Дигиталният близнак в транспорта

След бързата дигитализация на индустрията днес навлизането на технологията на т. нар. цифров близнак изглежда логично продължение. Възможностите за натрупване на всеобхватни данни в реално време и за провеждане на симулации върху „жива реплика“ на съществуваща инфраструктура се оценява високо от операторите. Транспортът е сред областите, в които технологията ще навлиза най-бързо в идните години. 

Текст: списание Инфрабилд

Технологията на цифровия двойник е позната отдавна – тя се използва от десетилетия от НАСА за тестване и симулация на полетните космически апарати. Затова не е изненадващо, че, според анализаторите, в идните години аерокосмическият сектор ще е един от трите, които най-активно ще внедряват и използват технологията. По данни на Fortune Business Insights, вторият и третият най-активни браншове ще са производството и транспортът. 

Дигитални близнаци в ЖП и автотранспорта 

Дигиталните двойници са високостойностен инструмент в развитието на всички видове сложни инфраструктури, затова представляват интерес за операторите на железопътни и автомобилни мрежи. Макар последните да изглеждат доста статични, всъщност реалната им динамика е значителна. Дори в железопътната мрежа е трудно да се предвиди с точност къде ще се намират всички влакове с няколко дни напред и какви проблеми биха срещнали техните водачи, екипите по поддръжка. 

Затова е обещаващо, че всички, които планират, изграждат и експлоатират такива съоръжения, могат да разчитат на усъвършенстваните и интерактивни виртуални реплики за симулиране на пътните потоци, тертипите в мобилността, дори ефектите от климатичните промени и постоянно изменящия се пейзаж, от който зависят инфраструктурите.  Първото удобство в този подход е оптимизирането на графиците за поддръжка чрез преход към прогнозни модели. Обръща се внимание на потенциалните неизправности, преди възникването на действителни повреди, за да се избегнат скъпоструващи ремонти и забавяния. 

Симулацията на тенденциите в мобилността са особено ценни. С цифров близнак планьорите и проектантите могат да тестват как хора, превозни средства и други субекти се придвижват в рамките на дадено пространство. Могат да моделират как биха се движили хората и превозните средства при въвеждането на определена промяна. Това им дава основа за вземането на решения, взети на база прогнозна информация, а не голи предположения. Например, възможно е да се изпита нов график, при който има по-малки времеви прозорци между отделните влакове, докато се намери оптимално разстояние между тях в мрежата. По този начин може да се увеличи мрежовият капацитет на ЖП инфраструктурата, без да се налага да се строят нови трасета. Симулацията на дейностите в ЖП мрежата може да обхваща цяла държава и да емулира цялата ЖП система. 

Билетните системи за пътническите превози могат да се адаптират, като първо се тестват във виртуална среда. Например, възможно е да се направят симулации на нови видове абонаменти, за да се прецени дали наистина да се предложат на пазара. Подобряването на параметрите на устойчивостта отново е важен фактор, който търпи подобрение чрез дигиталните реплики на инфраструктурата. Всеобхватните данни и способностите за моделиране правят цифровия близнак мощно средство за оценка на мерките за намаляване на вредните емисии, редуцирането на отпадъците и оптимизирането на потреблението. 

При проектирането на нови трасета, железопътен подвижен състав и моторни превозни средства могат да се правят симулации и тестове на нови концептуални модели, преди машините да бъдат въведени в производство. Чрез близнака се прогнозира поведението им в различни условия. Възможно е дори за намаляване на производствените разходи. Основното предимство от използването на цифрови близнаци за производителите е възможността да спестят време и пари чрез идентифициране на потенциални проблеми още на етап проектиране. В частност, една от ползите при употребата на дигиталния близнак е в разработването на интерфейси човек-машина. Така се подпомага проектирането на системи за инфоразвлечение и на пилотските кабини в превозните средства. В контекста на навлизането на превозни средства с автономно управление технологията е особено обещаваща. Тя позволява да се симулират различни сценарии без риск, тъй като експериментите се провеждат в изцяло безопасната среда на виртуалните светове.

