Технология цифровых двойников быстро набирает популярность и применяется во многих сферах нашей жизни – в промышленности, градостроительстве, медицине…
Под цифровым двойником, как правило, понимается цифровая (виртуальная) модель объекта, которая точно воспроизводит форму и действия оригинала. При этом в качестве оригинала могут выступать земная поверхность, здания и сооружения, производственные системы, процессы, люди и т. д. Любой цифровой двойник создается путем математического моделирования в специальных компьютерных программах. А в конечном итоге он позволяет экономить время, средства и ресурсы на изучение, эксплуатацию и управление объектом.
Одним из способов создания цифрового двойника является графическая 3D-модель, созданная на основе BIM-технологии (от англ. Building Information Modeling, BIM), ̶ современного способа проектирования зданий, когда специалисты создают модель сооружения и наполняют ее данными. Рассуждая о BIM-технологии, чаще всего подразумевают создание в специализированных программах 3D-геометрии здания со связанной с ней информацией (материал, артикул или цена). BIM-модель можно назвать копией здания (цифровым двойником) в виртуальной компьютерной среде. В российском законодательстве закреплен аналогичный термин – технология информационного моделирования, или ТИМ.
Прототип здания в виде BIM-модели необходим заказчику для визуализации объекта до начала строительства, а также для управления рисками, оптимизации технических решений, обслуживания, реконструкции и демонтажа. Цифровая информационная модель позволяет проектировщику подобрать варианты, автоматизировать рутинные операции, сократить время на внесение изменений в рабочую документацию. Благодаря использованию цифрового двойника сокращается количество ошибок при проектировании, к тому же нет необходимости в многочисленных бумажных чертежах и схемах.
В специальных программах осуществляется проверка проектного решения на соответствие СП, ГОСТ и СНиП, из BIM-модели можно выгружать исполнительную документацию. Наличие цифрового двойника, содержащего необходимую техническую документацию, помогает быстро находить и устранять неполадки, производить текущее техническое обслуживание здания или сооружения.
Цифровой экземпляр (DTI) — это двойник физического объекта. DTI остается связанным с объектом в течение его жизненного цикла. Виртуальный экземпляр, как правило, содержит данные, относящиеся к условиям эксплуатации, истории, прогнозируемому состоянию объекта и др. Примером цифрового экземпляра является трехмерная модель геопространства. К ее элементам относятся: трехмерная модель земной поверхности или цифровая модель местности, наземные объекты (здания, сооружения, элементы растительности), недра (геологические модели) и т. д. Пространственные модели являются основой геоинформационного проектирования. При этом трехмерную 3D-модель можно создать как вручную (с помощью систем автоматизированного проектирования или географических информационных систем), так и автоматически. Исходную информацию для построения трехмерных моделей получают путем выполнения геодезических, спутниковых и фотограмметрических измерений.
Процесс создания 3D-модели на основе информации, полученной от физического объекта, называется «обратный инжиниринг» или «обратное проектирование». В данном случае цифровая модель проектируется на основе существующего физического объекта для его изучения, дублирования или улучшения.
Для построения 3D-моделей могут использоваться материалы аэрофотосъемки, полученные с беспилотных или пилотируемых летальных аппаратов. В настоящее время создание 3D-моделей методом обратного проектирования по результатам аэрофотосъемки осуществляется с помощью программы PHOTOMOD. Однако для этой цели на российском рынке есть ряд программ, позволяющих автоматизировать процесс подготовки цифровой модели и значительно сократить время камеральной обработки. К ним можно отнести Metashape и ContextCapture: в том и другом случае для 3D-моделирования применяется стереомодель, построенная по фотограмметрической обработке аэрофотоматериала.
Стереомодель позволяет определять плановые и высотные координаты объекта одновременно, что избавляет от необходимости измерять высоты точек геодезическими средствами, с помощью цифровой модели рельефа или по горизонталям на графическом плане. Подготовленная 3D-модель может быть использована для составления проекта реконструкции здания и позволяет существенно сократить реальные измерения на местности. В режиме реального времени она дает возможность полностью погрузиться в пространство модели и тем самым передать пользователю наиболее полную информацию об объекте.
На сегодняшний день стереомоделирование широко применяется для выполнения комплексных кадастровых работ, проектирования, реконструкции и др.
В отношении объектов культурного наследия создание цифровых двойников играет особую роль. 3D-модель таких объектов является основным источником информации при реконструкции, реставрации или воссоздании. Оперативно получить данные архитектурного ансамбля любой сложности позволяет технология наземного лазерного сканирования.
Лазерное сканирование позволяет вести электронные архивы объектов историко-культурного наследия и получать комплексную информацию об их состоянии в виде высокоточных трехмерных цифровых моделей. Это необходимо при выполнении инженерных расчетов для проведения реставрационных работ и проектов по реконструкции памятников истории и архитектуры.
За счет точности съемки лазерное сканирование с высокой степенью детализации фиксирует уникальные элементы объектов историко-культурного наследия: лепнину, изразцы, отделку камнем и другие сложные элементы.
Детальная трехмерная модель памятника дает возможность своевременно выявлять причины возникновения деформаций, что в свою очередь позволяет оперативно планировать работы по их устранению.
В заключение стоит отметить важность цифрового моделирования объектов. С помощью цифровых двойников можно построить модель будущего здания или целого квартала и спрогнозировать, как оно впишется в городскую среду, выдержит климатические условия и нагрузку на несущие конструкции. Высока вероятность обнаружить проблему или уязвимость до того, как будет запущено производство или объект поступит в эксплуатацию. Зато есть возможность повысить эффективность процессов или систем. Поэтому цифровые двойники применяют во многих сферах, включая образование.
Елена Акулова, заведующая кафедрой геодезии и кадастров УГГУ
канд. техн. наук.
