fb
IT Systems 7-8/2019 Logistika GIS - geografické informační systémy 17. 9. 2019 14:30

Digitální dvojče

Technologie NASA míří do podnikových informačních systémů

ARCDATA PRAHAV 90. letech jsme digitalizovali data, která byla do té doby uložena v papírové formě. Spolu s tím se začala data v digitální podobě postupně i sbírat a podnikové databáze se tak plnily novými a novými informacemi. To posléze umožnilo začít s digitalizací procesů, která je dnes již, řekněme, téměř završena. Nyní přichází doba „digitální transformace“, ve které usilujeme o tvorbu úplného digitálního obrazu reálného světa.

Výraznou změnu pochopitelně zaznamenaly i geografické informační systémy (GIS), které se z nástroje pro zpracování statických geografických dat vyvinuly do stavu, kdy dokážou zpracovávat a analyzovat ohromná množství dat přicházejících z internetu věcí (IoT), dronů nebo crowdsourcingu.

GIS adaptuje rovněž nové metody práce s daty – nejprve se rozšířilo využití mobilních aplikací, SaaS a cloud computingu a nyní nastupuje strojové učení, umělá inteligence a rozšířená realita. Moderní GIS se také přesouvá z jednotlivých strojů do prostředí webu a díky zaměření na webové služby dokáže těžit z výhod cloudu a distribuovaného přístupu ke službám. S daty a analytickými nástroji je tak možné pracovat odkudkoli a z jakéhokoli zařízení.

Digitální dvojče

Vývoj se ale nezastavuje ani u internetu věcí a Big dat – na scénu totiž přichází digitální dvojče, přesná virtuální replika skutečných systémů, zařízení, infrastruktury nebo procesů. Tento koncept vznikl v NASA, kde digitální dvojčata nahradila přesné makety vesmírných zařízení používaných k zrcadlení, diagnostice a simulaci problémů na oběžné dráze.

Čím se toto digitální dvojče liší od tradičních modelů reality, chytrých map či záznamů v systémech CAD? Zejména se jedná o přesnou digitální reprezentaci fyzického objektu nebo systému. Jedinečnou výhodou také je, že na rozdíl od statické makety je tato reprezentace dynamická, tj. dokáže přijímat data ze senzorů, které zaznamenávají změny stavu, počasí, teplotu, umístění apod. Digitální dvojče také uchovává časová data událostí. Je tedy možné sledovat stav objektu v různých časových obdobích a na základě minulého chování predikovat pomocí analýz, strojového učení a umělé inteligence chování budoucí. Digitální dvojče tedy umožňuje nejen zjistit aktuální stav systému či objektu, ale především modelovat potenciální stavy při havárii či při extrémních podmínkách, predikovat určité situace a z nich plynoucí návrhy na včasná opatření apod. Vedle toho je zde možnost využívat tradiční a silné nástroje GIS – tedy analytiku, vyhledávání vzorců chování a kombinování informací z mnoha zdrojů v prostorovém kontextu.

Obr. 1. Možnosti využití analýzy dat v GIS k predikci a ovlivnění budoucího stavu
Obr. 1. Možnosti využití analýzy dat v GIS k predikci a ovlivnění budoucího stavu

Data, data, data

Digitální dvojče je však zcela závislé na přesných a aktuálních datech. (To proto, aby skutečně nebylo nutné vyslat inspektory do terénu ke kontrole, zda je potrubí potřeba vyměnit, či nikoli.) Díky zvyšující se kvalitě senzorů a jejich rostoucímu množství, stejně jako i díky dalším možnostem sběru a aktualizace dat, se to ale stále více daří. Prvním krokem k digitálnímu dvojčeti je tedy rozhodnutí managementu zajistit a udržovat systém plný přesných a neustále aktualizovaných dat. Jen na takovém základě bude projekt úspěšný.

Hlavní motivací k tomuto rozhodnutí je především výrazná úspora zdrojů a konkurenční výhoda. Z lepšího pochopení minulého a aktuálního stavu vychází i lepší pochopení problémů současných, a především pak budoucích. Jejich detekce a schopnost předejít jim ještě dříve, než nastanou, je hlavním smyslem tvorby digitálního dvojčete. Dalším velkým přínosem je také schopnost simulace možných stavů či různých nastavení systému pouze za zlomek nákladů, které by vyžadovalo fyzické testování. Některé studie uvádějí, že v roce 2020 bude používat data z „digitálních dvojčat“ cca 30 % z 2000 globálních společností. A budou to dělat proto, že tak mohou zlepšit svou produktivitu až o desítky procent.

Digitální dvojče v akci

To, že digitální dvojče přebírá v mnoha organizacích nezastupitelnou roli, si nejlépe ukážeme na následujících příkladech. Prvním z nich je největší přístav na evropském kontinentu.

Port of Rotterdam

Přes 80 % veškerého zboží putuje alespoň jednou po vodě. Objem zboží, přesouvaného v kontejnerech, neustále roste a dodavatelské řetězce už netvoří přímé linky od dodavatele k odběrateli, nýbrž se jedná o složitou pavučinovou strukturu. Port of Rotterdam se rozhodl s těmito i jinými nadcházejícími změnami vyrovnat tvorbou digitálního dvojčete celého přístavu. Připravují se tak i na další kroky ve vývoji, kterými jsou autonomní lodě a přechod na nové zdroje energie (transport ropy dnes tvoří takřka polovinu provozu přístavu, což se má do roku 2050 zcela změnit).