Близнакът на пристанището 

Пристанищата играят жизненоважна роля в световната икономическа система. Около 90% от стоките в света се транспортират, товарят и разтоварват на контейнерни пристанищни терминали. През последните години пристанищата и корабните компании ускориха своята цифровизация. Те се стремят да използват технологията на изкуствения интелект (AI) и решенията за данни в реално време, за да подобрят конкурентоспособността си и да постигнат по-голяма устойчивост, минимизирайки въздействието върху околната среда. Използването на технологията на цифровия близнак е логична следваща стъпка за портовете. 

Поддръжката се улеснява значително, когато пристанището има свой виртуален двойник. Сензорите, инсталирани на всички възлови места, дават реална информация за измервания на водното ниво и качество, състояние на техниката, брой плавателни съдове и превозни средства и др. В цялостната картина една малка повреда може да доведе до сериозни смущения на работата. Но когато дефектът се отразява в цифровия близнак, екипите по поддръжка узнават незабавно какво и къде точно е повредено, както и какви ресурси са им необходими за незабавно отстраняване на проблема. Така например, ако постъпят данни за колебания в параметрите на кабел на някой от крановете на пристанището, екипът по техническа поддръжка на порта ще отиде веднага, отстранявайки повредата, за да се избегне скъпоструващо забавяне на товаро-разтоварните дейности. 

Наред с това цифровият близнак позволява на инженерите да наблюдават оборудването по безопасен начин, вместо да оценяват здравето на техниката на място, обхождайки всички съоръжения, което отнема много време. Но ползите от използването на технологията на дигиталния двойник не са ограничени само до логистичните операции и поддръжката. Тя може да помогне да се анализира, например, как покачващите се морски нива поради глобалното затопляне ще се отразят на бъдещите дейности. Тук особено важна е възможността да се защити чистотата на околната среда благодарение на мощните инструменти за изкуствен интелект (AI).

Натоварената глобална пристанищна инфраструктура съдържа много различни компоненти, като складове, кранове и оборудване за акостиране, разтоварване и товарене, контейнери, плавателни съдове, камиони, микробуси за доставка, дори летищни центрове и ЖП гари. Когато пристанищният цифров близнак е пълно отражение на цялата физическа инфраструктура, той позволява на пристанищните власти и да симулират мерки за оптимизиране на работата, включително изграждане на нови структури. Така например може да се тества, само виртуално, нова версия на контрола на наземната транспортна система: дали, ако се разположат „умни“ светофари на територията на порта, това ще намали опашките от чакащи камиони? 

Цифровата реплика е мощно средство за иновации. Някои процеси в пристанището са толкова сложни, че мениджърите не биха рискували с експерименти на живо, защото това може да доведе до катастрофални последици. Други процеси пък не са сложни, но са критични за дейността, и отново управляващите не биха посмели да изпробват промяна, защото тя може да коства тежки щети. 

В града, който става „умен“ 

Колко време от живота си прекарваме в чакане из задръствания по кръстовища? Ако живеем или работим в градска среда, отговорът е „много“. Ако всеки ден пътуваме по час до работното място и час обратно, това са над 400 часа годишно, прекарани по улици и кръстовища. Съвременният живот ни предлага много средства за пестене на време, но когато става дума за транспорта в града, досега не се е намерило решение на въпроса със задръстванията. Напротив, с нарастването на броя на автомобилите проблемът се задълбочава. Урбанизацията, увеличаващото се население и нарастващият брой превозни средства правят задръстванията по-тежки. 

