Цифровой двойник здания в теории и на практике

Термин "цифровой двойник" (ЦД) уже не первое десятилетие будоражит умы инженерного сообщества. Сначала, как это часто бывает в цифровизации инженерии, его изобрели применительно к машиностроительным инженерным объектам, а позднее он мигрировал и в стройку. Последний десяток лет цифровые двойники зданий неизменно обсуждаются на различных мероприятиях, посвященных цифровизации строительства. Что это, возможность или необходимость? Маркетинг или реальная польза? Теория или практика? Попробуем разобраться с этими вопросами в данной статье.

Термин "цифровой двойник" применительно к изделиям, то есть объектам машиностроительной деятельности, уже имеет свое определение по ГОСТ Р 57700.37–2021 "Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения". Но мне бы не хотелось сейчас погружаться в дебри формулировок из официальных стандартов, поэтому дадим определение этого понятия более простым языком.

Определение ЦД

Цифровой двойник – это виртуальная (в компьютерном пространстве) модель объекта (здания, сооружения – применительно к стройке), которая дублирует важные для отслеживания и регулирования параметры этого объекта (например, геометрию пространств и оборудования, характеристики потребляемой мощности, значения этой мощности в конкретный момент) за счет двусторонней связи с датчиками, установленными непосредственно на объекте моделирования, и дает возможность влиять на эти параметры.
То есть это одновременно и средство наблюдения за параметрами систем объекта, и инструмент их регулирования.

Говоря о цифровом двойнике здания, часто также говорят о применении технологии информационного моделирования на этапе эксплуатации зданий. В общем смысле можно поставить приблизительное равенство между понятием "BIM в эксплуатации" и "ЦД здания", хотя иногда встречается точка зрения, что BIM-модель не дает возможности влиять на сам объект моделирования и поэтому скорее к ней применимо понятие "цифровая тень", а не "цифровой двойник".

Зачем нужен цифровой двойник

Зачем нужен цифровой двойник, нужен ли, и если нужен, то кому?

Чем сложнее становятся современные здания, тем больше различные инженерные системы внутри них зависят друг от друга и тем больше управление этими системами требует комплексного подхода. Для промышленных объектов уже достаточно давно применяется такое средство диспетчеризации, как SCADA, и без этой системы современное промышленное предприятие уже не представить. Фактически ЦД можно рассматривать как SCADA-систему с привязкой ее элементов к конкретному геометрическому представлению и расположению. Для гражданских же зданий SCADA-системы пока применяются редко как раз по причине лишь недавно возросшей сложности инженерного наполнения гражданских зданий.

Поэтому здесь востребованность ЦД возникает одновременно с развитием BIM-технологий, объединяющих в себе и трехмерную модель объекта, и наполнение ее негеометрическими параметрами.

В итоге наличие цифрового двойника дает возможность организации, эксплуатирующей объект недвижимости, достигать следующих целей:

1. Хранение всей информации об объекте в одном месте (документация об объекте, планы технического обслуживания систем, планируемая стоимость такого обслуживания, показания приборов коммерческого и технического учета – электроэнергии, тепла, воды и газа, накопительный итог стоимости эксплуатации объекта в разрезе на каждую систему и каждую единицу оборудования, сведения о надежности (количестве отказов и инцидентов) на каждую систему, единицу оборудования, каждого подрядчика по эксплуатации или даже каждого отдельно взятого технического специалиста, схемы расположения арендаторов, площади помещений под аренду, пути движения посетителей в нормальном режиме работы и пути эвакуации, видеозаписи с камер наблюдения и многое другое.
2. Возможность анализировать накапливающиеся данные и представлять их в любом удобном для визуального анализа (дашборды) или машинного анализа (базы данных) виде.
3. Возможность предсказывать будущие затраты на основе данных предыдущих аналогичных периодов.
4. Возможность оптимизации затрат на отопление, вентиляцию, кондиционирование, освещение и другие нужды с помощью моделирования различных сценариев включения/выключения инженерных систем.
5. Возможность моделировать сценарии поведения посетителей в различных ситуациях, в том числе нештатных.
6. Возможность предоставлять оперативный доступ к информации об объекте экстренным службам (например, планы помещений пожарной службе и т.п.).

