Цифровые копии людей, городов и кризисов: как ученые моделируют будущее
26.10.2021
Цифровой двойник — это виртуальная копия объекта или процесса, он помогает решить проблемы в десятках сфер, причем еще до того, как они возникнут. Эту технологию НАСА использовало еще в 1960-х, тогда копия помогла вернуть на Землю экипаж «Аполлона 13». Теперь это еще более мощный инструмент, который прогнозирует развитие городов, влияние финансовых кризисов на страны, предсказывает аварии автомобилей и самолетов.
Технология из космоса: как цифровой двойник спас «Аполлон 13»
«Хьюстон, у нас проблема». Многим знакома эта знаменитая фраза, но не все знают, что проблему, о которой сообщил экипаж лунной миссии НАСА «Аполлон 13», помог решить прототип цифрового двойника.
Первые два дня полета «Аполлона 13» прошли спокойно, за исключением пары мелких сюрпризов, рассказывало космическое агентство. Дежурный оператор связи Джо Кервин даже сказал: «Мы тут умрем со скуки». Но это был последний раз, когда кто-то упоминал о скуке.
Спустя несколько минут после сеанса связи взорвался кислородный баллон. Примерно в тот момент и прозвучала знаменитая фраза: экипаж сообщил о проблемах коллегам из НАСА. Астронавты увидели, как газ из кислородного баллона с большой скоростью выбрасывается в космос. Позже датчики показали потерю двух из трех топливных элементов. На этом проблемы миссии не закончились, от высадки на Луну решили отказаться. Главной задачей инженеров, которые остались на Земле, стало срочно придумать, как спасти экипаж, который находится на расстоянии более 320 тыс. км от них.
Любое неправильное решение могло привести к непоправимым последствиям, поэтому действовать нужно было наверняка. В распоряжении специалистов НАСА было 15 тренажеров, которые использовали для обучения астронавтов и диспетчеров, отработки разнообразных сценариев, включая сбои. Руководитель полетов НАСА Джин Кранц говорил, что одной из самых сложных технологий всей космической программы были симуляторы. Все, что было реальным во время обучения, — это экипаж, кабина и пульты управления. Все остальное, отмечал он, было виртуальным, созданным «кучей компьютеров, множеством формул и квалифицированными специалистами».
Для возвращения экипажа на Землю центру управления нужно было было выяснить, как управлять серьезно поврежденным кораблем в конфигурации, сильно отличающейся от той, для которой изначально проводились расчеты. Команде пришлось найти новые способы экономить энергию, кислород и воду, придумать, как перезапустить командный модуль, который не рассчитан на отключение в космосе.
Сам по себе симулятор даже в совокупности со всеми компьютерными системами нельзя назвать полноценным цифровым двойником. Но принцип действий команды НАСА вполне можно сравнить с тем, как работают двойники: с помощью симуляторов инженеры смоделировали различные сценарии, которые помогли им выбрать верную стратегию, чтобы вернуть экипаж. Эксперты перечисляют факторы, почему систему, которую использовало НАСА для спасения экипажа «Аполлона 13», можно считать прототипом цифрового двойника.
- Цифровые двойники наиболее полезны, когда связаны с физическими объектами, недоступными для прямого воздействия человека. Они требуют от физического объекта постоянной обратной связи для обновления информации и принятия решений. В «Аполлоне 13» эту роль выполняли средства связи;
- Цифровой двойник должен быть достаточно гибким, чтобы реагировать на изменения связанного с ним физического объекта. НАСА перенастроило симуляторы за считанные часы, чтобы воссоздать конфигурацию, которую не предусматривали при проектировании;
- У миссии «Аполлон 13» не было цифрового двойника: космическое агентство использовало 15 разных симуляторов для просчитывания разных деталей. Современные цифровые двойники тоже состоят из множества взаимодействующих между собой моделей.
Сейчас НАСА использует цифровые двойники для разработки рекомендаций, дорожных карт и кораблей нового поколения. «Конечная цель цифрового двойника — создавать, тестировать и строить оборудование в виртуальной среде. Только когда мы получаем то, что соответствует нашим требованиям, мы создаем это физически. При этом нам нужно, чтобы объект был связан с цифровым двойником через датчики и чтобы цифровой двойник содержал всю информацию об объекте», — поясняет сотрудник НАСА Джон Викерс.