Автономните автомобили се сочат като потенциално средство за решаване или поне намаляване на проблема. Но те са далеч напред във времето. Умните кръстовища с много сензори, събиращи данни в реално време, са по-реалистично решение. Но и тяхното внедряване е бавно и недотам гладко.  Сега обаче градските власти виждат потенциал в технологията на цифровия близнак. Динамичните дигитални двойници могат да помогнат на градските планьори да вземат по-разумни и адекватни решения за управление на трафика. Наричат го още „4D динамичен модел“: 3D репрезентация на цялата физическа среда, но с допълнително измерение – реални данни в реално време. Динамичният модел следва да обхваща всичко в транспортната инфраструктура, а също така и терен, растителност, околни сгради. 

Чрез този 4D динамичен модел градската управа може да експериментира с „живата“ градска тъкан, но без да се внася реална намеса в работата й. Например, може да се тества включването на адаптивни светофарни уредби, без да се инвестира в самите съоръжения – за да се види дали и как ще подобрят движението в града. По подобен начин всяка нова технология, приложима в пътната мрежа, може да се „пробва“ първо върху дигиталния близнак. Възможно е да се изследват различни сценарии и да се подобри бъдещото планиране. 

Съществен акцент в това експериментиране са мерките за подобряване на безопасността по пътищата. Пътните инциденти са отговорни за 1,3 милиона смътни случая по света всяка година. Този брой е огромен и неприемлив. Властите по света търсят начини да го намалят. Но не всяка промяна, която се прилага в действителност, реално помага. Понякога се получава обратен ефект. А когато се установи такъв случай, вече е късно – инвестирано е в материали и работа, инфраструктурата е изменена, бедите не спират, общественото недоволство расте – а с него и недоверието към градските власти. „Ако знаехме, че ще стане така,“ казват си често отговорниците. 

Цифровият близнак позволява да знаем предварително какви ефекти да очакваме от всяка промяна в градската пътна мрежа. Стойността на подобна инвестиция е огромна, тъй като за голяма част от трагичните случаи проблемът е във водачите на МПС (шофиране в нетрезво състояние, разсейване по време на шофиране), но и в твърде много случаи става дума за проблеми в инфраструктурата – задържане на дъждовна вода, ограничена видимост, дефекти по пътната настилка и др. 

За да си представим колко ценна е възможността за виртуално тестване на сценарии, можем да си представим някои от често срещаните дискусии за промяна в градската пътна мрежа: дали да сложим светофар на нерегулирано кръстовище, или да изградим кръгово движение; как ще повлияе полагането на изкуствени неравности за намаляването на скоростта в определен участък; дали е по-добре да направим улица с шикани за забавяне на автомобилното движение, или да я направим изцяло пешеходна и да пренасочим колите другаде? 

Фактори 

Все пак мнозина биха се поколебали дали наистина е необходима подобна инвестиция в настоящия момент. Но има фактори, с които няма как да се спори. Очаква се до 2050 година глобалното население да се увеличи с около 2 милиарда души. Огромна част от него обитава градовете. Нарастващият брой хора и урбанизацията поставят огромен натиск върху всички инфраструктури. Движението на всички тези хора в рамките на градовете и извън тях е неизбежно. Но, според различните източници на данни, транспортът е отговорен за огромна част от въглеродните емисии в света. 

Стремежът за намаляване на CO₂ емисиите води до радикални промени в транспортните системи. Търси се повече ефективност във всички видове превози. В ежедневието навлизат електрически превозни средства. Железопътният превоз, като най-ефективен, привлича все по-голямо внимание. Безпилотни автомобили вече вървят в някои градове, но все още са рядкост, докато безпилотните влакове са факт на много повече места. 

Не можем да пренебрегнем и ефектите на пандемията. Тя превърна в норма работенето от къщи. Много от дистанционно работещите се преместиха да живеят в по-далечни квартали или дори извън градовете. Те обаче редовно пътуват до централните офиси на своите фирми за провеждането на важни срещи на живо. Успоредно с това новият формат на работа научи хората на електронно пазаруване. Сега много повече стоки пътуват от складовете на производители и търговци до индивидуални адреси по цял свят. Всичко това изисква бързо, неотложно преобразяване на пътните инфраструктури и логистичните дейности.