Admin

Цифровые пространственные двойники

ЦВЕТКОВ Виктор Яковлевич, РУТ ( ), заместитель директора юридического института по научной работе, д-р техн. наук, профессор, Москва, Россия
ДУБЧАК Ирина Александровна, РУТ (МИИТ), руководитель дирекции новых проектов и технологий, Москва, Россия

Ключевые слова: цифровой двойник, виртуальная модель, динамическая пространственная среда, транспортные риски, оценка уровня рисков, моделирование реальности в виртуальном пространстве
Аннотация. Статья исследует модели цифровых пространственных двойников, применяемых при управлении высокоскоростным транспортом. Описана концепция и развитие цифрового двойника как виртуальной модели. Для подвижных объектов цифровой двойник есть отражение реальности в виртуальном пространстве. Введено понятие пространственный цифровой двойник.Цифровой двойник сохраняетсвязьсфизическимобъектом,моделирует ситуации физического объекта в виртуальном пространстве и вырабатываетуправленческие решения. Этим он предотвращает нежелательные ситуации вреальности.
 

Содержание

1ЦИФРОВЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ДВОЙНИКИ 2РАЗВИТИЕ МОДЕЛИ ЦИФРОВЫХ ДВОИНИКОВ 3ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ В МОДЕЛИ 4СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

ЦИФРОВЫЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ДВОЙНИКИ

■ Цифровизация общества создает различные цифровые среды для решения задач. Появились качественно новые цифровые технологии, которые используют цифровые среды. Одной из них является технология цифровых двойников, которая применяется на производстве и в системах высокоскоростного транспорта. Мотивация применения этой технологии отчасти продиктована сложностью управления и появлением цифровых рисков, которые сложно оценить. Цифровизация способствует повышению оперативности принятия решений и снижению вероятности человеческих ошибок. Ведь сложность управленческих ситуаций, множественность вариантов и требование оперативности их выбора исключают обычные технологии принятия решений. Модель цифровых двойников служит кибернетическим инструментом, помогающим принимать решения в сложных ситуациях.

РАЗВИТИЕ МОДЕЛИ ЦИФРОВЫХ ДВОИНИКОВ

■ Концепция и первая модель «цифрового двойника» была предложена американским ученым Майклом Гривзом [1]. Она первоначально интерпретировалась как «модель отражения информации». Эта идея представляла собой аналог репликации в базах данных и создание цифровых зеркал как статического отражения содержания одних баз данных в других базах.
Сначала технология «зеркалирования» включала дублирование трафика, данных и экрана с целью получении копии или модели. Затем она была направлена на создание копий (репликации) баз данных, т.е. копий данных и отношений между ними. После отражения данные использовались автономно и не зависели от оригинала. В качестве усовершенствования этой технологии М.Гривз предложил динамическую модель отражения. Технология отражения заключалась в
переносе реальности в виртуальный мир с сохранением динамики реальности и связей между реальностью и виртуальностью. Кроме того, особенность виртуального (цифрового) отображения состояла в моделировании динамики объекта не на уровне одного процесса, а совокупности процессов, составляющих жизненный цикл объекта, соответствующего реальным условиям функционирования [2].
Динамическая модель отражения получила название «цифровой двойник». Цифровой двойник (digital twin - DT) изначально содержал три обобщенных компонента: физический объект, виртуальный объект, двухстороннюю цифровую коммуникацию между реальностью и виртуальностью. Цифровая коммуникация этого вида 一 детерминированная и не содержит помех, а физический объект 一 стационарный, в пространстве не перемещаемый. Следует отметить, что данная модель, хотя и называется «отражением», аналогом отражения не является. Это не статическое отражение как фотоснимок или видеосъемка, а динамическая модель с каналами коммуникации.

Модель DT первоначально применяли в аэрокосмической области [3] для действий в открытом пространстве, затем - в производственной области на реальных предприятиях.
Главное преимущество виртуальной динамической модели состоит в возможности изменения масштаба времени в 100-1000 раз, причем время может протекать в прямом и обратном направлении. Это позволяет выполнять обратные процессы и искать на основе перебора вариантов оптимальные решения.
В виртуальном цифровом двойнике процессы происходят с огромной скоростью и без физического ущерба для реальных предприятий. На этом основании производится прогнозирование и моделирование последствий принимаемых решений в виртуальной модели. После моделирования нескольких вариантоввыбирают по заданным критериямоптимальное решение, котороезатемреализу-ют на производстве. Это механизм цифрового двойникапредприятия, в котором множество действий выполняют в виртуальной среде, и одно из них переносят вреальную среду. В такой модели пространственные данные не нужны, все решается «на месте» [4].
Определение стационарного цифрового двойника как системы, состоящей из цифровой модели и двусторонней цифровой коммуникации «с изделием и его частями», приведено в стандарте ГОСТ Р 57700.37-20212021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения».

