Цифровые клоны и 4D ГИС, как основа цифровизации

Консорциум "Интегра-С" подготовил концепцию цифровизации, которая основывается на применении цифровых клонов и 4D ГИС.

Будущее развития России во многом определяется внедрением цифровой экономики в промышленно-хозяйственный комплекс страны и на ближайшие десятилетия будет обеспечено путем широкой реализации мероприятий федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика», в том числе с помощью Дорожной карты по развитию «сквозной» цифровой технологии «Новые производственные технологии» (НПТ). Сквозная технология НТП – это сложный комплекс мультидисциплинарных знаний, передовых наукоемких технологий и системы интеллектуальных ноу-хау, сформированных на основе результатов фундаментальных и прикладных исследований, кросс-отраслевого трансфера и комплексирования передовых наукоемких технологий, сквозных цифровых технологий и субтехнологий цифровизации.

Важное место среди множества всех передовых технологий занимает технология цифровой двойник (Digital Twin), которая является технологией-интегратором практически всех сквозных цифровых технологий и субтехнологий, выступает технологией-драйвером, обеспечивает технологические прорывы и позволяет высокотехнологичным компаниям переходить на новый уровень технологического и устойчивого развития. Понятие цифровой двойник (цифровой клон) неразрывно связано с представлением большого количества данных в пространстве и времени, для крупных производственных или транспортных компаний это виртуальная модель всей системы целиком в трехмерной ГИС, ретроспективной и перспективной во времени («цифровой двойник» системы). Объемная пространственная модель (3D) геопривязанная к координатам Земли с добавлением четвертой (временнóй) составляющей образует 4D ГИС.

Цифровизация затрагивает все больше отраслей экономики, и связано это не только с естественной эволюцией рынка, но и с задачами, которые были поставлены на уровне руководства страны майскими указами президента РФ от 2017 года. Данный вектор развития требует значительных ресурсов и инвестиций, но он оправдан, так как отрасли, которые не войдут в процесс трансформации и глобальной цифровизации, неизбежно окажутся на периферии. Руководство большинства предприятий это понимает и стремится правильно развивать свое производство. Ограничивающим фактором внедрения цифровых технологий в промышленности и транспорте долгое время являлись вопросы, связанные с их безопасностью или стратегическим значением. Решением проблемы стало преимущественное использование отечественного программного обеспечения, что обеспечило планирование безопасного перехода на цифровое предприятие (Digital Enterprise). Проекты такого рода цифровизации направлены прежде всего на повышение качества продукции и услуг, улучшение их доступности, повышение безопасности, моделирование процессов строительства, эксплуатации, техобслуживания и ремонта за счет применения цифровых технологий, в том числе Digital Twin и 4D ГИС.

Отечественным программным продуктом способным решить поставленные задачи является интеграционная платформа «Интегра 4D-Планета Земля». Она представляет собой среду трехмерных моделей объектов управления и наблюдения, сформированных на базе геодезических измерений, позиционированных в единой системе координат и времени, с описательными сведениями и техническими характеристиками. Обеспечивает возможности справочного информирования об объектах, включая их форму и размещение, а также инструменты пространственного и атрибутивного анализа. Интеграционная платформа «Интегра 4D-Планета Земля» непосредственно производит 3D визуализацию прошлого, текущего и прогнозного состояния движимых и недвижимых объектов, а так же территорий и дорог, в том числе с использованием механизмов дополненной реальности. Вся содержащаяся в ГИС информация привязывается к координатам 3D и времени и является основой для создания цифрового предприятия.

Цифровизация деятельности любой организации или системы в перспективе будет осуществляться эффективно, в едином технико-технологическом поле взаимодействия с естественными монополиями, промышленными предприятиями и регионами страны. Перевод предприятия на «цифру» привнесет в систему принципиальное изменение уровня и технологий производственного или иного процесса, повышение степени интегрированности и обеспечения безопасности. Главной задачей цифровизации, в принципе, является полная интеграция между пользователем, продуктом потребления или услугой, системой управления предприятием и инфраструктурой, т.е. формирование новых сквозных цифровых технологий организации любого процесса. Чтобы реализовать поставленную задачу, необходимо совершенствовать системы автоматизации предприятия и обеспечения его безопасности, развертывать сети цифровой связи, создавать цифровые модели объектов инфраструктуры. При этом следует использовать системы интеграции пространственно-временных данных, мониторинга состояния технических средств и автоматизации отдельных технологических операций.

К базовым элементам перехода к цифровому предприятию относятся:

- построение цифровых моделей объектов инфраструктуры в едином координатно-временном пространстве;

- создание цифровых высокоточных координатных систем на основе спутниковых сетей высокоточного позиционирования;

- обеспечение непрерывного мониторинга объектов инфраструктуры с организацией автоматической выдачи предупреждений об инцидентах;

- организация мониторинга состояния оборудования и техники с возможностью прогнозирования последствий;

- создание мобильных средств контроля местоположения подвижных объектов и персонала.

- реализация комплекса вычислительных средств для дистанционного управления объектами инфраструктуры и обеспечения полной автоматизации технологических и иных операций.

Все эти элементы закладываются в единый интегрированный сетевой технологический процесс по обеспечению функционирования и безопасности.

