Гохман В.В., компания Esri CIS
Digital Twin Helps Airport Optimize Operations
Амстердамский аэропорт Схипхол, главный международный аэропорт Нидерландов, занимает 11-е место в мире по загруженности. Этот второй по величине воздушный хаб в мире принимает участие в перевозке пассажиров и грузов по всей Европе, обслуживает рейсы в почти 100 стран. Для общего управления операционной деятельностью и контроля проектов масштабной реконструкции инфраструктуры данного аэропорта в среде BIM и ArcGIS создан, постоянно развивается и все шире используется его цифровой двойник – виртуальная 3D модель-симулятор. Подобные цифровые двойники все чаще применяются для управления современными аэропортами и другими предприятиями, помогая добиться экономии времени и денег на повседневные операции и реализовывать планы будущего развития.
Аэропорт Схипхол — главный аэропорт Нидерландов, расположен в муниципалитете Харлеммермер примерно в 18 км к юго-западу от Амстердама, его официальное название на английском языке Amsterdam Airport Schiphol. В аэропорте функционирует пять главных взлетно-посадочных полос и одна ВПП для малой авиации, планируется строительство седьмой ВПП и дальнейшее расширение общего терминала с большими залами для пассажиров. Для обслуживания этого огромного комплекса и управления разнообразными активами применяется набор современных цифровых технологий, в их числе важной место отведено Геоинформационным системам (ГИС).
ГИС-технологии стали использоваться аэропортом в теперь уже далеком 1985 году. В настоящее время серверно-портальное решение на основе полнофункциональной веб-ГИС ArcGIS Enterprise с набором дополнительных модулей является одним из ключевых компонентов для поддержки основных бизнес-процессов аэропорта. В 2017 году Схипхол начал рассчитанную на несколько лет программу реконструкции, которая предусматривает капитальный ремонт существующих объектов и строительство новых. Чтобы в полной мере воспользоваться данными от многочисленных цифровых устройств и систем, в том числе созданных для реализации программы реконструкции и капитального ремонта, было решено создать так называемый цифровой двойник основных активов (digital asset twin) аэропортового комплекса.
Общий вид комплекса амстердамского аэропорта Схипхол площадью более 2800 га, занимающего 11-е место в мире по загруженности.
«В числе прочего, цифровой двойник активов аэропорта дает возможность моделировать потенциальные сбои и нестыковки в работе по всему нашему комплексу, что экономит нам время и деньги», – говорит Кис ван Хуг, руководитель группы развития в аэропорту Схипхол.
Созданный цифровой двойник (близнец), быстро ставший весьма популярным у многих сотрудников и руководства, известен как Общая среда данных (Common Data Environment, сокращенно – CDE). Она обеспечивает сбор и обработку больших массивов данных из многих источников: данные информационной модели зданий (BIM); ГИС-данные; данные, собираемые в режиме реального времени, в том числе с сенсоров и датчиков, сведения об изменениях в проектах реконструкции, об инцидентах, а также финансовая информация, документация и портфолио проектов. То есть, это единая цифровая платформа, в которой представлены все активы, а географическая и негеографическая информация и документы по ним хранятся и постоянно обновляются, в том числе через Интернет вещей.
В среде CDE собираются и обрабатываются потоковые данные, передаваемые удаленными датчиками в аэропорту, которые контролируют функционирование систем и общую обстановку в аэропорте. В пределах комплекса общей площадью 7 000 акров (1 акр = 0,405 га) отслеживается и обслуживается более 80 000 объектов – как внутренних, так и наружных – от сетевых коммуникаций, оборудования взлетно-посадочных полос и систем освещения до информационных киосков и средств пожаротушения.
Подрядчики аэропорта Схипхол предоставляют данные о строительстве в формате IFC (Industry Foundation Classes) – открытом независимом от платформы формате файлов для стандартизации данных, используемых для модели BIM. Каждая деталь здания, включая как геометрические, так и негеометрические элементы дизайна, а также общие сведения о строительстве фиксируются в BIM. Эта насыщенная информацией модель используется для анализа вариантов дизайна и создания визуализаций.
Данные BIM обрабатываются с помощью дополнительного модуля ArcGIS Data Interoperability, который представляет собой интегрированный набор инструментов ETL (extract, transform, and load; извлечение, преобразование и загрузка), который работает в среде технологии геообработки Safe Software компании FME. Благодаря этому процессу данные BIM преобразуются в слои сцены, которые можно просматривать в системе, в том числе с помощью приложений на основе ArcGIS API for JavaScript. Слои веб-сцен – это кэшированные слои, оптимизированные для отображения больших объемов 3D-данных в браузере.
