Cyfrowe kopie ludzi, miast i kryzysów: jak naukowcy modelują przyszłość

Technologia z kosmosu: jak cyfrowy bliźniak uratował Apollo 13

„Houstonie, mamy problem”. Wiele osób jest z tym zaznajomionych

słynne zdanie, ale nie wszyscy wiedzą, że problem zgłoszony przez załogę misji księżycowej NASA Apollo 13 został rozwiązany dzięki prototypowi cyfrowego bliźniaka.

Pierwsze dwa dni lotu Apollo 13po cichu, z wyjątkiem kilku drobnych niespodzianek, powiedziała agencja kosmiczna. Dyżurny operator, Joe Kerwin, powiedział nawet: „Umrzemy tu z nudów”. Ale to był ostatni raz, kiedy ktoś wspomniał o nudzie.

Kilka minut po sesjizbiornik z tlenem eksplodował. Mniej więcej w tym momencie zabrzmiało słynne zdanie: załoga zgłosiła problemy kolegom z NASA. Astronauci widzieli, jak gaz ze zbiornika z tlenem jest wyrzucany w kosmos z dużą prędkością. Czujniki później wykazały utratę dwóch z trzech ogniw paliwowych. Problemy misji na tym się nie skończyły, postanowili zrezygnować z lądowania na Księżycu. Głównym zadaniem inżynierów, którzy pozostali na Ziemi, było pilne ustalenie, jak uratować załogę, która znajduje się w odległości ponad 320 tys. km od nich.

Każda zła decyzja może prowadzić do:nieodwracalne konsekwencje, więc na pewno trzeba było działać. Specjaliści NASA mieli do dyspozycji 15 symulatorów, które służyły do ​​szkolenia astronautów i kontrolerów do opracowywania różnych scenariuszy, w tym awarii. Dyrektor lotu NASA Gene Krantz powiedział, że jedną z najbardziej złożonych technologii w całym programie kosmicznym były symulatory. Jedyne, co podczas szkolenia było prawdziwe, to załoga, kokpit i panele kontrolne. Zauważył, że wszystko inne jest wirtualne, stworzone przez „wiele komputerów, wiele formuł i wykwalifikowanych ludzi”.

Aby odesłać załogę do centrum Ziemikierownictwo musiało dowiedzieć się, jak sterować poważnie uszkodzonym statkiem w konfiguracji bardzo różnej od tej, dla której pierwotnie wykonano obliczenia. Zespół musiał znaleźć nowe sposoby oszczędzania energii, tlenu i wody, dowiedzieć się, jak zrestartować moduł dowodzenia, który nie jest przeznaczony do wyłączania się w kosmosie.

Sam symulator, nawet w połączeniu zWszystkie systemy komputerowe nie mogą być nazwane pełnoprawnym cyfrowym bliźniakiem. Ale sposób, w jaki pracuje zespół NASA, jest dość porównywalny do tego, jak działają sobowtóry: za pomocą symulacji inżynierowie symulowali różne scenariusze, które pomogły im wybrać odpowiednią strategię powrotu załogi. Eksperci wymieniają czynniki, dlaczego system wykorzystywany przez NASA do ratowania załogi Apollo 13 można uznać za prototypowy cyfrowy bliźniak.

  • Cyfrowe bliźniaki są najbardziej przydatne, gdyzwiązane z obiektami fizycznymi niedostępnymi dla bezpośredniego wpływu człowieka. Wymagają ciągłej informacji zwrotnej od obiektu fizycznego w celu aktualizacji informacji i podejmowania decyzji. W Apollo 13 taką rolę odegrała komunikacja;
  • Cyfrowy bliźniak powinien wystarczyćelastyczny, aby reagować na zmiany w powiązanym z nim obiekcie fizycznym. NASA przekonfigurowała symulatory w ciągu kilku godzin, aby odtworzyć konfigurację, do której nie została zaprojektowana;
  • Misja Apollo 13 nie była cyfrowapodwójne: agencja kosmiczna użyła 15 różnych symulatorów do obliczenia różnych szczegółów. Nowoczesne cyfrowe bliźniaki również składają się z wielu oddziałujących na siebie modeli.

NASA używa teraz cyfrowych bliźniaków doopracowanie zaleceń, map drogowych i statków nowej generacji. „Ostatecznym celem cyfrowego bliźniaka jest tworzenie, testowanie i budowanie sprzętu w środowisku wirtualnym. Dopiero gdy otrzymujemy coś, co spełnia nasze wymagania, tworzymy to fizycznie. Jednocześnie potrzebujemy, aby obiekt był połączony z cyfrowym bliźniakiem za pomocą czujników, a cyfrowy bliźniak zawierał wszystkie informacje o obiekcie ”- wyjaśnia pracownik NASA John Vickers.

Gdzie na ziemi można używać cyfrowych bliźniaków?

Cyfrowe bliźniaki pomagają w projektowaniuwypróbuj wcześniej więcej scenariuszy — na modelu wirtualnym, a nie na obiekcie fizycznym. Przy pomocy bliźniaków można zwiększyć efektywność energetyczną budynku, zoptymalizować wpływ na klimat, uzyskać informacje o obciążeniach obiektu i awariach. I nie ma znaczenia, o jakim przedmiocie mówimy - obrabiarce, samolocie czy budynku. W przeciwieństwie do klasycznych symulacji, cyfrowe bliźniaki wykorzystują dane w czasie rzeczywistym. Ponadto symulator bada jeden proces, a bliźniak może przeprowadzić różną liczbę symulacji do obliczeń.

