Digital Twins: sprawdza jak będzie wyglądała Warszawa bez Pałacu Kultury

Rozwój technologii do wizualizacji modeli w środowisku 2D i 3D oraz Internetu Rzeczy doprowadził do powstania koncepcji „cyfrowych bliźniaków” („digtial twins”),

Technologia rozwiązania digital twins umożliwia sprawdzenie wdrożenia rozwiązania infrastrukturalnego w warunkach maksymalnie zbliżonych do rzeczywistości realnej. Na przykładzie Bostonu można uznać, że digital twins dałyby zastosować się do koncepceji planu odbudowy centrum Warszawy po zniszczeniach ostatniej wojny.

Digital twins umożliwia odwzorowanie w rzeczywistości wirtualnej nie tylko pojedynczych, fizycznie istniejących obiektów, ale także całej infrastruktury i procesów w niej zachodzących. Te właśnie interakcje są daleko ważmioejsze niż same  – nawet dynamiczne – makietowanie planów budowy czy modernizacji. 

Boston wirtualnie 

Przykładem miasta, które już od prawie 40 lat myśli o swoim rozwoju w kontekście wykorzystania modeli 3D, jest Boston. Jeszcze zanim pojawiły się pierwsze edycje programów 3D na komputery osobiste, w Bostonie powstała drewniana makieta miasta, która miała pomóc w lepszym zagospodarowaniu przestrzeni. Przyczynkiem do tego była działalność  lokalnych aktywistów, którzy wywalczyli przyjęcie prawa ograniczającego budowę wysokich budynków w pobliżu parku Boston Common. Rozporządzenie pod nazwą Boston Common Shadow Law określało czas, w jakim budynek może blokować dostęp promieni słonecznych do parku. Jednak wraz z rozwojem metropolii coraz większa liczba deweloperów zaczęła kwestionować zasadność tak rygorystycznego prawa. Aby móc dokładnie zbadać wpływ zacienienia na komfort użytkowników parku i uniezależnić się od ekspertyz przedstawianych przez deweloperów, postanowiono stworzyć cyfrowy model centrum miasta.

Dzięki wykorzystaniu oprogramowania GIS od Esri stworzono dokładny model 3D wraz z narzędziami, które pozwalały na analizę zacienienia. Niedługo potem deweloper zaproponował projekt budynku Winthrop Square Tower o wysokości 230 metrów, który przekraczał wyznaczone standardy określone w Boston Common Shadow Law. W wyniku analiz przy wykorzystaniu nowego cyfrowego modelu miasta i uzgodnień m.in. z Federalną Administracją Lotnictwa wydano pozwolenie na budowę obiektu nie wyższego niż 205 metrów.

„Cyfrowy bliźniak” Bostonu, stworzony z wykorzystaniem rozwiązań GIS, pozwala na przeprowadzanie analiz jakościowych i ilościowych. Analiza jakościowa umożliwia zaś np. szybką wizualizację rozkładu cieni, która może zostać udostępniona udziałowcom i obywatelom. Szacunki ilościowe dostarczają bardziej dokładnych informacji, które przewidują, jak cienie będą się przemieszczały z uwzględnieniem pory roku.

Plany na przyszłość przewidują wykorzystanie „cyfrowego bliźniaka” Bostonu do podejmowania decyzji odnośnie do planowania rozwoju miasta czy modelowania powodziowego. Przy użyciu tego rozwiązania władze Bostonu rozpatrują również efektywność wspólnych przejazdów (carpooling) i analizują wykorzystanie pojazdów autonomicznych. Badają także możliwość wykorzystania czujników, które aktualizowałyby dane w systemach mapowych i modelach 3D w celu analizowania sytuacji w mieście w czasie rzeczywistym.

Zdublowany świat cyfrowych modeli

Badania przeprowadzone przez Gartnera wskazują, że do końca 2018 aż 48 proc. firm, które wdrażają już rozwiązania IoT, planuje implementację technologii „cyfrowych bliźniaków”, gdyż widzi w niej szansę na jeszcze szybsze dostosowywanie się do rynkowych zmian i narzędzie do ograniczania kosztów związanych z zarządzaniem. Z technologii tej coraz częściej zaczynają korzystać także miasta, które chcą realizować wizję smart cities.

Odwzorowywanie fizycznych obiektów w formie cyfrowej to praktyka, która rozwinęła się wraz z pojawieniem się rozwiązań i systemów, takich jak CAD, nieco ponad 30 lat temu. Projektowanie modeli w 2D i 3D usprawniło proces testowania zastosowanych rozwiązań i wprowadzania niezbędnych korekt w opracowywanych konstrukcjach. W procesie tym nieodzowne staje się wykorzystanie rozwiązań GIS, które pozwalają na dokładną, przestrzenną wizualizację takich obiektów, jak budynki, drogi czy elementy krajobrazu. Połączenie technologii GIS z koncepcją „cyfrowych bliźniaków” stwarza niezwykłą okazję dla rozwoju inteligentnych miast, które dzięki wirtualnym kopiom mogą w niespotykany do tej pory sposób zarządzać swoją infrastrukturą i planować rozwój.