Модель BIM в разрезе, изображенная на веб-сцене ArcGIS, показывает системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в зданиях аэропорта.
Одним из основных конечных результатов является интерактивная 3D веб-сцена аэропорта (3D Schiphol Urban View), которая дает менеджерам, техническим специалистам, подрядчикам и другим сопричастным сторонам подробное представление о текущем состоянии проектов строительства. Эта веб-сцена также выполняет функцию информационно-диспетчерской панели (на основе приложения Operations Dashboard for ArcGIS) для поддержки процесса управления активами и оборудованием. Будучи частью среды CDE аэропорта Схипхол, она может использовать атрибутивные данные из разных систем и в режиме реального времени отображать данные о материальных активах. В будущем группа развития аэропорта Схипхол предполагает создать исторические и перспективные (в соответствии с планом реконструкции) виды строительства, чтобы можно было видеть в динамике весь процесс развития аэропорта.
Эта система содержит интеллектуальные компоненты, способные взаимодействовать друг с другом и сообщать о своем статусе (рабочем состоянии) в режиме реального времени, так что изменение одного компонента может влиять и обнаруживаться другими компонентами. Так, автоматизированные системы обеспечения перемещения пассажирских и грузовых потоков в аэропорту, такие как эскалаторы, конвейерные ленты и билетные автоматы, контролируются системой сигнализации управления активами и оборудованием (ACSM: asset control signaling and monitoring) в рамках системы диспетчерского контроля и сбора данных аэропорта Схипхол (Schiphol’s supervisory control and data acquisition, сокращенно SCADA). Вместе эти системы постоянно проверяют состояние множества серводвигателей, плат и механических устройств, которые составляют эти системы, сохраняя при этом историю их обслуживания и отслеживая программируемые логические контроллеры системы. Для регистрации и обслуживания активов и оборудования в Схипхол также используется программное обеспечение IBM Maximo.
Цифровой двойник аэропорта Схипхол, известный как Общая среда данных (CDE); показан фрагмент терминала, отображенный в веб-сцене ArcGIS.
«Система ACSM позволяет нам в режиме реального времени с помощью операционной панели осуществлять мониторинг и управление всеми производственными активами, – говорит Кис ван Хуг. – Поэтому, если один из компонентов оборудования, контролируемого этими системами, например, приводной ремень или двигатель, будут работать некорректно, мы сможем отключить соответствующее оборудование, автоматически создать рабочий заказ и назначить обслуживающий персонал для немедленного ремонта», – говорит Кис ван Хуг.
Также в аэропорту Схипхол в качестве системы мониторинга внутреннего трафика представлена технология Veovo BlipTrack. Датчики BlipTrack обнаруживают беспроводное устройство пассажира, уникальный ID которого получает отметку времени и шифруется. Когда это устройство проходит через несколько датчиков, система измеряет время в пути и характер движения. Она предоставляет руководству аэропорта как текущую (в режиме реального времени), так и историческую информацию о времени ожидании в очереди, количестве посетителей и схемах передвижения их потоков, что помогает поддерживать безопасную и защищенную среду.
«Поскольку цифровой двойник аэропорта Схипхол продолжает развиваться, мы рассчитываем на более широкое использование технологии потоковой обработки ArcGIS GeoEvent Server для анализа данных от наших датчиков, – заключает ван Хуг. – Например, поскольку наши системы предназначены для обработки и анализа больших наборов данных в режиме реального времени, они могут быть очень полезны по многим направлениям нашей деятельности, в том числе для улучшения нашего приложения по защите от птиц в зоне аэропорта».
Цифровые двойники: экономическая эффективность и внедрение инноваций
Еще немного о концепции и технологии цифровых двойников. Цифровой двойник (близнец) – это больше, чем просто визуализация реальности посредством компьютерной программной среды. Он может ускорить внедрение инноваций, помочь в достижении консенсуса в повседневной деятельности и планировании, сэкономить время и деньги, итеративно моделируя изменения и тестируя работу компонентов или систем, вносить изменения в рабочие процессы.
Цифровой двойник – это виртуальное представление объекта, места, процесса, системы или устройства, которое устраняет разрыв между физическим и цифровым мирами. Он связывает датчики умных устройств, которые в реальном времени собирают данные о рабочем состоянии, положении или о других характеристиках физических элементов, с виртуальными представлениями этих элементов в интерактивной среде цифровой модели.
Пример отображения данных об арендаторах помещений в среде CDE; сочетание представленного в ГИС «интеллектуального» поэтажного плана с «неинтеллектуальными» моделями BIM.