Na przykład cyfrowa technologia bliźniaczaużywa Siemensa. Firma wykorzystuje je do projektowania turbin gazowych, eksploatacji zakładów czy nowych budynków, takich jak centrala w Szwajcarii. Technologia ta pomogła stworzyć trójkołowy pojazd elektryczny Solo od kanadyjskiego startupu Electra Meccanica. Inżynierowie wcześniej przetestowali i zoptymalizowali wszystkie elementy samochodu za pomocą cyfrowych bliźniaków.

Gdzie są używane cyfrowe bliźniaki?

  • W przemyśle powstają cyfrowe bliźniaki budynków, procesów technologicznych, a nawet pojedynczych produktów;
  • Producenci samochodów rezygnują z testów zderzeniowych nowych modeli samochodów, zastępując je testami wirtualnymi;
  • W branży budowlanej dystrybucjaotrzymał technologie BIM. Za ich pomocą można stworzyć model nowego węzła komunikacyjnego i zobaczyć, jak rozkłada się potoki ruchu, zasymulować nowy układ ruchu pieszych w pobliżu metra oraz ocenić na ile jest on skuteczny i czy może przyspieszyć ruch.

Kto ma cyfrowe bliźniaki w Rosji?

W Rosji digitalizacja obiektów znana jest dziękimobilne laboratoria „Yandex” i Google, które jeżdżą po miastach i robią panoramy. Tworzenie cyfrowych kopii dróg i budynków od dawna ułatwia życie ludziom, umożliwiając uzyskiwanie wskazówek dojazdu, śledzenie korków i napraw po drodze. Ale to tylko wierzchołek góry lodowej – deble mogą pomóc w bardziej złożonej nawigacji.

Rozwój cyfrowych bliźniaków w Rosji jest realizowany przezRostec i GLONASS. Firmy rozpoczęły wspólny projekt, w ramach którego zbierają dane z rejestratorów wideo i łączą je z matematycznym modelem infrastruktury drogowej (ten sam cyfrowy bliźniak) oraz danymi z kamer drogowych. Sztuczna inteligencja (AI) analizuje ten obraz i porównuje wyniki ze standardami bezpieczeństwa - szerokość jezdni i ilość pasów, położenie znaków drogowych i sygnalizacji świetlnej. Program przypisuje ocenę każdemu odcinkowi drogi i przedstawia zalecenia dotyczące jego poprawy.

AI przeanalizowała już prawie 3000 km dróg w regionie Orenburga i znalazła najbardziej niebezpieczne odcinki.

Co można zrobić za pomocą narzędzi cyfrowych:

  • zmniejszyć zatory w ruchu;
  • monitorować warunki pogodowe i środowiskowe;
  • efektywniej wykorzystywać zasoby;
  • symulować budowę nowych elementów infrastruktury drogowej;
  • obliczyć możliwości organizacji ruchu pojazdów bezzałogowych.

Kolejny rosyjski projekt jest mobilnylaboratoria firmy Digital Roads. Automatyzują i przyspieszają proces digitalizacji obiektów sieci drogowej na tyle, że infrastruktura ze wszystkimi zmianami będzie wyświetlana w czasie rzeczywistym. System może ustalać położenie obiektów z dokładnością do 10 cm, określać ich wielkość, a nawet odczytywać to, co jest na nich napisane. Rozwój zapewni obiektywny obraz stanu infrastruktury i pomoże w dokładnym ewidencjonowaniu wszystkich obiektów i zachodzących na nich zmian.

Sieć mobilnych laboratoriów iRejestratory mogą odczytywać do 150 km dziennie. System digitalizuje obiekty, zgłasza nowe i tymczasowe obiekty, naprawia uszkodzenia. Platforma przechowuje i analizuje historię ich stanu, kontroluje znaki reklamowe, a nawet przygotowuje projekty zarządzania ruchem.

Kto potrzebuje cyfrowych bliźniaków?

Cyfrowe bliźniaki są bardzo przydatne, ale nie dlawszystkie procesy i firmy. W niektórych przypadkach utworzenie wirtualnej kopii obiektu zwiększy jego koszt, ale nie przyniesie pożądanego rezultatu, uważają eksperci IBM.

Zdaniem naukowców wykorzystanie bliźniakawymagane w przypadku fizycznie dużych i złożonych projektów, takich jak budynki, mosty, turbiny odrzutowe, samochody i samoloty. Technologia będzie przydatna dla przedsiębiorstw i przemysłu energetycznego.

Rynek cyfrowych bliźniaków szybko się rozwija iEksperci oczekują, że będzie rosła jeszcze przez co najmniej kilka lat. W 2020 r. rynek ten szacowano na 3,1 mld USD, a według niektórych analityków do 2026 r. może osiągnąć ok. 48,2 mld USD.Jego siłę dopiero niedawno oceniło wiele firm i instytucji badawczych. Teraz chcą przetestować symulowane wydarzenia na dużą skalę – globalne kryzysy finansowe, wojny, a nawet ludzi.

Czytaj więcej

Trwa budowa największego i najpotężniejszego generatora wiatrowego. Dostarczy energię do 20 tys. domów

Eksperyment z zegarem atomowym potwierdza grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni

Zdalne badanie przesiewowe płuc było równie skuteczne jak badanie twarzą w twarz