Dr. Arūnas Urbšys, Projektų vystymo direktorius, UAB IN RE
(Šis straipsnis pirmą kartą buvo paskelbtas almanache „Skaitmeninė statyba 2021″).
Visose pramonės šakose besivystančio turto valdymo praktika pereina nuo paprastos priežiūros prie prognozuojamosios priežiūros (angl. Predictive Maintenance) metodų, pagrįstų skaitmeninių dvynių (angl. Digital Twin) technologijomis. Statybos sektoriaus skaitmenizavimo stiprinimas tiesiogiai siejamas su statinių skaitmeninių dvynių (angl. Building Digital Twin) platformomis, iš kurių tikimasi sulaukti didelės pridėtinės vertės, transformuojant šį sektorių kitų pažangiųjų skaitmeninės ekonomikos sektorių pavyzdžiu.
UAB IN RE aktyviai propaguoja ir vykdo realybės modeliavimo projektus, grindžiamus automatizuota fotogrametrija, nuo pat šių technologijų atsiradimo Lietuvoje. Paminėtini tokie projektai, kaip Panevėžio miesto skaitmeninio 3D maketo sukūrimas, Lietuvos nacionalinio dailės muziejaus kilnojamųjų kultūros paveldo trimačių objektų 3D skaitmeninių vaizdų sukūrimas, aibė realybės modeliavimo ir BIM technologijų integracijos projektų su privačiais nekilnojamojo turto vystytojais, architektais ir projektuotojais.
Tačiau šiuolaikinės tendencijos ir vartotojų poreikiai reikalauja žengti dar vieną žingsnį į priekį pereinant prie skaitmeninių dvynių sukūrimo ir diegimo. Kas yra skaitmeninis dvynys? Kokie jo diegimo pavyzdžiai Lietuvoje?
Kas yra skaitmeninis dvynys ir kokia jo nauda pramonei?
Yra daug skirtingų sričių skaitmeninių dvynių apibrėžčių, bet beveik visose apibrėžtyse minimi trys esminiai skaitmeninio dvynio požymiai: fizinė dalis, skaitmeninė dalis ir informaciniai ryšiai tarp jų. Kitaip tariant, skaitmeninis dvynys yra skaitmeninė fizinio turto versija, o skaitmeninė ir fizinė dalys yra sujungtos viena su kita abipusiais ryšiais, kuriais atliekami duomenų mainai ir priimami turto valdymo sprendimai.
Skaitmeninis dvynys kaupia ir integruoja informacinius išteklius apie pavienius naujos statybos arba esamus turto objektus jų gyvavimo cikle – pastatus, statinius, technologinius įrenginius ir t. t., bet tolesnėje perspektyvoje išsivysto į daug didesnio masto turto vienetų telkinius: užstatytas teritorijas, miestus, rajonus su jų infrastruktūra, įtraukdamas kitus ekonomikos sektorius, tokius kaip perdirbamoji pramonė, energetika, transportas, medicina ir kt.
Skaitmeninis dvynys imituoja fizinį objektą visose gyvavimo ciklo stadijose – nuo ankstyvojo planavimo, konceptualaus ir detalaus projektavimo, statybos procesų valdymo iki objekto užbaigimo, atidavimo eksploatuoti. Užbaigto fizinio objekto skaitmeninis dvynys efektyviai taikomas visų naudojimo ir techninės priežiūros veiklų, susijusių su turto objektu, tvaraus eksploatavimo stebėsenai ir analizei, ekstremalių situacijų prevencijai iki pat objekto konversijos ar veiklos nutraukimo.
Paversdami nestruktūruotą informaciją intelektiniu skaitmeniniu turto modeliu, realaus objekto valdytojai gali virtualizuoti valdomą objektą ir vizualizuoti su jo valdymu susijusias operacijas, per objekte įdiegtų ir jo aplinkoje esančių jutiklių ir daviklių sistemas stebėti fizinio turto būklę, palaikyti kontaktą su jo skaitmeniniu dvyniu, atlikti užklausas, gauti atsakymus apie sistemų būseną, palyginti ją su modeliuojamais elgsenos scenarijais bei jų kritiniais parametrais, tokiu būdu prognozuojant pavojus, o kartu valdyti įvairaus sudėtingumo inžinerines sistemas, struktūras ir įrenginius, užtikrinant jų saugų ir efektyvų veikimą visą gyvavimo ciklą.
