Виявлення та оцінка бар’єрів, що перешкоджають створенню цифрових двійників у містах
Щоб стимулювати обговорення проблем, що перешкоджають розробці та впровадженню цифрових двійників, автори класифікували їх на основі систематичного огляду літератури в поєднанні з експертним опитуванням.
Цифрові двійники міст, як репрезентації фізичних активів у містах, що дозволяють здійснювати двосторонню взаємодію з реальними аналогами, полегшуючи аналітичні операції та симуляції у віртуальному міському середовищі. Незважаючи на зростаючу популярність цифрових двійників, залишається багато перешкод, які ускладнюють їх проектування та впровадження, але вони рідко обговорюються. У цій статті автори визначають проблеми роботи з цифровими двійниками в міському контексті за допомогою багатовимірного підходу: систематичного огляду літератури та експертного опитування, розподіляючи їх за технічними та не технічними аспектами.
Концепція цифрових двійників походить зі світу виробництва. Воно вказує на процес дзеркального відображення або “двійникування” з двонаправленими інформаційними потоками між двома об’єктами, що дозволяє виконувати певні операції, наприклад, тестування, оптимізацію та симуляцію процесів. Одне з найпопулярніших визначень належить аерокосмічній галузі, яка описує цифровий двійник як “інтегровану багатомасштабну симуляцію фізичного об’єкта, що відображає життя його відповідного двійника”. Зі зростанням популярності цифрових двійників у міському контексті нещодавні дослідження спробували досягти консенсусу щодо інтерпретації цифрових двійників для міст. Деякі дослідження припускають, що цифрові двійники міст повинні уможливлювати динамічний аналіз, що виходить за межі 3D-візуалізації, наприклад, відображати просторово-часові зміни та моделювати динамічні міські сценарії. Тому, оскільки визначення різняться, для цілей цієї статті було визначено, що цифрові двійники міст повинні 1) базуватися на детальних семантичних 3D-моделях міста, 2) надавати дані в режимі, близькому до реального часу, 3) уможливлювати різноманітні операції, наприклад, аналіз, моделювання та прогнозування різних сценаріїв до того, як вони будуть реалізовані в реальності, та 4) враховувати соціальні та економічні функції у забудованому середовищі, наприклад, уможливлюючи партисипативний процес, залучаючи людей як сенсорів для вивчення місцевого контексту.
Життєвий цикл цифрових двійників
Життєвий цикл цифрових двійників класифікується як різні фази їхнього життя у виробництві, а саме: процес проектування – експлуатація – обслуговування. Віртуальна модель отримує інформацію про продукт для моделювання та перевірки сценаріїв подій, а потім надсилає зворотний зв’язок фізичному об’єкту для оптимізації дизайну, наприклад, повідомлення про помилки або налаштування деяких деталей. Обмін інформацією між фізичними та віртуальними об’єктами утворює циклічність зв’язку. Переходячи до масштабу міста та міського контексту, життєвий цикл цифрових двійників є більш різноманітним та складним. Ця складність зумовлена інтеграцією різнорідної інформації та коеволюцією з фізичним середовищем, яку слід враховувати від початку до кінця процесу.
Ще одним важливим аспектом цифрових двійників міст є їхня потреба реагувати на зміни, що відбуваються майже в режимі реального часу. Це вимагає великих баз даних, зворотного зв’язку та високочастотного інформаційного потоку протягом усього життєвого циклу. Натхненний життєвим циклом 3D-моделей міст, які є невід’ємною частиною цифрових двійників міст, цей процес складається з шести етапів (див. Малюнок 1) у міському контексті: 1) Збір (різнорідні різномасштабні та різночасові дані), 2) Обробка (перетворення та інтеграція даних), 3) Генерування (фізичні активи та інформаційні потоки), 4) Управління (якість та стан), 5) Моделювання (міські сценарії) та 6) Оновлення (динамічні зміни).
Перехід до соціально-технічної перспективи
Нинішня дискусія про цифрових двійників здебільшого зумовлена технологіями, підкреслюючи, як технічна функціональність сприяє їхньому розвитку в масштабах міста. Тим не менш, в останніх дискусіях можна помітити чітке представлення цифрових двійників через соціально-технічну призму. Це дає уявлення про перехід від універсалізму даних до підвищення обізнаності про соціальний вимір. Наприклад, стверджується, що цифрові двійники повинні заохочувати до взаємодії, таким чином роблячи їх зрозумілими для суспільства, а не залишаючи їх езотеричними. У сучасному дослідницькому ландшафті були зроблені певні спроби в цьому напрямку. По-перше, прикладні технології в цифрових двійниках є засобом, а не метою. Створення цифрових двійників допомагає вирішувати містобудівні проблеми та планувати придатні для життя та сталого розвитку міста. Однак суто технологічний підхід може розмити початкове поняття. Більше того, технічний оптимізм ігнорує важливі компоненти цифрових двійників на практиці. Наприклад, співпраця відіграє вирішальну роль у розвитку цифрових двійників. Вона є основою для генерування спільних знань між різними зацікавленими сторонами, а також для забезпечення обміну даними та встановлення стандартів. Тому автори поєднують соціальну та правову перспективи, щоб доповнити технічний вимір і запропонувати більш повне розуміння цифрових двійників.
