Skaitmeninės žmonių, miestų ir krizių kopijos: kaip mokslininkai modeliuoja ateitį

Technologijos iš kosmoso: kaip skaitmeninis dvynys išgelbėjo „Apollo 13“.

"Hiustonai, turime problemą." Daugelis žmonių su tuo susipažinę

garsi frazė, tačiau ne visi žino, kad NASA Mėnulio misijos Apollo 13 įgulos pranešta problema buvo išspręsta skaitmeniniu dvynių prototipu.

Praėjo pirmosios dvi „Apollo 13“ skrydžio dienosramiai, išskyrus porą nedidelių netikėtumų, pranešė kosmoso agentūra. Budintis operatorius Joe Kerwinas net pasakė: „Mes čia mirsime iš nuobodulio“. Tačiau tai buvo paskutinis kartas, kai kas nors užsiminė apie nuobodulį.

Praėjus kelioms minutėms po bendravimo seansosprogo deguonies balionas. Maždaug tą akimirką nuskambėjo garsioji frazė: įgula apie problemas pranešė kolegoms iš NASA. Astronautai matė, kad iš deguonies baliono dideliu greičiu į kosmosą išmetamos dujos. Vėliau jutikliai parodė, kad dingo du iš trijų kuro elementų. Misijos problemos tuo nesibaigė, jie nusprendė atsisakyti nusileidimo Mėnulyje. Pagrindinė Žemėje likusių inžinierių užduotis buvo skubiai išsiaiškinti, kaip išgelbėti įgulą, esančią daugiau nei 320 tūkstančių km atstumu nuo jų.

Bet koks neteisingas sprendimas gali sukeltinepataisomos pasekmės, todėl reikėjo veikti užtikrintai. NASA specialistai turėjo 15 simuliatorių, kurie buvo naudojami astronautų ir dispečerių mokymui, įvairiems scenarijams, įskaitant gedimus, parengti. NASA skrydžių direktorius Gene Krantz sakė, kad viena iš sudėtingiausių technologijų visoje kosmoso programoje buvo modeliavimas. Mokymų metu buvo tikra tik įgula, kabina ir valdymo pultai. Visa kita, pažymėjo jis, buvo virtualu, sukurta „krūva kompiuterių, daugybė formulių ir kvalifikuotų žmonių“.

Grąžinti įgulą į Žemės centrąvadovybei reikėjo išsiaiškinti, kaip eksploatuoti rimtai apgadintą laivą, kurio konfigūracija labai skiriasi nuo tos, kuriai iš pradžių buvo atlikti skaičiavimai. Komanda turėjo rasti naujų būdų taupyti energiją, deguonį ir vandenį, išsiaiškinti, kaip iš naujo paleisti komandų modulį, kuris nėra skirtas išjungti kosmose.

Pats treniruoklis, net ir kartu suvisų kompiuterinių sistemų negalima vadinti visaverte skaitmenine dvyne. Tačiau tai, kaip dirba NASA komanda, galima palyginti su tuo, kaip veikia dubliai: treniruoklių pagalba inžinieriai modeliavo įvairius scenarijus, kurie padėjo pasirinkti tinkamą strategiją, kaip susigrąžinti įgulą. Ekspertai išvardija veiksnius, kodėl sistema, kurią NASA naudojo gelbėdama „Apollo 13“ įgulą, gali būti laikoma skaitmeninio dvynio prototipu.

  • Skaitmeniniai dvyniai yra naudingiausi, kaisiejami su tiesioginei žmogaus įtakai neprieinamais fiziniais objektais. Jie reikalauja nuolatinio grįžtamojo ryšio iš fizinio objekto, kad būtų galima atnaujinti informaciją ir priimti sprendimus. „Apollo 13“ šį vaidmenį atliko ryšiai;
  • Turėtų pakakti skaitmeninio dvynukolankstus reaguoti į su juo susijusio fizinio objekto pokyčius. NASA per kelias valandas perkonfigūravo treniruoklius, kad atkurtų konfigūraciją, kuri nebuvo skirta;
  • „Apollo 13“ misija neturėjo skaitmeninėsdvigubai: kosmoso agentūra naudojo 15 skirtingų simuliatorių įvairioms detalėms apskaičiuoti. Šiuolaikiniai skaitmeniniai dvyniai taip pat susideda iš daugybės sąveikaujančių modelių.

NASA dabar naudoja skaitmeninius dvyniusrekomendacijų, kelių žemėlapių ir naujos kartos laivų kūrimas. „Galutinis skaitmeninio dvynio tikslas yra kurti, išbandyti ir kurti įrangą virtualioje aplinkoje. Tik tada, kai gauname tai, kas atitinka mūsų reikalavimus, sukuriame tai fiziškai. Tuo pačiu metu mums reikia, kad objektas būtų sujungtas su skaitmeniniu dvyniu per jutiklius ir kad skaitmeniniame dvynyje būtų visa informacija apie objektą “, - aiškina NASA darbuotojas Johnas Vickersas.

Kur Žemėje galima naudoti skaitmeninius dvynius?

Padeda sukurti skaitmeniniai dvyniaiiš anksto išbandykite daugiau scenarijų – virtualiame modelyje, o ne fiziniame objekte. Dvynių pagalba galima padidinti pastato energinį efektyvumą, optimizuoti jo poveikį klimatui, gauti informaciją apie objekto apkrovas ir gedimus. Ir visai nesvarbu, apie kokį objektą kalbame – apie stakles, lėktuvą ar pastatą. Skirtingai nuo klasikinių simuliatorių, skaitmeniniai dvyniai naudoja duomenis realiuoju laiku. Be to, treniruoklis tiria vieną procesą, o dvynys gali atlikti skirtingą skaičių modeliavimų skaičiavimams.