Sukurtos (užstatytos) aplinkos skaitmeninimo nauda atsiskleidžia ne tik turto sukūrimo (projektavimo ir statybos) stadijų laikotarpiu, kai yra kuriamas ir įgyvendinimas būsimo turto skaitmeninis prototipas – statinio projekto informacinis modelis (BIM), bet ji dar daugiau pasireiškia ir atsiskleidžia pastatyto objekto ir jų priklausinių naudojimo bei priežiūros gyvavimo ciklo etapuose, transformuojant BIM modelį į eksploatuojamo turto informacijos modelį (angl. Asset Information Model, AIM) ir toliau į sukurtos (užstatytos) aplinkos skaitmeninį dvynį.
Du pagrindiniai veiksniai suteikia skaitmeniniam dvyniui didelį pranašumą, lyginant su statinių informaciniu modeliavimu (BIM) paremtu inžineriniu požiūriu. Tai automatizuotas duomenų apdorojimas ir jų tiesioginis ryšys su fiziniu objektu.
Kaip sukurti užstatytos aplinkos skaitmeninį dvynį?
Skaitmeninio dvynio idėja kaip statinio informacinio modelio (BIM) koncepcijos tolesnio išvystymo lygmuo tik pastaruoju metu tapo ekonomiškai pagrįsta ir įgyvendinama Pramonės 4.0 technologinio proveržio kontekste: duomenų surinkimo, taikant LiDAR ir automatizuotos fotogrametrijos technologijas nuo žemės paviršiaus ir iš oro, taikant bepiločius orlaivius, dirbtinio intelekto, daiktų interneto, didžiųjų duomenų analitikos, debesų kompiuterijos ir kitų susijusių tematikų, taikomų inžinerinių objektų eksploatavimo technologijose.
Idealiu atveju skaitmeninis dvynys turi būti pradedamas kurti nuo idėjos, koncepcijos momento, projektuojant būsimą infrastruktūros objektą BIM principais, projektavimo etape keliant jo detalumo lygį iki gaminti bei surinkti tinkamo informacijos lygio, o toliau statybų metu ir joms pasibaigus fiksuojant vykdomąją (angl. As Built) būseną.
Tačiau šiuo metu valdome daugybę turto vienetų, kurie buvo sukurti ir pastatyti dar prieš pradedant taikyti BIM principus, daugeliu atvejų neatlikus visos detaliosios nuotraukos (angl. As Built), inžinerinė informacija dažnai nesuskaitmeninta, nėra trimačių modelių. Be to, net ir norint pradėti naują projektą BIM principais ir pradėti kurti skaitmeninio dvynio užuomazgas, reikia atkurti jį supančią erdvę skaitmeniniu pavidalu – modeliuoti realybę (būsimo projekto aplinką arba faktinę jau eksploatuojamo objekto situaciją).
Realybės modeliavimo technologijos yra puiki priemonė didelio tikslumo esamo turto skaitmeninių dvynių duomenims surinkti, fiksuoti ir informacijai tikslinti. Oro nuotraukos iš bepiločių orlaivių gali būti automatiškai apdorojamos naudojant fotogrametrijos technologijas 3D skaitmeniniams objektams sukurti. Norint padidinti reikiamą šių skaitmeninių dvynių detalumo lygį, galima papildyti juos kitų tyrimų duomenimis (išorėje ir viduje), tokiais kaip lazerinio skenavimo (LiDAR) 3D taškų debesys, geodeziniai žemės matavimai ir kontekstinė GIS informacija.
Jutiklių technologijų lankstumas ir prieinama jų kaina kartu su mobiliųjų inspekcijų darbo metodais lemia surenkamų duomenų kiekio augimą, o daiktų internetas suteikia šiems duomenims saugią, kontroliuojamą saugojimo erdvę ir tinkamą prieigą reikiamu laiku.
Norint pasiekti deramą skaitmeninių dvynių informacijos modeliavimo ir duomenų analizės efektyvumą, kuriant naujo ir/arba konvertuojant esamo turto duomenis, reikia užtikrinti BIM modelių dimensijų skalę nuo 3D iki 6D (čia 3D – objektų geometrija trimatėje erdvėje, 4D – laiko dimensija, 5D – finansinė išraiška, 6D – eksploataciniai tvarumo ir energetinio efektyvumo rodikliai). Erdvinį skaitmeninio dvynio modelį nuolatos pildo IoT technologijos: realiuoju laiku parengti sistemų parametrų rodmenys, atlikti jų našumą fiksuojantys matavimai bei padaryti priežiūros išlaidų įrašai.
Veikiant bandymų stendo principu, skaitmeninio dvynio analizės modelis, lyginant dėsningas jo įprastos elgsenos reakcijas su duomenimis, gautais iš daviklių sistemos (prietaisų, daviklių, sensorių rodmenų), įrengtos prižiūrimame (stebimame) fiziniame objekte, padeda išryškinti šio objekto elgsenos anomalijas, aptikti anksčiau nepastebėtus įvykius. Tokie skaitiniu eksperimentu pagrįsti tyrimai sudaro galimybes užtikrinti saugią ir tvarią turto eksploataciją, ankstyvoje stadijoje prognozuoti avarinių situacijų rizikas ir jas suvaldyti.