Digital twins: produkt to suma informacji

W cieniu wirtualnego Bostonu

Przykładem miasta, które już od prawie 40 lat myśli o swoim rozwoju w kontekście wykorzystania modeli 3D, jest Boston. Jeszcze zanim pojawiły się pierwsze edycje programów 3D na komputery osobiste, w Bostonie powstała drewniana makieta miasta, która miała pomóc w lepszym zagospodarowaniu przestrzeni. Przyczynkiem do tego była działalność  lokalnych aktywistów, którzy wywalczyli przyjęcie prawa ograniczającego budowę wysokich budynków w pobliżu parku Boston Common. Rozporządzenie pod nazwą Boston Common Shadow Law określało czas, w jakim budynek może blokować dostęp promieni słonecznych do parku. Jednak wraz z rozwojem metropolii coraz większa liczba deweloperów zaczęła kwestionować zasadność tak rygorystycznego prawa. Aby móc dokładnie zbadać wpływ zacienienia na komfort użytkowników parku i uniezależnić się od ekspertyz przedstawianych przez deweloperów, postanowiono stworzyć cyfrowy model centrum miasta.

Dzięki wykorzystaniu oprogramowania GIS od Esri stworzono dokładny model 3D wraz z narzędziami, które pozwalały na analizę zacienienia. Niedługo potem deweloper zaproponował projekt budynku Winthrop Square Tower o wysokości 230 metrów, który przekraczał wyznaczone standardy określone w Boston Common Shadow Law. W wyniku analiz przy wykorzystaniu nowego cyfrowego modelu miasta i uzgodnień m.in. z Federalną Administracją Lotnictwa wydano pozwolenie na budowę obiektu nie wyższego niż 205 metrów.

„Cyfrowy bliźniak” Bostonu, stworzony z wykorzystaniem rozwiązań GIS, pozwala na przeprowadzanie analiz jakościowych i ilościowych. Analiza jakościowa umożliwia zaś np. szybką wizualizację rozkładu cieni, która może zostać udostępniona udziałowcom i obywatelom. Szacunki ilościowe dostarczają bardziej dokładnych informacji, które przewidują, jak cienie będą się przemieszczały z uwzględnieniem pory roku. Plany na przyszłość przewidują wykorzystanie „cyfrowego bliźniaka” Bostonu do podejmowania decyzji odnoście planowania rozwoju miasta czy modelowania powodziowego. Przy użyciu tego rozwiązania władze Bostonu rozpatrują również efektywność wspólnych przejazdów (carpooling) i analizują wykorzystanie pojazdów autonomicznych. Badają także możliwość wykorzystania czujników, które aktualizowałyby dane w systemach mapowych i modelach 3D w celu analizowania sytuacji w mieście w czasie rzeczywistym.

Centurm NASA pod pełną kontrolą

Innym przykładem wykorzystania technologii „digital twins” jest cyfrowa kopia centrum badawczego Langley Research Cente, należącego do NASA. Centrum zajmuje powierzchnię ponad 3 km2, a na jego terenie znajdują się placówki testowe, w tym 40 tuneli aerodynamicznych, używanych do badania i udoskonalania samolotów i systemów bezpieczeństwa w lotnictwie.

Przez prawie 30 lat dedykowany zespół techników pracował nad stworzeniem systemu informacji przestrzennej (GIS), który pomaga w zarządzaniu Centrum oraz wszystkimi przeprowadzanymi w nim operacjami. Opracowana mapa zawiera informacje dot. wszystkich nieruchomości oraz obiektów znajdujących się wewnątrz 200 budynków. Specjalnie zaprojektowana aplikacja wykorzystuje ją jako podstawę do wszystkich działań, począwszy od tych związanych z bieżącym utrzymaniem obiektu, poprzez kwestie wynikające z konieczności zapewnienia jego bezpieczeństwa, aż po nadzór nad systemami przeciwpowodziowymi i zapewnienie zrównoważonego rozwoju placówki. Na bazie rozwiązania GIS od Esri stworzonych zostało już 300 aplikacji, które każdego dnia używane są przez 3 500 użytkowników.

Zmapowanie wnętrz wszystkich obiektów i budynków pozwoliło między innymi na daleko idące oszczędności przestrzeni biurowej. Średnią wielkość przestrzeni biurowej udało się ograniczyć z 58 do 38 metrów na 1 osobę. Narzędzia do zarządzania przestrzenią, oprócz określania potrzebnego miejsca, pozwalają także na wyznaczanie odległości między poszczególnymi laboratoriami i obiektami badawczymi, dostarczają informacji o dostępnych instalacjach energetycznych i wodociągowych, systemach bezpieczeństwa, dostępności personelu czy potrzebie budowy nowych obiektów. Kolejnym etapem było stworzenie dokładnych modeli 3D, które pomagają między innym w nawigowaniu obsługi technicznej do odpowiednich urządzeń. Na mapach zaznaczone są również lokalizacje defibratorów czy gaśnic, co jest szczególnie przydatne w przypadku zagrożenia.

„Cyfrowy bliźniak” pozwala także określić zagrożenie płynące z bliskości rzeki Black River, która znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie centrum NASA. Symulacje, przeprowadzone przy użyciu dokładnych modeli 3D wykazały, że wcześniejsze o kilkanaście lat analizy stały się nieaktualne. Wszystkiemu winny jest szybko podnoszący się poziom mórz, którego badacze nie brali wcześniej pod uwagę. Nowy system w przypadku budowy nowych obiektów może wskazać np. optymalną wysokość ich podbudówki, która pozwoli ograniczyć szkody spowodowane ewentualną powodzią.  Rozwiązanie wskazuje także szczegółowo miejsca rozłożenia worków z piaskiem i ich liczbę w przypadku wystąpienia tego zagrożenia.