Как цифровые двойники меняют жизнь мегаполисов
Крупнейшие мегаполисы мира внедряют цифровые технологии для управления стройкой, общественным транспортом, ЖКХ и другими сферами жизни. Чтобы прогнозировать, как новые объекты или маршруты изменят нагрузку на инфраструктуру, используются цифровые двойники. Благодаря этой технологии можно кроме прочего смоделировать чрезвычайные ситуации и предотвратить утрату объектов культурного наследия.
Умные и цифровые
Объем глобального рынка умных городов к 2030 году достигнет $1,4 трлн, а по итогам 2025-го ожидается $699,7 млрд, прогнозируют аналитики Markets and Markets.
Урбанизация, технологический прогресс и государственные инициативы способствуют принятию концепции smart city. Мегаполисам теперь важно не просто получать данные, но и оперативно их анализировать и интерпретировать. В этом помогают цифровые двойники — виртуальные копии реальных объектов и целых городов. Однако термин включает в себя множество цифровых сущностей — от обычного цифрового фото до трехмерной графической модели с взаимосвязанными атрибутивными данными.
Современные цифровые технологии и развитие компьютерной техники, позволяющей обрабатывать большие объемы данных, дали возможность совершить революционный скачок не только при сборе и хранении данных, но и при их аналитической проработке. Это зачастую называют «предиктивной аналитикой», которая является одной из технологий искусственного интеллекта. Именно с таких позиций нужно рассматривать то, что сейчас многие называют «цифровым двойником».
Заместитель генерального директора по научной работе «СиСофт Девелопмент»
С помощью цифровых решений специалисты могут моделировать жизненный цикл районов и целого города, контролировать инфраструктуру, выявлять перспективные направления для строительства, проверять различные гипотезы.
сокращается энергопотребление в городах
снижаются затраты на инфраструктуру
Первый цифровой двойник появился у города-государства Сингапур еще в 2014 году. Сейчас проекты виртуальных копий мегаполисов реализуются в Китае (в стране даже утвердили национальный стандарт «Умный город — Городской цифровой двойник — Часть 1: Техническая справочная архитектура»), в Испании и других странах.
В России полномасштабный цифровой двойник всего города есть только у Москвы.
«Отзеркалили реальность»
Платформа «Цифровой двойник Москвы» работает с 2019 года. Для ее создания специалисты сделали миллионы фотографий всей столицы с разных ракурсов. В этом процессе применяли беспилотники. Съемки ведут ежегодно для обновления данных.
«Цифровой двойник Москвы» применяют для контроля возведения различных объектов — от многоэтажных домов до заводов. Например, платформа помогает оценивать воздействие новых сооружений на архитектурный облик, на транспортную доступность и изменение нагрузки на социальную сферу.
Если в одном из районов Москвы планируют открыть круглосуточный крытый каток, то моделирование покажет, как изменятся транспортные потоки нагрузки на электросети в этом районе.
С помощью платформы отслеживают движение общественного транспорта, проверяют системы ЖКХ и т. д.
миллионов фотографий
потребовалось для создания
цифрового двойника Москвы
аналитических слоев
дополняют фотограмметрическую модель
километров
составляет архив панорам
всей территории Москвы с 2013 года
С 2022 года в платформе применяются динамические слои. Так, можно наблюдать за движением городской техники прямо на виртуальной карте.
Отдельные столичные организации также создают цифровых двойников. Центр организации дорожного движения (ЦОДД) Москвы создал виртуальную копию улично-дорожной сети, на основе которой была разработана динамическая транспортная модель.
единиц городской техники в 3D-копии отображается в реальном времени
Модель позволяет оценить, как изменится загруженность автомагистралей в случае перекрытий или ввода новых развязок. Мосводоканал использует цифровых двойников, чтобы за 10 минут с точностью до метра определить место протечки.
Есть свой цифровой двойник столицы и у Департамента градостроительства. С января 2024-го каждый проект, который получает свидетельство об утверждении АГР (архитектурно-градостроительного решения), сопровождается высокополигональной трехмерной моделью. Все модели загружают в программную оболочку, и у Комитета по архитектуре и градостроительству появляется возможность видеть реалистичные панорамы перспективной застройки Москвы.
Пазл из цифровых двойников
Проекты по созданию цифровых двойников в российских регионах носят лоскутный характер. Инициативы касаются отдельных направлений, а не города целиком.
Например, создающийся цифровой двойник Казани представляет собой комплексную геоинформационную систему, задача которой — агрегировать данные о состоянии различной инфраструктуры и моделировать сценарии развития города. В цифровой вид перевели более 75 % сетей и 65 % общественных городских пространств. В руководстве города хорошо осведомлены о наличии парковочных мест, количестве деревьев и кустарников в каждом дворе жилого дома, состоянии дорог у ЖК и т. д.
Однако завершение проекта цифрового двойника тормозит ограничение на полеты беспилотников, действующее в Татарстане с ноября 2022 года. В результате у города нет возможности создать детализированную трехмерную модель — есть лишь упрощенная блочная 3D-модель.