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ФАКТОРЫ В МОДЕЛИ

■ В технологии DT цифровая среда выполняет функцию динамического «зеркала» в качестве нового вида виртуальной модели реальной среды. Длительное время DT применяли в производстве, условно «на месте», но высокоскоростное движение, особенно маглев [5], обусловило необходимость создания DT в пространственной цифровой среде с анализом возможности перемещения объекта и учетом множества пространственных факторов.

Основная проблема скоростного и высокоскоростного движения состоит в том, что для принятия решения необходима информация об участке перед подвижным объектом от 3 до 20 км. Это огромный объем информации. При этом зона визуального обзора подвижного объекта становится значительно меньше пространственного участка, который может влиять на движение и состояние подвижного объекта. Для решения данной задачи идея цифрового двойника была перенесена из стационарного предприятия в пространственную область. Эта идея привела к реализации модели пространственного цифрового двойника (SDT) [6].
В этой ситуации физический объект не является стационарным, а перемещается в реальном пространстве. Модель пространственного цифрового двойника SDT содержит больше компонентов, чем DT и включает: подвижный физический объект; физическую трассу, по которой перемещается объект; физический объект - помеха движению; их виртуальные копии. Кроме того, в SDT входят двухсторонняя цифровая коммуникация между реальностью и виртуальностью; цифровая коммуникация между средой перемещения и виртуальной моделью объекта. Для такой модели цифровая коммуникация содержит детерминированную случайную ситуационную компоненту, которая может описывать объектные и процессуальные помехи движению объекта.
Пространственный цифровой двойник - это копия пространственной ситуации в виртуальной среде. Такая пространственная
ситуационная модель включает в себя:

• виртуальную модель объекта в начальном состоянии и при перемещении в пространстве;
• виртуальную модель железнодорожного пути от начала движения до завершения;
• возможные виртуальные модели помех движению;
• имитационное программное обеспечение, моделирующее движение объекта по реальной трассе, а также моделирующее помехи, столкновение с помехой движению и последствия столкновения.

Пространственная ситуационная модель служит основой SDT. Она представляет собой совокупность стационарных моделей объектов пространственной реальности. В нее входят 3D-модели: пути, подвижного объекта, помехи движению, прогнозного перемещения виртуального объекта с учетом возникающих факторов реальности. Эти модели - основа построения их виртуальных образов.
В виртуальном пространстве модельобъекта перемещается по виртуальному пути и моделируются ситуации движения с учетом возможных помех, которые фиксируются расположенными вдоль пути датчикамина транспортном средстве. Следовательно, модель не только пространственная, но и ситуационная.

Как уже упоминалось, виртуальными компонентами модели SDT служат 3D-модели: пути (стационарно скользящая), подвижного объекта (скользящая), возникающих помех (скользящая стохастическая). При этом модель подвижного объекта перемещается по участку модели пути в условиях возникновения помех движению и условиях движения других транспортных средств. Стоит задача - оптимизировать движение подвижного объекта и исключить его столкновение с другими объектами.
Ситуация с использованием пространственного цифрового двойника показана на рисунке. Отправной точкой моделирования служит пространственный реальный подвижный объект -Объект 1. Реальный подвижный объект порождает виртуальный образ (цифровой двойник), который двигается в виртуальном пространстве, опережая движение реального объекта.
Основу для анализа движения в виртуальном пространстве составляют цифровая модель пути ЦМП и виртуальная модель объекта или цифровой двойник ЦД. Виртуальная модель как цифровой двойник моделирует реальные размеры объекта и переносит их в модельное пространство. Процесс моделирования заключается в том, что цифровой двойник запускают в виртуальном пространстве пути и производят анализ его местонахождения. Если ситуация штатная, то «объект» продолжает движение.
Система датчиков, расположенных вдоль реального пути, передает информацию в виртуальное пространство, в котором моделируется ситуация. Появление помех движению передается в вычислитель аналитического центра или бортовой вычислитель, который проверяет, устранима или не устранима помеха движению. В зависимости от этого определяется характер дальнейшего движения объекта.