IN RE patirtis vystant skaitmeninių dvynių koncepciją Lietuvoje
Klaipėdos laisvosios ekonominės zonos investicinis-reprezentacinis 3D modelis ir operatyvinė stebėjimo sistema
Klaipėdos laisvosios ekonominės zonos (LEZ) investicinį-reprezentacinį 3D modelį ir operatyvinę stebėjimo sistemą (KLEZ 3D) sukūrė UAB IN RE su partneriu DRONETEAM.LT, naudodamiesi „Bentley OpenCities Planner“ miestų skaitmeninių dvynių debesijos platforma.
Nors Klaipėdos LEZ teritorija nėra ištisas miestas, o tik jo dalis, bet LEZ 412 ha (4,12 kv. km) plotas atitinka tokių miestų, kaip Širvintos, Pagėgiai ar Kudirkos Naumiestis, plotą, todėl ją galima laikyti miestelio („Campus“) BIM modeliu. Šis LEZ mietelio BIM modelis sudarytas eksploatacijai ir plėtros investicijoms planuoti.
KLEZ 3D sistemos paskirtis – trimatėje erdvėje, realybės modelio kontekste pateikti informaciją apie LEZ jau įsikūrusias įmones, atvaizduoti projektuojamų gamyklų ar administracinių statinių 3D BIM modelius, požeminių komunikacijų 3D vamzdynų modelius, esamų ir projektuojamų sklypų kadastrinių ribų GIS duomenis, teikti kitą operatyvinio valdymo informaciją.
KLEZ 3D modelis ir jam publikuoti bei valdyti skirta sistema pirmiausia buvo diegiama eksploatacijos ir operatyvinio stebėjimo tikslais. Fotogrametrinis realybės modelis topografiškai tiksliai atkuria trimatę faktinę teritorijos ir joje pastatytų statinių bei infrastruktūros situaciją. Sistemoje pateikiamas visas LEZ teritorijoje veikiančių įmonių indeksas su erdvinės navigacijos funkcija, virtualiai nuskraidinančia lankytoją ar LEZ administracijos darbuotoją į įmonės buveinės vietą bei pateikiančia aktualią operatyvinę informaciją apie įmonę.
LEZ komercijos skyrius naudoja trimatį teritorijos realybės modelį teikiant potencialiems investuotojams pasiūlymus dėl galimų sklypų rezervacijos ir nurodant juose užstatymo gabaritus 3D formų pavidalu. Įmonės, ketinančios statyti pramoninius, sandėliavimo ar biurų kompleksus LEZ teritorijoje ir kurios jau turi parengtus preliminarius ar detalius būsimų statinių ir aplinkos sutvarkymo modelius, gali teikti juos įvairiais 3D duomenų formatais. LEZ administracija įkelia tokius projektus į LEZ 3D modelį, kad būtų galima pasitikrinti atitiktis gabaritų apribojimams, prieigą prie požeminių inžinerinių tinklų, atstumus iki jų. Projektuojamų ir esamų kadastrinių sklypų GIS ribos, užklotos ant realybės modelio, leidžia patikrinti statinių orientaciją sklypuose.
Pagal topografinius planus ir reljefo modelius atkurta dešimtys kilometrų požeminių komunikacijų 3D vamzdynų modelių. Modelyje pateikiami ir projektuojamų požeminių komunikacijų 3D modeliai bei planuojamų modulinių transformatorinių erdviniai žymekliai su numatomų eksploatacinių savybių aprašymais.
Investicinis-reprezentacinis 3D modelis ir su juo įdiegta operatyvinė stebėjimo sistema yra techniškai parengta skaitmeninio dvynio koncepcijai vystyti, esamus realybės modelius bei projektuojamų statinių ar inžinerinių tinklų 3D modelius užpildant stebėjimo sistemų duomenimis realiuoju laiku.
Klaipėdos LEZ aktyviai remia ir propaguoja atsinaujinančių energijos šaltinių naudojimą LEZ įsikūrusiose ar besikuriančiose įmonėse. Jau dabar LEZ teritorijoje veikiančios gamyklos naudoja saulės jėgainių modulius, įrengiamus ant gamybinių objektų stogų ar šalia gamyklų esančiuose laisvuose plotuose. 3D modelio internetinėje programoje pateikiamas šešėlių įrankis leidžia labai patikimai pavaizduoti saulės padėtį ir krintančių šešėlių kryptį bei dydį, pasirinkus mėnesį ir paros laiką. Tai leidžia patikrinti saulės jėgainių parko potencialą, numatyti tinkamiausias jų įrengimo vietas. Faktinės šešėlių padėties patikimumą garantuoja tai, kad modelis buvo sudarytas ir publikuojamas realiomis pasaulio koordinatėmis topografinių planų detalumu.
