework (BIF), което позволява гъвкав обмен между всички участници.

Макар позитивите да не се поставят под съмнение, оказва се обаче, че изпълнителите на такива проекти се сблъскват и с редица затруднения при работата си. Най-голям потенциален проблем са данните – получаването им и гаранцията за доброто им качество. Нужно е също да е създадена система от правила за данните, която да гарантира, че те ще ни бъдат от полза. Друг проблем могат да бъдат разходите, които са нужни за получаването им, както и цялостната липса на знания и опит за подобен вид дейности. Подобна задача се оказва доста трудоемка, а постигането на резултати отвъд пилотните проекти и експерименти изисква всеобхватни усилия и повишено сътрудничество на всяко ниво.

Дигиталните близнаци и умните градове

Според Световния икономически форум глобалният пазар на дигитални близнаци процъфтява. Миналата година беше прогнозирано, че секторът ще струва 48,2 милиарда щатски долара до 2026г., а растежът на годишна основа ще достигне зашеметяващите 58 процента. Друг доклад, публикуван от технологичната фирма ABI Research, прогнозира, че повече от 500 града по света ще използват някаква технология за цифрови близнаци до 2025г. Само за сравнение – в Китай броят им вече е нараснал от два през 2018г. на 72 през 2021г. Bluesky е базирана в Обединеното кралство компания, специализирана в аерозаснемания и създаване на градски модели. 

Чрез водещия си продукт, MetroVista, Bluesky са създали 3D карти на 20 града в Обединеното кралство, използвайки хибридна камера, монтирана върху малък самолет. Камерата е специално разработена за едновременно заснемане на три геопространствени набора от данни: вертикална и наклонена въздушна фотография, подобно на това, което бихте очаквали да видите в Google Earth, както и LiDAR изображения с висока плътност. LiDAR (Light Detection and Ranging) представлява технология на заснемане, при която сензор изстрелва милиони светлинни импулси от сензор и ги събира отново, за да измери точно височината на терена и обектите на земята, като дървета и сгради. С всички тези данни, събрани и обработени, може да се създаде 3D модел на произволна област. 

Едно от предизвикателствата, пред които е изправен този тип технология, е, че не може да се актуализира в реално време. А градовете са доста динамични – постоянно се променят и преустройват. Затова и е напълно възможно да бъдем подведени ако цифровият двойник не е бил наскоро актуализиран. За бъдещето развитие на Metavista (или други подобни продукти) съществува идеята моделът да се разглежда като платно, върху което да се добавят всякакви други набори от геопространствени данни за картографиране на земята (Стокхолм, например, използва таксита и смартфони) или 3D картографиране с помощта на ръчни лазерни скенери, които могат да записват интериора на сградата. Във Великобритания има достатъчно информация от картографската агенция и адресните данни, които да бъдат периодично обновени – и така близнакът „оживява“.

В мегаполиси като Шанхай и Сингапур дигиталните градове-близнаци се разглеждат като основни за градското планиране и управлението на обществените услуги. В Бризбейн, най-бързо развиващият се град в Австралия, постоянно развиващ се цифров близнак помага на инженерите да изградят проекта Cross River Rail, първата градска железница в града. На другия край на света, Ротердам разработва цифров близнак, който да управлява пристанището му. Едно от най-важните потенциални приложения на цифровите градове обаче може да се окаже това да направят физическия си двойник по-чист и да спрат потенциални наводнения или прекомерно топлоотделяне.

Bluesky разказват още, че са работили активно с градските съвети за картографиране на дървесна покривка, както и с телекомуникационни компании за планирането на 5G мрежата. В бъдеще е възможно да работят и с местната полиция или армия за по-добро планиране на това къде да разположат силите си или да визуализират линия на видимост на военнослужищете. Развитието на моделите и конкуренцията на пазара ги прави по-достъпни за по-широк кръг от потребители и сектори. Вече не мислим веднага за това, че изглеждат невероятно. Вече можем да ги използваме и на практика и да получаваме отговори на всички въпроси, които ни вълнуват.

Като обобщение

Цифровите близнаци могат да симулира различни ситуации, да тестват промени и подобрения и да откриват потенциални проблеми. Те намират широко приложение в различни сектори като инфраструктурата и градоустройството, като са особено полезни за планирането на интелигентни градове. Дигиталните близнаци предлагат множество предимства, включително подобрена ефективност, финансови икономии и подобрено обслужване за гражданите, като играят ключова роля в развитието на интелигентните градове и инфраструктура. Световният пазар на дигитални близнаци расте с бързи темпове, като се очаква в следващите години той да достигне милиарди долара. Повече от 500 града по света се очаква да използват технологии за цифрови близнаци до 2025 година, което показва значителния интерес и потенциал за развитие в областта.