Соответственно, кроме прямого потребителя этой информации, эксплуатирующей организации, мы можем увидеть косвенных потребителей – те самые экстренные службы, арендаторов помещений, муниципальные органы власти (например, для анализа загруженности маршрутов движения посетителей к данному зданию и от него), инженерные службы для анализа расходов энергоносителей и т.п.

Составляющие цифрового двойника

На текущем уровне развития технологий цифровой двойник представляет собой инженерно-техническую систему из следующих составляющих:

1. Компьютерная модель совокупности инженерных систем здания. Эта модель может быть выполнена на этапе проектирования либо постфактум уже после ввода объекта в эксплуатацию, на основе данных обследования здания. В зависимости от целей системы и сложности/ответственности объекта модель может быть представлена в трехмерном или двух-/одномерном схематичном виде и включать в себя только отдельные инженерные системы или же и пространственные системы, такие как объемно-пространственные и конструктивные решения здания.
2. Эта компьютерная модель должна быть размещена в специальном программном обеспечении, предназначенном для эксплуатации ее в качестве цифрового двойника и снабженном всеми необходимыми интерфейсами для взаимодействия с человеком (обслуживающий персонал) и датчиками, установленными на самом объекте недвижимости. Интерфейсы могут включать в себя окна ввода/вывода данных вручную, дашборды, трехмерные вьюеры и шины обмена данными со считывающими устройствами. Само программное обеспечение может быть размещено в облаке, в закрытом контуре (в рамках организации) либо в открытом (в сети "интернет"). Интерфейсы часто включают в себя клиенты для установки на смартфонах, чтобы обеспечить доступ персонала к системе не только со стационарного рабочего места, но и через смартфон, из любого места внутри здания, для облегчения поиска мест неисправностей, формирования пользователями зданий запросов на сервис из любого помещения с их личного мобильного устройства и удаленного контроля параметров объекта извне в случае необходимости.
3. Само здание должно быть снабжено всеми датчиками, данные с которых планируется сохранять и анализировать с помощью компьютерной модели здания. Данные должны собираться с необходимой частотой (иногда по несколько измерений в секунду), передаваться в систему, в которой размещена модель, и сохраняться там установленное время для возможности дальнейшего анализа.

Чтобы цифровой двойник был именно двойником, а не цифровой тенью, в системе должен быть предусмотрен интерфейс передачи команд из цифрового двойника непосредственно в инженерные системы здания как вручную (эксплуатирующим объект персоналом), так и автоматически – при достижении системами определенных параметров (штатных и нештатных). В идеале должна быть возможность выбирать режим работы цифрового двойника: "открепленный" от здания для моделирования гипотетических ситуаций и "прикрепленный" к зданию для управления системами здания из его интерфейса в реальном времени.

К сожалению, как часто бывает, эта стройная теория на практике не так проста в реализации. Для столь же стройной практической работы цифровых двойников зданий на данный момент существует ряд сложностей.

Сложности использования цифровых двойников

На рынке недвижимости практически отсутствуют универсальные, подходящие для всех типов объектов информационно-технические системы, реализующие весь описанный выше функционал. Есть решения, разработанные для сектора коммерческой недвижимости. Есть программы, написанные для оптимизации управления жилым фондом. Есть индивидуальные разработки для управления промышленными предприятиями (как правило, подходящие только для данного конкретного завода и не предполагающие возможности масштабирования или переноса на другой объект, даже схожего профиля). И во всех таких системах реализована только часть функционала, который ожидается от цифрового двойника. Как правило, это та часть, которая позволяет, по мнению разработчиков самих систем, закрыть наиболее экономически целесообразные потребности, получить относительно быструю окупаемость внедрения такой системы.

Кроме того, все эти системы разрабатываются именно для этапа эксплуатации зданий и не учитывают предшествующих ему этапов проектирования и строительства. Для проектирования и контроля стройки используются другие программные комплексы, в результате чего при передаче в системы эксплуатации теряется очень большой пласт данных. Это прерывает бесшовность передачи данных по жизненному циклу объекта недвижимости, в результате чего часть возможного экономического эффекта от цифровизации стройки не достигается.

