Следующим драйвером повышения интереса к цифровым двойникам (ЦД), помимо обозначенного во вступлении к статье, становятся глобальные технологические тренды: те объёмы информации, которые ранее обрабатывались вручную или в полуавтоматическом режиме, сейчас полностью подпадают под новые методы работы с так называемыми «большими данными» (Big Data), в том числе с возможностями использования искусственного интеллекта и/или машинного обучения (ИИ), «облачных» технологий и кластерных вычислений.


Рис. 1. Информационная модель как поставщик данных для цифрового двойника объекта

Наконец, стоит отметить тенденцию сближения (конвергенции) технологий для цифрового строительства и производства, реализуемых в конкретных САПР. Этот тренд в том числе предопределяет ещё более активное применение передовых наработок, которые уже вовсю используются, например, в автомобилеи авиастроении для решения задач строительной отрасли. Так, цифровые двойники изделий уже давно используется как для предиктивного анализа, так и для моделирования различных сценариев функционирования уже готового изделия («что, если?») без прерывания его работы. В 2021 году в России уже появился ГОСТ Р 57700.37–2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения».

В строительстве мы только идём к этому. На сегодняшний день отсутствует единое определение, разные эксперты по-разному оценивают сущность ЦД и его отношение к BIM-модели. Для единого понимания и не настаивая на конечной точности, автор предлагает следующее определение: «цифровой двойник — это виртуальная копия физического объекта, которая полностью определяет его реальный прообраз и изменяется вместе с ним, включая геометрическое представление и моделирование поведения в реальных условиях строительства и эксплуатации».

Необходимо также ввести иерархию цифровых двойников. Глобальное развитие моделирования, например, промышленного или производственного объекта будет включать все аспекты: моделирование изготовления изделий, конвейера, расположения оборудования в здании и технологическое планирование потоков людей при обслуживании (рис. 2); взаимное расположение корпусов завода на его территории, моделирование логистики и складов и другие. В этой связи видится логичным разделение цифровых двойников на уровни: «изделие» — «цех» — «предприятие» («кластер предприятий»). Создание каждого из них имеет вполне конкретные цели. Зачастую ЦД уровня «изделие» является поставщиком данных для двойника цеха и наоборот.


Рис. 2. Пример расчётов с использованием ЦД уровня цеха. Моделирование потоков людей.

Таким образом, можно отметить бесшовный информационный обмен, как один из принципов функционирования цифровых двойников.

Как было уже упомянуто ранее, существует две основные макроцели применения цифровых двойников: предиктивные аналитика и расчёты, а также задачи эксплуатации. ЦД на этапе создания концепции объекта может помочь выйти на его оптимальные характеристики без необходимости трудозатрат на долгие расчёты и пересчёты в будущем, а также перепроектирования и перестройки уже готовых зданий для улучшения их характеристик, что зачастую невозможно.

Для изделий цифровой двойник отменяет необходимость создания опытных физических экземпляров, значительно сокращая время от начала разработки идеи до конечного запуска решения и его выхода на рынок (time to market). Такой подход позволяет гарантировать необходимое заданное качество объекта капитального строительства и его реальную энергоэффективность в будущем. И здесь главный помощник — инструментарий имитационного, математического и физического моделирования (Simulations), не путать с информационным моделированием.

«Цифровые двойники для задач эксплуатации» — основная тема доклада автора на V Ежегодной конференции «BIM и BЕM как инструменты оптимизации современного инженерного обустройства зданий» (BIM & BEM 2022).

Основные преимущества использования цифрового двойника напрямую перекликаются с формированием так называемого «цифрового актива» объекта. Он получается на основе BIM-модели стадии «как построено» (as built) или исполнительной модели. В дальнейшем эта модель «живёт» и изменяется вместе с реальным объектом благодаря многочисленным датчикам обратной связи и системам обслуживания и ремонта (ТОИР).

Таким образом, цифровой двойник в любой момент времени является виртуальной копией реального физического объекта, оправдывая своё название.

Естественно, такой подход подразумевает отдельное внимание и ресурсы для обновления и поддержания в надлежащем состоянии модели и параметров её компонент.

Давайте перечислим основные задачи ЦД на стадии эксплуатации:

  • уменьшение сроков выполнения работ по обслуживанию и предупреждение ремонтов, что достигается интеграцией с датчиками и контроллерами оборудования, а также обменом информацией с системами управления инженерными данными (СУИД), ТОИР и EAM (Enterprise Asset Management) и системами в части двусторонней передачи данных;
  • радикальное уменьшение времени на разработку электронных паспортов и доступа к ним, уточнение расчёта объёмов и необходимых средств;
  • общий мониторинг объекта, достижение нового уровня понимания происходящего на объекте;
  • рост производительности и квалификации персонала за счёт применения перспективных технологий обучения, уменьшение человеческого фактора и количества «незаменимых» работников;
  • оперативный дистанционный доступ к цифровой информации на всех этапах в режиме реального времени, сквозная передача информации в различные системы эксплуатирующей компании (рис. 3);
  • оптимизация логистики, потоков людей и загрузки оборудования, реализация расчётных моделей работы и проверка сценариев изменения технологических процессов завода;
  • предиктивная аналитика ремонтов, сценарии применения ИИ при работе с цифровыми данными.


Рис. 3. Различные вычисления с использованием ЦД или его данных

Тема получения и использования цифровых двойников в строительстве поистине обширная. Эта статья лишь вводная в данную тематику и может быть отдельно раскрыта для каждого аспекта. Автор надеется, что конструктивная дискуссия по мотивам статьи и выступления окажется полезной для проникновения понимания и использования технологий цифровых двойников в российской специфике.