Соединив эти компоненты с облачной системой, обрабатывающей собираемые данные и характеристики объектов в физическом мире, их можно использовать при всестороннем анализе характеристик виртуальных моделей мира. Такой анализ в реальном времени и прогнозное моделирование позволяют рассмотреть сценарии «Что если» значительно быстрее и с меньшими затратами в сравнении с тестированием в реальном мире, дают представление о том, как улучшить операции и повысить надежность решений и действий.
Концепция цифрового близнеца не нова, нова способность эффективно ее реализовать на современном уровне технологического развития. Майкл Гривз представил ее в своем докладе 2002 года «Цифровой двойник: Совершенствование производства за счет репликации виртуальных заводов» (Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication). В основе концепции Гривза – использование компьютерного проектирования для разработки цифровых объектов, создание виртуальных фабрик для их производства и использование моделирования для тестирования и мониторинга работы предприятия.
Цифровые двойники позволяют повысить эффективность деятельности за счет оптимизации операций и рабочих процессов и улучшения управления оборудованием за счет работы с виртуальными объектами и системами. Они могут с успехом использоваться на всех этапах жизненного цикла активов: от планирования до поддержки каждодневных операций; помочь гарантировать пригодность активов в соответствии с их целевым назначением.
По данным Gartner Group, к 2021 году половина всех крупных промышленных компаний будет использовать цифровых близнецов.
Поскольку аэропорты становятся более загруженными, необходимость в улучшенном управлении их активами имеет решающее значение для оптимизации безопасности, защиты, эффективности управления и удобства пассажиров. В приложении к аэропортам можно отметить, что цифровые двойники уже действуют или тестируются во многих местах, например, в аэропортах Гонконга, Бразилии, Вьетнама, США, Канады, Австралии и других стран, получают положительные отзывы и дают отдачу. Так, по полученным оценкам, благодаря использованию цифрового двойника аэропорт Схипхол сможет сэкономить 5-10% средств на этапе обслуживания и эксплуатации активов и 10-20% – на проектах реконструкции и развития.
Информационная панель на основе приложения Operations Dashboard for ArcGIS представляет оперативную ситуационную картину и обеспечивает мониторинг активов и проектов в режиме реального времени на разных устройствах через браузер.
В последнее время в результате постоянно растущих вычислительных возможностей и с появлением Интернета вещей (IoT) разрыв между обещанием цифрового двойника и реальностью значительно сократился. Хотя первоначально технология цифровых двойников предназначалась для улучшения работы производственных предприятий, в дальнейшем ее применение было расширено до других областей, таких как цепочки поставок, ветряные электростанции и даже города.
Благодаря своим развитым возможностям 3D-анализа и пространственно-временного анализа, а также развивающейся интеграции с такими технологиями, как информационная модель здания (BIM), дополненная реальность (AR), виртуальная реальность (VR) и Интернет вещей (IoT), технология ГИС предоставляет огромные преимущества для моделирования воздействий и улучшения операций за счет использования на государственном и отраслевом уровнях цифровых двойников во многих областях деятельности. Это в полной мере относится и к авиационной отрасли и управлению крупными транспортными комплексами, такими как аэропорты. Одним из новых примеров является аэропорт Мельбурна, широко применяющий связку тех же технологий цифрового двойника (BIM/САПР, ГИС, Maximo), что и Схипхол. Запись выступления с показом истории создания и возможностей корпоративной ГИС аэропорта на австралийской конференции пользователей Esri 2019 года доступна на https://esriaustralia.com.au/gis-in-transportation.
Создание обратной связи между проектированием и производством, а также между виртуальным и реальным мирами дает существенную экономию времени, сил и денег, способствует лучшему пониманию разнообразных процессов и взаимосвязей, принятию обоснованных решений и их контролируемой реализации.
Доступная в Сети техническая брошюра д-ра Майкла Гривса – одно из кратких но достаточно ёмких описаний концепции цифровых двойников, ее ценности и способов ее практической реализации, в особенности в приложении к производственным предприятиям.
Инструменты ГИС на платформе ArcGIS обеспечивают решение многих важных задач, включая регистрацию и управление активами, городскую аналитику, пространственно-временной анализ, определение зон видимости, моделирование природных процессов и явлений на суше и в океане и многих других
Примечание редакции ArcReview. За основу данной статьи взята публикация Джима Бауманна в журнале ArcUser, периодическом издании компании Esri, в ней также использованы материалы о применении цифровых двойников, опубликованные в прошлом году на отраслевом источнике по новостям аэропортов и внедряемым ими инновациям Passenger Terminal, и другие источники, включая сайт компании Esri Australia. Этот проект был представлен на Международной пользовательской конференции Esri 2019 года и привлек интерес ее участников.
