Digitale Kopien von Menschen, Städten und Krisen: Wie Wissenschaftler die Zukunft modellieren

Technologie aus dem All: Wie ein digitaler Zwilling Apollo 13 rettete

"Houston, wir haben ein Problem." Das ist vielen Menschen bekannt

Berühmter Satz, aber nicht jeder weiß, dass das von der Besatzung der Mondmission Apollo 13 der NASA gemeldete Problem durch einen Prototyp eines digitalen Zwillings gelöst wurde.

Die ersten zwei Tage des Fluges von Apollo 13 sind vorbeiruhig, bis auf ein paar kleine Überraschungen, sagte die Raumfahrtbehörde. Der diensthabende Operator Joe Kerwin sagte sogar: "Wir werden hier vor Langeweile sterben." Aber dies war das letzte Mal, dass jemand Langeweile erwähnte.

Ein paar Minuten nach der Kommunikationssitzungeine Sauerstoffflasche explodierte. In diesem Moment ertönte der berühmte Satz: Die Crew meldete die Probleme den Kollegen der NASA. Astronauten sahen, wie Gas aus einer Sauerstoffflasche mit hoher Geschwindigkeit in den Weltraum geschleudert wurde. Die Sensoren zeigten später den Verlust von zwei der drei Brennstoffzellen. Die Probleme der Mission endeten damit nicht, sie beschlossen, die Landung auf dem Mond abzubrechen. Die Hauptaufgabe der auf der Erde verbliebenen Ingenieure bestand darin, dringend herauszufinden, wie die Besatzung gerettet werden kann, die sich mehr als 320.000 km von ihnen entfernt befindet.

Jede falsche Entscheidung kann zu führenirreparable Folgen, also war es notwendig, mit Sicherheit zu handeln. Den NASA-Spezialisten standen 15 Simulatoren zur Verfügung, mit denen Astronauten und Disponenten trainiert wurden, um verschiedene Szenarien bis hin zu Ausfällen zu erarbeiten. NASA-Flugdirektor Gene Krantz sagte, eine der schwierigsten Technologien im gesamten Weltraumprogramm seien Simulationen. Während des Trainings war nur die Crew, das Cockpit und die Kontrollpanels real. Alles andere, bemerkte er, sei virtuell, erstellt von "einer Reihe von Computern, vielen Formeln und erfahrenen Leuten".

Um die Crew zum Erdzentrum zurückzubringenDas Management musste herausfinden, wie ein schwer beschädigtes Schiff in einer Konfiguration betrieben werden kann, die sich stark von der Konfiguration unterscheidet, für die die Berechnungen ursprünglich durchgeführt wurden. Das Team musste neue Wege finden, um Energie, Sauerstoff und Wasser zu sparen, und herausfinden, wie das Kommandomodul neu gestartet werden kann, das nicht für das Herunterfahren im Weltraum ausgelegt ist.

Der Simulator selbst, auch in Verbindung mitnicht alle Computersysteme können als vollwertiger digitaler Zwilling bezeichnet werden. Aber die Arbeitsweise des NASA-Teams lässt sich mit der Arbeitsweise von Doubles vergleichen: Mit Hilfe von Simulatoren simulierten Ingenieure verschiedene Szenarien, die ihnen halfen, die richtige Strategie zu wählen, um die Crew zurückzubekommen. Experten listen Faktoren auf, warum das System, mit dem die NASA die Besatzung von Apollo 13 gerettet hat, als Prototyp eines digitalen Zwillings betrachtet werden könnte.

  • Digitale Zwillinge sind am nützlichsten, wennmit physischen Objekten verbunden, die für direkten menschlichen Einfluss unzugänglich sind. Sie benötigen eine ständige Rückmeldung vom physischen Objekt, um Informationen zu aktualisieren und Entscheidungen zu treffen. Bei Apollo 13 spielte die Kommunikation diese Rolle;
  • Ein digitaler Zwilling sollte ausreichenflexibel, um auf Änderungen des damit verbundenen physischen Objekts zu reagieren. Die NASA hat die Simulatoren innerhalb weniger Stunden neu konfiguriert, um eine Konfiguration nachzubilden, für die sie nicht vorgesehen war.
  • Bei der Apollo-13-Mission gab es kein digitales SystemDoppelt: Die Raumfahrtbehörde nutzte 15 verschiedene Simulatoren, um verschiedene Details zu berechnen. Auch moderne digitale Zwillinge bestehen aus vielen interagierenden Modellen.

Die NASA verwendet jetzt digitale Zwillinge, umEntwicklung von Empfehlungen, Straßenkarten und Schiffen der neuen Generation. „Das ultimative Ziel des digitalen Zwillings ist es, Geräte in einer virtuellen Umgebung zu bauen, zu testen und zu bauen. Erst wenn wir bekommen, was unseren Anforderungen entspricht, schaffen wir es physisch. Gleichzeitig brauchen wir, dass das Objekt über Sensoren mit dem digitalen Zwilling verbunden ist und der digitale Zwilling alle Informationen über das Objekt enthält“, erklärt NASA-Mitarbeiter John Vickers.

Wo auf der Erde können digitale Zwillinge eingesetzt werden?

Digitale Zwillinge entwerfen helfenProbieren Sie vorab weitere Szenarien aus - an einem virtuellen Modell, nicht an einem physischen Objekt. Mit Hilfe von Zwillingen ist es möglich, die Energieeffizienz eines Gebäudes zu steigern, seine Klimawirkung zu optimieren und Informationen über Anlagenlasten und Ausfälle zu erhalten. Dabei spielt es keine Rolle, um welche Art von Objekt wir sprechen – eine Werkzeugmaschine, ein Flugzeug oder ein Gebäude. Im Gegensatz zu klassischen Simulatoren verwenden digitale Zwillinge Echtzeitdaten. Darüber hinaus studiert der Simulator einen Prozess, und der Zwilling kann eine andere Anzahl von Simulationen für Berechnungen ausführen.