Vykdant projektą buvo įdiegta klientų (LEZ teritorijoje įsikūrusių įmonių) atgalinio ryšio – atsiliepimų ar paslaugų užsakymų – funkcija, kuria naudojantis klientai 3D modelio kontekste gali teikti paraiškas ženklindami 3D modelio objektus, nubrėždami linijas ar plotus, vertindami pasitenkinimo lygį. Atsiliepimus ar pageidavimus LEZ administracija gauna realiuoju laiku ir kliento įvestos erdvinės nuorodos iškart suteikia aplinkos kontekstą, kuriai vietai, kokiu atstumu ar kokiame plote aktuali pateikta informacija.
Vilniaus miesto vandentiekio tinklo hidraulinio modeliavimo informacinė sistema
Visai kitokio pobūdžio skaitmeninio dvynio pavyzdys – Vilniaus miesto vandentiekio tinklo hidraulinio modeliavimo informacinė sistema (HMIS). Hidraulinį modelį UAB „Vilniaus vandenys“ užsakymu sukūrė UAB „Sweco Lietuva“ su partneriu UAB „Vandensauga“, o UAB IN RE pateikė „Bentley WaterGEMS“ technologiją ir sprendimus šiai unikaliai sistemai įdiegti.
Sudarant vandentiekio tinklo hidraulinį modelį, vienas iš pagrindinių būdų jį patikrinti – palyginti hidraulinio modeliavimo rezultatus su realiais matavimo duomenimis. Skaitmeninio dvynio koncepcija HMIS realizuota per aibę sąsajų su vandens skaitiklių rodmenų iš klientų aptarnavimo sistemos, realiojo laiko tinklo matavimo rodiklių iš SCADA sistemų, adresų ir vandentiekio tinklo linijų iš GIS sistemų duomenimis.
Šis skaitmeninis dvynys leidžia atlikti prognozuojamosios priežiūros funkcijas, vykdant įvairaus pobūdžio analizes:
- Energijos sąnaudų scenarijaus skaičiavimas
Hidrauliniame modelyje, elektros energijos sąnaudos skaičiuojamos vertinant vandens siurblių darbą. Šiai analizei atlikti turi būti sukurti keli hidraulinio modelio veikimo scenarijai su skirtingais siurblių darbo režimais, kad būtų palygintas jų veikimo principas ir jų suvartojamas elektros energijos kiekis.
- Gaisrų analizė
Hidrauliniame modelyje gaisrų analizė atliekama norint patikrinti vandentiekio tinklo eksploatavimo sąlygas. Pavyzdžiui, ar vandentiekio tinkle yra palaikomas pakankamas slėgis tada, kai vanduo imamas iš vieno ar kelių hidrantu tuo pačiu metu. Arba siekiant patikrinti, ar į tinklą patiekiamas pakankamas vandens kiekis, jeigu vanduo iš hidrantų imamas maksimalaus suvartojimo valandą.
- Avarijų analizė
Avarijų analizė „WaterGEMS“ modeliavimo programoje atliekama naudojant „Criticality“ įrankį (7 pav.). Šis įrankis leidžia įvertinti modeliuojamo tinklo segmentus ir, atlikus skaičiavimus, nustatyti silpnąsias tinklo vietas jas lokalizuojant. Įvertinus tinklo modelį gali būti atliekama modeliuojamo tinklo renovacija ir įvertinti renovacijos privalumai. Tokio tipo analizės rezultatai gali tapti realiai planuojamos vandentiekio tinklo renovacijos pagrindas.
- Vandens kokybės analizė
Su „WaterGEMS“ modeliavimo programa galima atlikti modeliuojamo vandentiekio tinklo vandens kokybės analizę, nustatant vandens amžių tinklo vamzdžiuose. Šie skaičiavimai rodo, kiek laiko vanduo išbūna skirtingose vandentiekio tinklo vietose, prieš patekdamas pas vandens vartotoją.
- Vandens nuostolių analizė
Kiekviename vandentiekio tinkle susidaro vandens nuostolių. Fiziniai vandens nuostoliai – tai vandens kiekis, prarastas per nesandarias tinklo vietas. Būtent šio tipo nuostolių susidarymo vietas galima prognozuoti naudojant „WaterGEMS“ įrankį „Darwin Calibrator“. Vandens nuostolių analizei atlikti būtini debito matavimo duomenys realiame vandentiekio tinkle. Būtent modeliavimo ir matavimo duomenų lyginimo principu ir vyksta vandens nuostolių analizė.