Как создаются цифровые двойники?
Для создания цифровых двойников применяются автомобильные комплексы (делаются панорамы местности, например улично-дорожной сети) и беспилотники с камерами высокого разрешения.
Информация собирается с объектов при помощи датчиков Интернета вещей и ИТ-систем организаций (используются на всем протяжении жизненного цикла объекта для сбора данных).
Данные по беспроводным сетям связи поступают для обработки на облачные платформы или же анализируются на периферии при помощи машинного обучения, нейросетей, математических моделей. Для визуализации данных используются веб-интерфейсы, дополненная и виртуальная реальности, мобильные приложения.
В Ульяновске разработали цифровой двойник транспортной системы, чтобы понимать, как изменятся условия передвижения горожан. Исследователи опросили тысячи жителей региона. Сейчас в модели — вся улично-дорожная сеть, более 250 городских маршрутов, 1,8 тыс. остановок и т. д. Смоделированы варианты развития транспортной инфраструктуры до 2030, 2035 и 2040 гг.
Цифровые потоки
Цифровые двойники создаются не только для городских, но и для природных объектов.
В июне прошлого года уровень воды в реке Янцзы, самой протяженной (6,3 тыс. км) и многоводной реки Евразии, поднялся до опасной отметки, из-за чего в Китае потребовалось эвакуировать 195 тыс. человек. Наводнение 2020 года было даже разрушительнее и затронуло более 38 млн человек.
На реке Янцзы расположена крупнейшая в мире по установленной мощности (22,5 гигаватт) гидроэлектростанция «Три ущелья». Задача объекта заключается и в защите расположенных ниже по течению городов от разрушительных паводков. Однако из-за меняющегося характера осадков прогнозировать затопления становится все сложнее. Решить эту проблему позволит 3D-модель всего бассейна реки.
Цифровой двойник водоема будет включать топографические данные, сведения об уровне воды, биоразнообразии. Интеграция данных об осадках, погоде и течении реки, видеонаблюдение и дистанционное зондирование помогут улучшить возможности мониторинга.
станций мониторинга уровня воды расположено по течению
станций наблюдения за осадками установлено по всему бассейну
Проект решит и еще одну проблему — разрозненность форматов обмена данными. Разные организации используют форматы HDF, CSV и NetCDF, что усложняет оперативное взаимодействие.
Цифровые следы
Цифровые двойники помогают в восстановлении объектов культурного наследия из-за техногенных и природных ЧС. Можно даже воссоздать обстановку, предшествующую разрушению.
Например, Сотрудники Института истории материальной культуры РАН рассказали об опыте изучения причин уничтожения Триумфальной арки в Сирии. У специалистов возникло две версии — авиаудар или целенаправленное уничтожение объекта при помощи бомбы.
Сотрудники РАН создали трехмерную модель Триумфальной арки и смоделировали сценарий, при котором взрывчатку подложили умышленно. При виртуальном воспроизведении взрыва ученые получили аналогичные повреждения и обломки объекта.
Кроме понимания причин при помощи цифрового двойника объекты культурного наследия проще восстанавливать. Например, в апреле 2019 года огонь серьезно повредил собор Парижской Богоматери. Восстанавливали объект почти пять лет. Возможно, работы бы затянулись, не проведи в 2010 году специалисты полное 3D-сканирование собора. Восстановили объект лишь в декабре 2024 года.
Для восстановления объектов архитектурного наследия, особенно с множеством оригинальных деталей, лучше всего использовать не фото, а результаты лазерного сканирования с детальной фотограмметрией. Эта технология позволяет максимально четко зафиксировать и перенести в виртуальный мир реальный физический объект.
Для истории можно сканировать и потом хранить файлы результатов без ручной обработки, как бы не проявляя фотопленку. Ничего не испортится, а понадобится — проявим.
Другое дело, если данные лазерного сканирования преобразуют в информационную модель и с помощью технологий предиктивной аналитики выполняют работу, каждый раз отвечая на вопрос «а что, если?». Тогда и сама информационная модель может не только быть цифровым двойником конкретного объекта, но и входить с тем или иным уровнем графической детализации в другие цифровые двойники — например, города или региона.
Заместитель генерального директора по научной работе «СиСофт Девелопмент»
Что касается российских реалий, то города в первую очередь создадут цифровые двойники не культурных объектов, а объектов инфраструктуры ЖКХ, считает Михаил Бочаров. И дело здесь — в более насущных проблемах.
Система ЖКХ — это одна большая головная боль, которая либо уже выросла до внушительных размеров, либо вот-вот достигнет своего апогея.
Качество жизни населения очень сильно зависит от ЖКХ. Система изношена, поэтому оптимизация эффективности коммунальных служб — более актуальная задача для мегаполисов.
Заместитель генерального директора по научной работе «СиСофт Девелопмент»
Эксперт отметил, что идеальный цифровой двойник должен обеспечивать взаимодействие разных городских систем на машинопонимаемом уровне. И главное препятствие здесь заключается в обеспечении интероперабельности данных. Этого, по его оценке, пока не достигнуто ни в одной стране мира.