Где на Земле можно использовать цифровые двойники
Цифровые двойники при проектировании помогают опробовать больше сценариев заранее — на виртуальной модели, а не на физическом объекте. С помощью двойников можно повысить энергоэффективность здания, оптимизировать воздействие на климат, получать информацию о нагрузках на объект и сбоях. Причем неважно, о каком именно объекте идет речь — станке, самолете или здании. В отличие от классических симуляторов, цифровые двойники используют данные в реальном времени. Причем симулятор изучает один процесс, а двойник может запускать разное количество симуляций для расчетов.
Технологию цифровых двойников, например, использует Siemens. Компания прибегает к их помощи при проектировании газовых турбин, организации работы заводов или в новых зданиях, например в своей штаб-квартире в Швейцарии. Технология помогла создать трехколесный электромобиль Solo от канадского стартапа Electra Meccanica. Инженеры заранее протестировали и оптимизировали все элементы автомобиля с помощью цифровых двойников.
Где используют цифровые двойники:
- В промышленности создаются цифровые двойники зданий, технологических процессов и даже отдельных изделий;
- Автопроизводители отказываются от краш-тестов новых моделей машин, заменив их виртуальными испытаниями;
- В строительной отрасли распространение получили BIM-технологии. С их помощью можно создать модель новой транспортной развязки и посмотреть, как распределяются транспортные потоки, смоделировать новую схему движения для пешеходов рядом с метро и оценить, насколько она эффективна и сможет ли ускорить движение.
У кого в России есть цифровые двойники
В России оцифровка объектов известна благодаря мобильным лабораториям «Яндекса» и Google, которые ездят по городам и снимают панорамы. Создание цифровых копий дорог и зданий уже давно упрощает людям жизнь, позволяя прокладывать маршрут, отслеживать пробки и ремонтные работы на пути. Но это только вершина айсберга — двойники могут помочь и в более сложной навигации.
Развитием цифровых двойников в России занимаются Ростех и ГЛОНАСС. Компании запустили совместный проект, где они собирают данные с видеорегистраторов и совмещают их с математической моделью дорожной инфраструктуры (тот самый цифровой двойник) и данными дорожных камер. Искусственный интеллект (ИИ) анализирует эту картину и сопоставляет результаты с нормативами безопасности — шириной дорожного полотна и количеством полос, местами расположения дорожных знаков и светофоров. Программа присваивает каждому участку дороги рейтинг и дает рекомендации по его улучшению.
ИИ уже проанализировал почти 3 000 км дорог в Оренбургской области и нашел самые аварийно-опасные участки.
Что можно сделать с помощью цифровых инструментов:
- снижать загруженность дорог;
- отслеживать погоду и экологические условия;
- рациональнее использовать ресурсы;
- моделировать строительство новых элементов дорожной инфраструктуры;
- просчитывать варианты организации движения беспилотных автомобилей.
Еще один российский проект — мобильные лаборатории компании «Цифровые дороги». Они автоматизируют и ускоряют процесс оцифровки объектов улично-дорожной сети настолько, что инфраструктура со всеми изменениями будет отображаться в реальном времени. Система может фиксировать расположение объектов с точностью до 10 см, определять их размер и даже читать, что на них написано. Разработка предоставит объективную картину состояния инфраструктуры и поможет вести доскональный учет всех объектов и происходящих с ними изменений.
Сеть из мобильных лабораторий и видеорегистраторов может считывать до 150 км в день. Система оцифровывает объекты, сообщает о новых и временных объектах, фиксирует повреждения. Платформа хранит и анализирует историю их состояния, контролирует рекламные вывески и даже готовит проекты организации дорожного движения.
Кому нужны цифровые двойники?
Цифровые двойники очень полезны, но нужны не для всех процессов и компаний. В некоторых случаях создание виртуальной копии объекта увеличит его стоимость, но не даст нужного результата, считают специалисты IBM.
По мнению исследователей, использование двойника понадобится для физически больших и сложных проектов вроде зданий, мостов, реактивных турбин, автомобилей и самолетов. Технология будет полезна предприятиям энергетической сферы и производствам.
Рынок цифровых двойников быстро расширяется и продолжит расти еще как минимум несколько лет, ожидают эксперты. В 2020 году этот рынок оценивался в $3,1 млрд, а к 2026-му, по прогнозам некоторых аналитиков, может достигнуть примерно $48,2 млрд. Его силу многие компании и исследовательские институты оценили только недавно. Теперь они хотят тестировать имитацию крупномасштабных событий — мировых финансовых кризисов, войн или даже людей.