Затраты на внедрение подобных систем и поддержание их в качестве основного инструмента управления эксплуатацией недвижимости пока еще достаточно велики как в финансовом плане, так и в чисто организационном: требуется найти персонал, способный грамотно пользоваться цифровым двойником, поддерживать актуальность данных в нем, не допускать внесения изменений в физический объект недвижимости без соответствующих изменений в его виртуальной копии. Требуется понять, какие системы в данном конкретном здании наиболее эффективно дублировать в цифровой двойник, а какие не требуют наличия виртуальной копии.

Ответ "нам нужно дублировать абсолютно все" в общем случае приведет к такой стоимости создания и поддержания в работе ЦД, что ни один собственник в здравом уме не пойдет на такие затраты.

Цифровая эксплуатация зданий еще только зарождается, поэтому "лучшие практики" еще не наработаны и каждый может опираться практически только на собственный опыт и собственное представление о том, какая часть ЦД экономически наиболее оправданна и принесет прибыль в ближайшей перспективе.

Часть предприятий, где наличие цифрового двойника было бы оправданно в связи с повышенными требованиями к их надежности и безопасности, относятся к элементам критической инфраструктуры, данные о которых не могут быть выложены в интернет по законодательству о защите государственной тайны. Ни одна система эксплуатации с применением ЦД пока не имеет сертификата ФСТЭК, а когда какая-то и будет сертифицирована, все равно невозможность использования облачных сервисов урежет функционал ЦД до использования только на рабочих местах и по крайней мере часть эффектов от применения цифровых двойников на смартфонах будет для таких объектов недоступна.

Применительно к уже существующим объектам остро стоит проблема отсутствия документации, необходимой для создания их ЦД. Проведение обследований строительных конструкций и инженерных систем является довольно дорогостоящим процессом, а в отношении некоторых систем (кабельных, то есть систем электроснабжения, связи или безопасности) практически невозможно без исполнительной документации однозначно построить схемы размещения и подключения существующего оборудования.
При проведении ремонта таких систем, как правило, проще проложить все кабели заново, чем разбираться, что куда подключается. Так с каждым новым ремонтом в кабельных лотках и шахтах накапливаются неиспользуемые шлейфы, что только усложняет дальнейший процесс идентификации кабелей и оборудования. Это отсекает большую часть уже существующих объектов от создания ЦД, по крайней мере по части систем, до момента их капитального ремонта или реконструкции.

Отдельно стоит упомянуть оторванность России от мирового рынка программного обеспечения, возникшую начиная с 24 февраля 2022 г. Большая часть решений для эксплуатации зданий с применением ЦД была основана на решениях, завязанных на программном обеспечении (ПО) зарубежного производства (как пример – программный комплекс Ecodomus, который хотя и был разработан нашим соотечественником, использовал в качестве входных данных трехмерную модель из программы Autodesk Revit, а в конце 2021 г. был приобретен концерном Siemens для интеграции в их систему управления активами). Конечно, импортозамещение идет чудовищными темпами и технологический суверенитет неизбежно будет достигнут, но пока никто не уточняет, когда же именно, а данная статья описывает ситуацию "здесь и сейчас", в августе 2024 г.

Бесспорно перспективная технология

Впрочем, несмотря на все описанные сложности, применение цифровых двойников в строительстве является бесспорно перспективной технологией, и рано или поздно большинство строительных объектов будут снабжены такими двойниками для управления ими в физической реальности из реальности виртуальной. Случится ли это через три, пять или пятнадцать лет, зависит от большого числа факторов, которые точно спрогнозировать невозможно. Но те, кто уже сейчас начинают создавать ЦД своих объектов, точно подойдут к этому периоду во всеоружии – с необходимым опытом, знаниями и компетенциями.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" № 4/2024

Все статьи журнала "Системы безопасности"
доступны для скачивания в iMag >>

Изображение сгенерировано нейросетью Шедеврум