Надійний метод дослідження
Метод дослідження – це унікальний і надійний комбінований метод: систематичного огляду та експертного опитування. Опитування доповнило огляд на основі методу Дельфі: суворого і наукового підходу, що використовується в багатьох дисциплінах, розподіленого між групою експертів у певній галузі. Опитування за методом Дельфі було розроблено за допомогою ітеративного процесу, що складався з трьох раундів та онлайн-анкетування. Учасникам було запропоновано перерахувати та проранжувати виклики для їхніх організацій, пов’язані з міськими цифровими двійниками. В опитуванні за методом Дельфі взяли участь 52 міжнародні експерти. Потім в ході огляду були виявлені задокументовані проблеми з літератури за допомогою системного підходу, який здійснювався в Scopus – великій базі даних літератури – в результаті чого для аналізу було відібрано корпус з 34 статей.
Учасники дискусії представляли 23 країни, більшість з яких працюють в Європі. 26 експертів представляють промисловість (14) та уряд (12), тоді як інші 23 експерти працюють в університетах або науково-дослідних інститутах. Більше того, 44,2% респондентів працюють понад 20 років у сферах, що лежать в основі цифрових двійників. Такі характеристики учасників представляють висококваліфіковану та різноманітну групу, що забезпечує надійність результатів.
Технічні труднощі
Огляд літератури та опитування за методом Дельфі дозволили виявити 14 технічних проблем. Найбільше проблем пов’язано з даними, і вони були об’єднані в єдину категорію “Дані”. Це безпосередньо стосується наявності, доступу, точності, своєчасності та деталізації даних. Наприклад, щодо доступності даних, один учасник назвав проблемою відсутність високоякісних 3D-даних, а інший відповів, що проблема полягає у відсутності детальних даних.
З точки зору інтеграції, проблема. не обмежується джерелами даних, але також включає системну інтеграцію. Вона включає такі випадки, як складність інтеграції різнорідних систем для створення цифрових двійників, що перешкоджає роботі на практиці. Результати також показують, що інтеграція багатьох систем збільшує складність реалізації, причому складність системи зростає не лінійно, а експоненціально, а також складність перетворення різнорідних форматів даних. Крім того, практики та дослідники також звертають увагу на програмне забезпечення (наприклад, ліцензії), стандартизацію (наприклад, непослідовне прийняття), оновлення (наприклад, управління різними версіями, виявлення міських змін), технічну компетентність та апаратне забезпечення. Двоє експертів вважають візуалізацію викликом щодо плавного рендерингу, вимог до платформи та зручності для користувача.
Нетехнічні виклики
З точки зору соціальних і правових аспектів, можна виділити 8 нетехнічних проблем, які перешкоджають функціонуванню міських цифрових двійників. Багато дискусій свідчать про те, що недостатнє розуміння може бути особливою проблемою з соціальної точки зору, визначеною як “Проінформованість та визначення”. Наприклад, один з учасників опитування Дельфі вказав на відсутність загального розуміння поняття “цифровий двійник”, незважаючи на зростаючий попит на широке використання цього терміну або концепції в індустрії. Необхідно провести глибокі обговорення з клієнтами та партнерами, щоб синхронізувати розуміння того, що таке цифровий двійник, перш ніж розпочати роботу над проектом.
Що стосується конкретних дисциплін, таких як міське планування, то студенти та дослідники, здається, мало обізнані чи зацікавлені в тому, чому містобудівники повинні використовувати цифрові двійники. Окрім питання розуміння, практична цінність цифрових двійників також широко обговорюється в сучасному контексті. Дискусія переважно стосується цілей, очікувань, фінансування та бізнес-моделей, наприклад, браку ноу-хау серед кінцевих користувачів та незрозумілих переваг використання цифрових двійників. Інші не технічні проблеми, виявлені під час огляду та опитування, включають співпрацю, власність, чутливість і надійність.