С помощью SDT возможно решение задач, включающих моделирование движения подвижного объекта при различных параметрах окружающей среды (атмосферные осадки, уклон трассы, скорость движения и др.). Различные параметры создают динамические геоданные. К ним относятся: возникающие помехи, позиционирование транспортного средства на трассе и его состояние, позиционирование других транспортных средств и помех.
Динамическая задача движения включает определение действия транспортного средства в потенциально меняющихся условиях и моделирование его скорости движения в зависимости от внешних условий и оперативных задач.
Для полноценного функционирования SDT его необходимо обеспечить стационарными и динамическими геоданными, необходимыми для управления транспортным средством. В набор требований к геоданным входит их надежность, актуальность, единство координатных систем трассы, подвижного объекта и помех. Динамические факторы в SDT зависят от условий, влияющих на внутреннее состояние объекта
и внешнее состояние трассы. К стационарным объектам SDT относятся компоненты модели, не меняющие своего пространственного положения, такие как мосты, переезды, станции и др.
Современные транспортные средства дополняются различными устройствами автоматизации, что упрощает управление ими и моделирование SDT. Характеристики подхода, основанного на управлении с прогнозированием, включают следующие дополнительные технологические и физические компоненты: технологии прогнозирования движения (model predictive control - MPC) [7]; базовый адаптивный круиз-контроль (adaptive cruise control - ACC) [8]; технологию прямого экстренного управления торможением (directly maximum braking control - DBC) [9].

Результаты исследования показали, что стратегия MPC имеет лучшую производительность среди этих трех стратегий в снижении общей относительной кинетической энергии виртуально связанного поезда, за которой следует стратегия управления DBC, а базовая стратегия управления АСС нуждается в улучшении.
Во всех этих трех стратегиях применяют систему Communications-based train control (CBTC) [Ю]. Она предназначена для интервального контроля, основанного на двусторонней радиосвязи между бортовыми и путевыми устройствами. Это 一 система железнодорожного сигнального управления, которая задействует телекоммуникации между поездом и путевым оборудованием для управления движением и контроля инфраструктуры. С ее помощью определяют местоположение поезда более точно, чем с помощью традиционных систем сигнализации.

Модели подвижных пространственных цифровых двойников применяют в технологиях цифровой железной дороги, в интеллектуальных транспортных системах и беспилотном управлении скоростным движением. Подвижные цифровые двойники 一 основа интеллектуального управления транспортом при переходе от автоматизированного к интеллектуальному управлению.
Технология SDT является «умной» технологией, поскольку использует автоматизированное интеллектуальное управление.
Она может интерпретироваться как «управление с прогнозированием». Данная технология применима для беспилотных транспортных средств и особенно для высокоскоростного движения.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Grieves M.W. Product lifecycle management: the new paradigm for enterprises // International Journal of Product Development. 2005. Vol, 2, Iss. 1-2. P. 71-84. DOI: https://doi.org/10.1504/ IJPD.2005.006669.
2. Grieves M.W. Digital twins: past, present, and future // The Digital Twin. Springer, 2023. P. 97-121. DOI:10.1007/978-3-031-21343-4.
3. Glaessgen E., Stargel D. The digital twin paradigm for future NASA and U. S. Air Force Vehicles // Structural Dynamics and Materials Conference. Honolulu, 2012. DOI: 10.2514/6.2012-1818.
4. Tsvetkov V.Ya., Shaytura S.V., Sul-taeva N. L. Digital enterprise management in cyberspace // Advances in Economics, Business and Management Research : Proceedings of the 2nd International Scientific and Practical Conference “Modern Management Trends and the Digital Economy : from Regional Development to Global Economic Growth” (MTDE 2020). Atlantis Press,2020. Vol. 138. P. 361-365. DOI: 10.2991/aebmr.k.200502.059.
5. Zhu Q., Wang S. M., Ni Y. Q. A review of levitation control methods for low-and medium-speed Maglev systems // Buildings. 2024. Vol. 14, №, 3. P. 837. DOI: https://doi.org/10.3390/ buildings14030837.
6. Enablingspatial digital twins: Technologies, challenges, and future research directions / M.E.Ali et al. // PFG-Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Geoinformation Science. 2024. Vol. 92, №. 6. P. 761-778. https://doi.org/ 10.1007/ s41064-024-00301-2
7. Model-predictive control of multilevel inverters: Challenges, recent advances, and trends / Harbi I. et al. // IEEE Transactions on Power Electronics. 2023. Vol. 38, №. 9. P. 10845-10868. DOI:10.1109/TPEL.2023.3288499.
8. Yu L., Wang R. Researches on adaptive cruise control system: A state of the art review // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part D: Journal of Automobile Engineering. 2022. Vol. 236, №. 2-3. P. 211-240. DOI: 10.1177/09544070211019254.
9. Polozhay V., Nikonov A. Direct adaptive control for vechicle braking force maximization // 2024 Conference of Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElCon). 2024. P. 467-469. DOI: 10.1109/ElCon61730. 2024.10468490.
10. Farooq J., Soler J. Radio communication for communications-based train control (CBTC) : a tutorial and survey // IEEE Communications Surveys & Tutorials. 2017. Vol. 19, Iss. 3. P. 1377-1402. DOI: 10.1109/ COMST. 2017. 2661384.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК