Цифрові копії людей, міст та криз: як вчені моделюють майбутнє

Технологія з космосу: як цифровий двійник врятував Аполлон 13

"Х'юстон, у нас проблема". Багатьом знайома ця

знаменита фраза, але не всі знають, що проблему, про яку повідомив екіпаж місії місії НАСА «Аполлон 13», допоміг вирішити прототип цифрового двійника.

Перші два дні польоту "Аполлона 13" пройшлиспокійно, крім пари дрібних сюрпризів, розповідало космічне агентство. Черговий оператор зв'язку Джо Кервін навіть сказав: «Ми тут помремо з нудьги». Але це був останній раз, коли хтось згадував про нудьгу.

Через кілька хвилин після сеансу зв'язкувибухнув кисневий балон. Приблизно на той момент і прозвучала знаменита фраза: екіпаж повідомив про проблеми колег з НАСА. Астронавти побачили, як газ із кисневого балона з великою швидкістю викидається у космос. Пізніше датчики показали втрату двох із трьох паливних елементів. На цьому проблеми місії не закінчилися, від висадки на Місяць вирішили відмовитись. Головним завданням інженерів, які залишилися на Землі, стало терміново вигадати, як врятувати екіпаж, що знаходиться на відстані понад 320 тис. км від них.

Будь-яке неправильне рішення могло призвести донепоправним наслідків, тому діяти треба було, напевно. У розпорядженні спеціалістів НАСА було 15 тренажерів, які використали для навчання астронавтів та диспетчерів, відпрацювання різноманітних сценаріїв, включаючи збої. Керівник польотів НАСА Джин Кранц говорив, що однією з найскладніших технологій усієї космічної програми були симулятори. Все, що було реальним під час навчання, — це екіпаж, кабіна та пульти керування. Решта, зазначав він, було віртуальним, створеним «купою комп'ютерів, безліччю формул і кваліфікованими фахівцями».

Для повернення екіпажу на Землю центрууправління треба було з'ясувати, як управляти серйозно пошкодженим кораблем у конфігурації, що відрізняється від тієї, на яку спочатку проводилися розрахунки. Команді довелося знайти нові способи економити енергію, кисень та воду, придумати, як перезапустити командний модуль, який не розрахований на відключення у космосі.

Сам по собі симулятор навіть разомвсіма комп'ютерними системами не можна назвати повноцінним цифровим двійником. Але принцип дій команди НАСА можна порівняти з тим, як працюють двійники: за допомогою симуляторів інженери змоделювали різні сценарії, які допомогли їм вибрати правильну стратегію, щоб повернути екіпаж. Експерти перераховують фактори, чому систему, яку використовувало НАСА для порятунку екіпажу "Аполлона 13", можна вважати прототипом цифрового двійника.

  • Цифрові двійники найкорисніші, колипов'язані з фізичними об'єктами, недоступними прямого впливу людини. Вони вимагають від фізичного об'єкта постійного зворотного зв'язку оновлення інформації та прийняття рішень. У «Аполлоні 13» цю роль виконували засоби зв'язку;
  • Цифровий двійник має бути достатньогнучким, щоб реагувати зміни пов'язаного з ним фізичного об'єкта. НАСА перенастроювало симулятори за лічені години, щоб відтворити конфігурацію, яку не передбачали під час проектування;
  • Місія «Аполлон 13» не мала цифровогодвійника: космічне агентство використало 15 різних симуляторів для прочитування різних деталей. Сучасні цифрові двійники теж складаються з безлічі моделей, що взаємодіють між собою.

Зараз НАСА використовує цифрові двійники длярозробки рекомендацій, дорожніх карт та кораблів нового покоління. «Кінцева мета цифрового двійника — створювати, тестувати та будувати обладнання у віртуальному середовищі. Тільки коли ми отримуємо те, що відповідає вимогам, ми створюємо це фізично. При цьому нам потрібно, щоб об'єкт був пов'язаний з цифровим двійником через датчики і цифровий двійник містив всю інформацію про об'єкт», — пояснює співробітник НАСА Джон Вікерс.

Де на Землі можна використовувати цифрові двійники

Цифрові двійники під час проектування допомагаютьвипробувати більше сценаріїв наперед - на віртуальній моделі, а не на фізичному об'єкті. За допомогою двійників можна підвищити енергоефективність будівлі, оптимізувати вплив на клімат, отримувати інформацію про навантаження на об'єкт та збої. Причому неважливо, про який саме об'єкт йдеться — верстат, літак або будівлю. На відміну від класичних симуляторів цифрові двійники використовують дані в реальному часі. Причому симулятор вивчає один процес, а двійник може запускати різну кількість симуляцій для розрахунків.

Технологію цифрових двійників, наприклад,використовує Siemens. Компанія вдається до їх допомоги при проектуванні газових турбін, організації роботи заводів або нових будівлях, наприклад у своїй штаб-квартирі в Швейцарії. Технологія допомогла створити триколісний електромобіль Solo від канадського стартапу Electra Meccanica. Інженери заздалегідь протестували та оптимізували всі елементи автомобіля за допомогою цифрових двійників.

Де використовують цифрові двійники:

  • У промисловості створюються цифрові двійники будівель, технологічних процесів та навіть окремих виробів;
  • Автовиробники відмовляються від краш-тестів нових моделей машин, замінивши їх на віртуальні випробування;
  • У будівельній галузі поширенняотримали BIM технології. З їх допомогою можна створити модель нової транспортної розв'язки та подивитися, як розподіляються транспортні потоки, змоделювати нову схему руху для пішоходів поряд із метро та оцінити, наскільки вона ефективна та чи зможе прискорити рух.

Хто має в Росії цифрові двійники

У Росії оцифровка об'єктів відома завдякимобільних лабораторій «Яндекса» та Google, які їздять містами та знімають панорами. Створення цифрових копій доріг та будівель вже давно спрощує людям життя, дозволяючи прокладати маршрут, відстежувати пробки та ремонтні роботи на дорозі. Але це лише вершина айсберга — двійники можуть допомогти й у складнішій навігації.

Розвитком цифрових двійників у РосіїРостех та ГЛОНАСС. Компанії запустили спільний проект, де вони збирають дані з відеореєстраторів і поєднують їх з математичною моделлю дорожньої інфраструктури (той самий цифровий двійник) та даними дорожніх камер. Штучний інтелект (ІІ) аналізує цю картину та зіставляє результати з нормативами безпеки — шириною дорожнього полотна та кількістю смуг, місцями розташування дорожніх знаків та світлофорів. Програма надає кожній ділянці дороги рейтинг та дає рекомендації щодо його покращення.

ІІ вже проаналізував майже 3 000 км доріг в Оренбурзькій області та знайшов найаварійно-небезпечніші ділянки.

Що можна зробити за допомогою цифрових інструментів:

  • знижувати завантаженість доріг;
  • відстежувати погоду та екологічні умови;
  • раціональніше використовувати ресурси;
  • моделювати будівництво нових елементів дорожньої інфраструктури;
  • прораховувати варіанти організації руху безпілотних автомобілів.

Ще один російський проект – мобільнілабораторії компанії "Цифрові дороги". Вони автоматизують та прискорюють процес оцифровування об'єктів вулично-дорожньої мережі настільки, що інфраструктура з усіма змінами відображатиметься у реальному часі. Система може фіксувати розташування об'єктів з точністю до 10 см, визначати їх розмір і читати, що на них написано. Розробка надасть об'єктивну картину стану інфраструктури та допоможе вести досконалий облік усіх об'єктів та змін, що відбуваються з ними.

Мережа з мобільних лабораторій тавідеореєстраторів може зчитувати до 150 км на день. Система оцифровує об'єкти, повідомляє про нові та тимчасові об'єкти, фіксує пошкодження. Платформа зберігає та аналізує історію їхнього стану, контролює рекламні вивіски і навіть готує проекти організації дорожнього руху.

Кому потрібні цифрові двійники?

Цифрові двійники дуже корисні, але потрібні не длявсіх процесів та компаній. У деяких випадках створення віртуальної копії об'єкта збільшить його вартість, але не дасть потрібного результату, вважають фахівці IBM.

На думку дослідників, використання двійниказнадобиться для фізично великих та складних проектів на зразок будівель, мостів, реактивних турбін, автомобілів та літаків. Технологія буде корисна підприємствам енергетичної сфери та виробництвам.

Ринок цифрових двійників швидко розширюється іпродовжить зростати ще як мінімум кілька років, очікують експерти. У 2020 році цей ринок оцінювався в $3,1 млрд, а до 2026-го, за прогнозами деяких аналітиків, може досягти приблизно $48,2 млрд. Його силу багато компаній та дослідницьких інститутів оцінили лише недавно. Тепер вони хочуть тестувати імітацію великомасштабних подій – світових фінансових криз, воєн чи навіть людей.

Читати далі

Будується найбільший і потужний вітрогенератор. Він забезпечить енергією 20 тисяч будинків

Експеримент з атомним годинником підтвердив явище гравітаційного червоного зсуву

Віддалений cкрінінг легких виявився таким же ефективним, як і очне обстеження