Вимірювання серйозності викликів
На Малюнку 2, у вигляді двох стовпчикових діаграм, показано ступінь серйозності кожного виклику. З технічної точки зору, більшість учасників вважають семантичну інтероперабельність найсерйознішим викликом на практиці: 44,8% учасників визначили її як основну перешкоду, а 37,9% – як найсерйознішу. Інтероперабельність(здатність різних систем взаємодіяти та обмінюватися інформацією між наборами даних названа другою серйозною проблемою, що свідчить про консенсус щодо того, що інтероперабельність щодо інформації про дані негативно впливає на сучасний стан цифрових двійників. Ще одним важливим висновком є те, що деякі технічні проблеми оцінюються як помірно серйозні, наприклад, інтероперабельність (58,6% експертів) та управління версіями (55,2% експертів). Дев’ять проблем можна визначити як несерйозні, наприклад, жоден учасник не вважає обслуговування даних серйозною проблемою. Водночас, з 39 технічних проблем найменш значущими проблемами є інфраструктура та обчислювальні пристрої, обидві з яких належать до категорії “апаратне забезпечення”.
З точки зору викликів з соціальної та правової точок зору, більшість проблем розглядаються як найбільш серйозні. Виклики, пов’язані з практичною цінністю, отримують більше уваги, ніж інші. Бізнес-модель та фінансування визначені як найсерйозніші бар’єри, причому сім учасників надали їм найвищий ступінь серйозності. На думку 79,3% експертів, відсутність чіткої мети цифрових двійників є більш значущою проблемою, яка потребує більшого пояснення. Водночас деякі проблеми оцінюються як такі, що мають незначний ступінь серйозності. Наприклад, 13,8% учасників вважають суворість регулювання незначною, а 41,4% – помірною проблемою. Крім того, понад 59% учасників опитування вважають, що нечітке визначення цифрових двійників є помірним бар’єром.
Картографування викликів в рамках життєвого циклу
Актуальність цих викликів на основі шести етапів життєвого циклу цифрових двійників проілюстровано на Малюнку 3. Під час збору даних основними технічними проблемами, що впливають на загальну якість, є створення та складність даних. Більшість соціальних і правових проблем на цьому першому етапі пов’язані з правом власності та співпрацею, а також з чутливістю даних, що викликає питання дотримання соціальних норм і безпеки під час збору даних про людину, як особу. Що стосується обробки даних, то найчастіше вважається, що доступність, стандартизація та інтеграція даних перешкоджають роботі з цифровими двійниками. Сприйнята складність системної архітектури також вказує на необхідність розробки високорівневої схеми для структурування даних на цьому другому етапі життєвого циклу. Третій етап створення цифрових двійників міст стикається з кількома проблемами, серед яких важливе місце посідає інтероперабельність (включаючи набори даних, семантику, масштаби та інструменти). Що стосується семантичної інтероперабельності, то кожна галузь працює ізольовано, демонструючи величезні прогалини в технологіях і стандартах.
На четвертому єтапі – управління цифровими двійниками – сильніше впливають соціальні виклики, такі як співпраця, участь і довіра, наприклад, недостатній обмін даними між органами влади.
На п’ятому етапі необхідні рішення щодо інтероперабельності, щоб скористатися найважливішою перевагою цифрових двійників: можливістю моделювання.
Більшість нетехнічних викликів пов’язані з практичними цінностями, такими як вимоги до бізнес-моделі. Наприклад, поточні сценарії використання часто є загальними, але очікується, що буде знайдено універсальне рішення.
Шостий і останній етап – оновлення. Це не лише етап виявлення змін і внесення оновлень, але й момент завершення – і перезапуску – життєвого циклу міських цифрових двійників. Тому технічні виклики в основному стосуються управління версіями та реконструкції. Також наголошується на залученні громадськості, наприклад, на врахуванні відгуків про цифрові моделі.
Висновок:
Хоча переваги цифрових двійників міст для прийняття рішень є загальновизнаними, виклики, пов’язані з їх створенням, не часто стають предметом всебічного громадського обговорення. Визначивши та проаналізувавши виклики з двох точок зору, автори виявили, що сучасний стан цифрових двійників міст переважно визначається технологіями, що стосуються даних та методів. Рейтинг серйозності викликів у дослідженні додатково показує, наскільки кожна з них перешкоджає роботі цифрових двійників на практиці. Рейтинг відображає, що різні проблеми мають різний рівень впливу та актуальності (технічні та соціальні). Цікаво, що виклики з нетехнічної точки зору отримали значну увагу у відповідях на опитування. Наприклад, бізнес-модель була названа однією з найсерйозніших нетехнічних проблем, що свідчить про попит на найкращі практики та кейси використання для підтримки кращого впровадження цифрових двійників.
Поєднання поглядів академічних та промислових кіл може всебічно сприяти подоланню таких викликів і призвести до зростання впровадження цифрових двійників. У майбутньому автори планують провести подальші дослідження, спрямовані на вирішення конкретних проблем, визначених у цьому дослідженні, що призведе до потенційних рішень, які підтримають і полегшать роботу цифрових двійників у міській та геопросторовій сферах.
Джерело: 