Pavyzdžiui, skaitmeninė dvynių technologijanaudoja Siemens. Bendrovė remiasi jais, kad padėtų projektuoti dujų turbinas, organizuoti gamyklas ar naujus pastatus, pavyzdžiui, jos būstinę Šveicarijoje. Ši technologija padėjo sukurti triratę elektromobilį Solo iš Kanados startuolio Electra Meccanica. Inžinieriai iš anksto išbandė ir optimizavo visus automobilio elementus naudodami skaitmeninius dvynius.

Kur naudojami skaitmeniniai dvyniai:

  • Pramonėje kuriami skaitmeniniai pastatų, technologinių procesų ir net atskirų gaminių dvyniai;
  • Automobilių gamintojai atsisako naujų automobilių modelių susidūrimo testų, juos pakeičia virtualiais testais;
  • Statybos pramonėje, platinimasgavo BIM technologijas. Jų pagalba galima sukurti naujo transporto mazgo modelį ir pamatyti, kaip pasiskirsto transporto srautai, imituoti naują eismo schemą pėstiesiems prie metro ir įvertinti, kiek tai efektyvu ir ar gali pagreitinti eismą.

Kas turi skaitmeninius dvynius Rusijoje

Rusijoje žinomas objektų skaitmeninimasmobilios laboratorijos „Yandex“ ir Google, kurios keliauja po miestus ir daro panoramas. Kelių ir pastatų skaitmeninių kopijų kūrimas jau seniai palengvino žmonių gyvenimą, nes jiems buvo suteikta galimybė nustatyti maršrutą, sekti eismo spūstis ir sekti remonto darbus. Tačiau tai tik ledkalnio viršūnė – dviviečiai gali padėti sudėtingesnėje navigacijoje.

Rusijoje vykdomas skaitmeninių dvynių kūrimasRostec ir GLONASS. Įmonės pradėjo bendrą projektą, kurio metu renka duomenis iš vaizdo registratorių ir sujungia juos su matematiniu kelių infrastruktūros modeliu (tas pats skaitmeninis dvynys) ir kelių kamerų duomenimis. Dirbtinis intelektas (DI) analizuoja šį vaizdą ir palygina rezultatus su saugos standartais – važiuojamosios dalies plotis ir eismo juostų skaičius, kelio ženklų ir šviesoforų vietos. Programa kiekvienai kelio atkarpai priskiria įvertinimą ir pateikia rekomendacijas, kaip ją tobulinti.

AI jau išanalizavo beveik 3000 km kelių Orenburgo regione ir surado pavojingiausius ruožus.

Ką gali padaryti skaitmeniniai įrankiai:

  • sumažinti eismo spūstis;
  • stebėti oro ir aplinkos sąlygas;
  • efektyviau naudoti išteklius;
  • imituoti naujų kelių infrastruktūros elementų statybą;
  • apskaičiuoti nepilotuojamų transporto priemonių judėjimo organizavimo galimybes.

Kitas Rusijos projektas yra mobilusisbendrovės „Skaitmeniniai keliai“ laboratorijose. Jie taip automatizuoja ir pagreitina kelių tinklo objektų skaitmeninimo procesą, kad infrastruktūra su visais pakeitimais bus rodoma realiu laiku. Sistema gali fiksuoti objektų vietą 10 cm tikslumu, nustatyti jų dydį ir net perskaityti, kas ant jų parašyta. Plėtra suteiks objektyvų infrastruktūros būklės vaizdą ir padės išsamiai registruoti visus objektus ir juose vykstančius pokyčius.

Mobiliųjų laboratorijų tinklas irDVR gali nuskaityti iki 150 km per dieną. Sistema suskaitmenina objektus, praneša apie naujus ir laikinus objektus, fiksuoja žalą. Platforma saugo ir analizuoja jų būklės istoriją, kontroliuoja reklaminius ženklus ir net rengia eismo valdymo projektus.

Kam reikalingi skaitmeniniai dvyniai?

Skaitmeniniai dvyniai yra labai naudingi, bet nereikalingivisi procesai ir įmonės. IBM teigimu, kai kuriais atvejais virtualios objekto kopijos sukūrimas padidins jo kainą, bet neduos norimo rezultato.

Tyrėjų teigimu, naudojant dvigubąreikalingi fiziškai dideliems ir sudėtingiems projektams, tokiems kaip pastatai, tiltai, reaktyvinės turbinos, automobiliai ir lėktuvai. Ši technologija bus naudinga energetikos įmonėms ir pramonės šakoms.

Skaitmeninė dvynių rinka sparčiai plečiasi iraugs dar bent keletą metų, tikisi ekspertai. 2020 metais ši rinka buvo įvertinta 3,1 milijardo JAV dolerių, o 2026 m., kai kurių analitikų prognozėmis, ji gali siekti maždaug 48,2 milijardo dolerių. Daugelis įmonių ir tyrimų institutų tik neseniai įvertino jos stiprumą. Dabar norima išbandyti didelio masto įvykių – pasaulinių finansų krizių, karų ar net žmonių – modeliavimą.

Skaityti daugiau

Statomas didžiausias ir galingiausias vėjo generatorius. Tai suteiks energijos 20 tūkstančių namų

Atominio laikrodžio eksperimentas patvirtina gravitacinį raudonąjį poslinkį

Nuotolinis plaučių tikrinimas buvo toks pat veiksmingas kaip ir akis į akį