Digital-Twin-Technologie zum Beispielverwendet Siemens. Auf sie setzt das Unternehmen bei der Auslegung von Gasturbinen, der Organisation von Fabriken oder Neubauten, etwa am Hauptsitz in der Schweiz. Die Technologie half bei der Entwicklung des dreirädrigen Elektrofahrzeugs Solo des kanadischen Startups Electra Meccanica. Die Ingenieure testeten und optimierten alle Elemente des Autos mit digitalen Zwillingen.

Wo digitale Zwillinge eingesetzt werden:

  • In der Industrie entstehen digitale Zwillinge von Gebäuden, technologischen Prozessen und sogar einzelnen Produkten;
  • Autohersteller verzichten auf Crashtests neuer Automodelle und ersetzen sie durch virtuelle Tests;
  • In der Baubranche, Vertrieberhielt BIM-Technologien. Mit ihrer Hilfe können Sie ein Modell eines neuen Verkehrsknotenpunkts erstellen und sehen, wie sich die Verkehrsströme verteilen, ein neues Verkehrsmuster für Fußgänger in der Nähe der U-Bahn simulieren und bewerten, wie effektiv es ist und ob es den Verkehr beschleunigen kann.

Wer hat digitale Zwillinge in Russland

In Russland ist die Digitalisierung von Objekten bekannt fürmobile Labore "Yandex" und Google, die durch Städte reisen und Panoramen aufnehmen. Das Erstellen digitaler Kopien von Straßen und Gebäuden hat den Menschen das Leben schon seit langem erleichtert, indem es ihnen ermöglicht, Routen zu erstellen, Verkehrsstaus zu verfolgen und Reparaturen auf dem Weg zu verfolgen. Aber das ist nur die Spitze des Eisbergs – Doppelgänger können bei komplexerer Navigation helfen.

Die Entwicklung von digitalen Zwillingen in Russland wird durchgeführtRostec und GLONASS. Die Unternehmen haben ein gemeinsames Projekt gestartet, bei dem sie Daten von Videorekordern sammeln und mit einem mathematischen Modell der Straßeninfrastruktur (derselbe digitale Zwilling) und Daten von Straßenkameras kombinieren. Künstliche Intelligenz (KI) analysiert dieses Bild und vergleicht die Ergebnisse mit Sicherheitsstandards – der Fahrbahnbreite und der Anzahl der Fahrspuren, der Anordnung von Verkehrszeichen und Ampeln. Das Programm ordnet jedem Straßenabschnitt eine Bewertung zu und gibt Empfehlungen zur Verbesserung.

KI hat bereits fast 3.000 km Straßen in der Region Orenburg analysiert und die gefährlichsten Abschnitte gefunden.

Was digitale Tools leisten können:

  • Verkehrsstaus reduzieren;
  • Wetter- und Umweltbedingungen überwachen;
  • Ressourcen effizienter nutzen;
  • den Bau neuer Elemente der Straßeninfrastruktur simulieren;
  • Berechnen Sie Möglichkeiten zur Organisation der Bewegung unbemannter Fahrzeuge.

Ein weiteres russisches Projekt ist mobilLaboratorien der Firma "Digital Roads". Sie automatisieren und beschleunigen die Digitalisierung der Objekte des Straßennetzes so weit, dass die Infrastruktur mit allen Veränderungen in Echtzeit dargestellt wird. Das System kann die Position von Objekten mit einer Genauigkeit von 10 cm bestimmen, ihre Größe bestimmen und sogar lesen, was darauf geschrieben ist. Die Entwicklung wird ein objektives Bild des Zustands der Infrastruktur liefern und dazu beitragen, alle Objekte und deren Veränderungen gründlich zu dokumentieren.

Ein Netzwerk aus mobilen Laboren undDVRs können bis zu 150 km pro Tag lesen. Das System digitalisiert Objekte, meldet neue und temporäre Objekte und erfasst Schäden. Die Plattform speichert und analysiert deren Zustandshistorie, steuert Werbeschilder und bereitet sogar Verkehrsmanagementprojekte vor.

Wer braucht digitale Zwillinge?

Digitale Zwillinge sind sehr nützlich, aber nicht notwendig füralle Prozesse und Unternehmen. In einigen Fällen erhöht das Erstellen einer virtuellen Kopie eines Objekts die Kosten, führt jedoch laut IBM nicht zum gewünschten Ergebnis.

Laut Forschern ist die Verwendung eines doppeltenfür physisch große und komplexe Projekte wie Gebäude, Brücken, Düsenturbinen, Autos und Flugzeuge benötigt. Die Technologie wird für Energieunternehmen und -industrien nützlich sein.

Der Markt für digitale Zwillinge wächst rasant undwird noch mindestens einige Jahre weiter wachsen, erwarten Experten. Im Jahr 2020 wurde dieser Markt auf 3,1 Mrd. US-Dollar geschätzt, bis 2026 könnte er nach Prognosen einiger Analysten etwa 48,2 Mrd. US-Dollar erreichen.Viele Unternehmen und Forschungsinstitute haben seine Stärke erst kürzlich bewertet. Jetzt wollen sie Simulationen von Großereignissen testen – globale Finanzkrisen, Kriege oder sogar Menschen.

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