Цифровизация субъекта экономической деятельности предусматривает обязательное цифровое описание объектов инфраструктуры в рамках геопространственных координат и времени. При этом для пространственно-распределенных объектов эффективно использование высокоточного спутникового позиционирования (GPS, ГЛОНАСС). На основе полученных координатно-привязанных пространственных данных формируются цифровые модели процессов, а также 3D модели зданий и сооружений. Такие цифровые модели представляют собой пространственные описания объектов инфраструктуры, инженерные сооружения, системы электроснабжения, автоматики, связи и др. Геопространственное позиционирование с привязкой ко времени открывает новую страницу в изысканиях, проектировании, строительстве инфраструктуры и обеспечении безопасности предприятия, в том числе с применением BIM-технологий. Она основана на принципах дифференциальной коррекции данных координат, поступающих с навигационных спутников. Применение таких технологий позволяет перейти к координатным методам поддержки инфраструктуры, организации сквозных технологий проектирования, строительства, технического содержания, охраны объектов, что обеспечивает требуемый уровень надежности и безопасности транспорта, снижение стоимости эксплуатации.

При реализации концепции цифровизации крупных производственных или транспортных компаний, интеграционная платформа «Интегра 4D-Планета Земля» прежде всего обеспечивает создание, наполнение и сопровождение многоформатного полноценного «цифрового двойника» физической системы (производства или иного сложного процесса) для оптимизации её геопривязанной модели в реальном времени, используя интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностное моделирование различных систем, стационарных и подвижных объектов, которое использует лучшие доступные физические модели, обновления датчиков, историю, результаты прогнозов и многое другое.

Достоверность и актуальность такого «цифрового клона» обеспечивается реализованном в интеграционной платформе (ИП) механизме консолидации Информационных Моделей и совокупности Информационных Технологий, связанных с физическими, оперативно меняющимися объектами, включающем:

• трёхмерное моделирование в геоинформационных системах (3D ГИС) и во времени (4D ГИС);
• информационное моделирование зданий (BIM) и его версия для мостовых сооружений (BrIM);
• информационные компоненты ArcGIS для решений на базе географического подхода (BISDM);
• средства построения моделей интеллектуальных энергосетей smart grid (CIM);
• большие данные - данные огромных объемов и разнообразия с методами их обработки (BigData);
• интеллектуальные технологии искусственного интеллекта (artificial intelligence, AI);
• технологии моделирования объектов и процессов в виртуальной реальности (virtual reality, VR);
• бесшовные системы дополненной (наложенной) реальности (augmented reality, AR).

Трёхмерное моделирование в ГИС есть не просто имитация реальности, а инструмент анализа, моделирования и публикации трёхмерных геопривязанных пространственных данных, а также обоснования принятия решений относительно объектов и субъектов управляющего воздействия. Для получения качественной 3D-модели в ИП используются все доступные типы данных (рельеф, изображения местности, текстура, модели зданий и сооружений, дорог и пр.) любых ГИС (Open Street Map, ArcGIS, ИнГео, Панорама), после привязки к координатам (широта, долгота и высота) и внесении дополнительных геопространственных и атрибутивных данных, получаем 3D ГИС. При рассмотрении совокупности 3D-моделей в разрезе времени (история или прогноз) имеем четвертое измерение - позволяющее видеть ретроспективу объекта или моделировать будущие его состояния в геоинформационной системе - 4D ГИС.

В дополнение к возможностям ГИС, информационное моделирование зданий BIM фактически позволяет создать в ИП трёхмерную модель здания с максимально детализированными компонентами (коммуникациями, поэтажными планировками, обстановкой и т.п.) с набором справочников, привязанным к этим компонентам. В понятие BIM равноправно входят следующие определения: информационное моделирование зданий Building Information Modeling (virtual design process), информационная модель здания Building Information Model (a set of files and/or databases that includes 3D geometry and corresponding data), информационное управление зданием Building Information Management (lifecycle use of building data).

Развитие концепции BIM-моделирования для мостовых сооружений именуется BrIM (Bridge Information Modeling). Это 3D-концепция проектирования и строительства, обслуживания и эксплуатации мостов представляет передовой инновационный подход к мостостроению. Этот подход стимулирует использование проектных данных в последующих процессах, таких как создание, эксплуатация, техническое обслуживание и обеспечение безопасности мостов. Интеграционная платформа оперирует данными по мере необходимости, что позволяет использовать их в режиме реального времени, поскольку условия изменяются в течение всего жизненного цикла мостового сооружения.

Для реализации отображения действующих систем электроснабжения, автоматики и управления в ИП может применяться общая информационная модель CIM (Common Information Model). Это абстрактная модель, которая всё множество элементов электроэнергетической системы представляет стандартным образом в виде описания объектов, их свойств и связей между ними (компоненты CIM ArcGIS применяется в энергетике при построении интеллектуальных энергосетей SmartGrid).

Интеграционная платформа позволяет оперировать с большими данными (BigData) - структурированными и неструктурированными данными огромных объемов и разнообразия, а также реализует методы их обработки, которые позволяют распределенно анализировать информацию в необычайно больших и сложных наборах данных, в том числе из нестандартных источников. Системы хранения данных, включая данные видеопотоков с большим разрешением, архивируют информацию, поступающую с камер, а запатентованные алгоритмы ИП с использованием искусственного интеллекта в реальном времени анализируют их, осуществляют интеллектуальную «сшивку» и накладывают на 3D-планы пространств и помещений в 4D ГИС.