Port of Rotterdam

Digitální dvojče přístavu čerpá data z nejrůznějších senzorů rozmístěných po celé jeho ploše, kontejnery a jiné „pohyblivé“ objekty do systému pravidelně předávají svoji polohu a stav, sbírají se aktuální informace o počasí, povětrnostních podmínkách, stupních přílivu a odlivu, o stavu zařízení, obsazenosti překládacích míst, počtu, poloze, rychlosti a směru pohybu lodí. Sbírají se i data vztahující se k přístavním budovám a nemovitým objektům (např. infrastruktuře), jejich zařízení a životnímu cyklu v návaznosti na BIM. Všechna tato data mají společné složky – umístění a čas. Klíčová přitom nejsou samotná aktiva, ale informace o nich v širším kontextu – vědět, kdy je umístění vzhledem k okolním objektům ještě bezpečné, a kdy již hrozí nehoda nebo poškození. Jiným příkladem může být zásah do priority vlaků na základě informace o zpoždění důležité zakázky.

Moderní geografický informační systém je platformou, která dokáže takto nesourodá data propojovat, vytvářet dashboardy s aktuálními informacemi, modelovat různé varianty budoucího chování a poskytovat data specializovaným systémům strojového učení a umělé inteligence. Simulace mohou běžet digitálně v paralelních scénářích, což ve výsledku vede k výrazným úsporám v reálném světě.

Digitální dvojče nemusí být jen věrným odrazem fyzického světa. Postupně bude stále více autonomní (kognitivní) a bude také aktivně řídit napojené „věci“ (vazba na IoT). Bude tedy nejen umožňovat sledování aktuální situace a predikci budoucího stavu, ale dokáže aktivně přijímat nutná opatření a učit se ze svých chyb.

Migros

Migros je největší švýcarskou maloobchodní společností vlastnící řetězec supermarketů a největším tamějším zaměstnavatelem. GIS využívá k řízení dodávek, které jsou monitorovány a vizualizovány ve webové aplikaci, a v případě potíží s doručením i k návrhu možných řešení. Webová aplikace umožňuje proaktivně řídit celý dodavatelský řetězec, konzistentně sledovat a trasovat všechny dodávky a také kontrolovat uzavřené smlouvy.

Utility

V oblasti energetiky se digitální dvojče používá pro optimalizaci činností a údržby fyzických zařízení, systémů a pracovních procesů. Mnoho infrastruktury se nachází pod zemí, a i tuto je nutné udržovat a optimalizovat, případně reagovat na výpadky a určovat směr dalšího rozvoje. Moderní energetické sítě díky řadě senzorů kontinuálně informují o svém stavu, a tak odpadá nákladná kontrola technikem na místě. Pro všechny tyto operace je digitální dvojče vhodným pomocníkem. Mimo to se objevují také nástroje rozšířené reality, kdy je možné pomocí speciálního zařízení sledovat stav a umístění podzemních potrubí přímo „pod sebou“. Data o instalovaném majetku, která jsou postupně shromažďována, je možné využívat ve všech fázích životního cyklu – jak po dobu výstavby, tak následně během produkce a údržby.

5G

Ordnance Survey (UK) využívá digitální dvojče pro simulaci nasazení 5G sítě, což se ukázalo jako nejjednodušší a finančně nejméně náročné řešení. Bylo vytvořeno například digitální dvojče města Bournemouth, které pro 3D pohled na město využívá více než 30 datových sad. Do modelu byl integrován i rádiový model 5GIC a data o počasí (Met Office). Výsledkem je „živé“ digitální prostředí, které umožňuje organizacím porozumět a čelit výzvám 5G sítě přímo od stolu. Model bude fungovat i jako příprava na nové technologie (jako jsou například autonomní vozidla) a obsahuje i mnoho dalších prvků využívaných např. pro územní plánování.

Smart city

Digitální dvojče je v podstatě další úrovní známého konceptu chytrého města, který využívá aktuální data z nejrůznějších senzorů internetu věcí. Územní plánování dnes vyžaduje přesné informace a také modelování dopadů různých variant zástavby, nové infrastruktury apod. Příkladem takového města, kde je již tvorba digitálního dvojčete v plném proudu, je „Virtual Singapore“ – projekt 3D modelu města a související datové platformy. Po dokončení bude sloužit veřejnosti, výzkumnému sektoru i komerčním organizacím, které budou moci nad základními daty budovat nejrůznější sofistikované nástroje a aplikace pro testování konceptů a služeb, územní plánování či výzkum nových technologií.

Závěr

Myšlenka digitálního dvojčete již tedy dávno není pouze teorií a mnoho organizací již využívá výhody, které jim tento koncept přináší. Jedná se především o aktuální pohled na situaci, možnost digitální simulace a optimalizace procesů vedoucí k finančním úsporám i o možnost predikce budoucího stavu. Digitální dvojče s využitím stále aktualizovaných dat, geoprostorových analýz, strojového učení a umělé inteligence dokáže odpovídat na otázky typu „co by se mohlo stát“, „co by se mělo stát“ a „co se stane“. Daleko přitom není ani doba, kdy toto dvojče bude pracovat autonomně, zvažovat rizika, přijímat opatření a pomáhat řídit své dvojče skutečné. Moderní geografický informační systém je toho se svou geoprostorovou složkou samozřejmě nedílnou součástí.

Petr Urban Petr Urban
Autor článku má více než 15leté zkušenosti s implementací GIS v řadě odvětví, zejména v oblastech státní správy a utilit. Pracuje na pozici vedoucího obchodního oddělení ve společnosti ARCDATA PRAHA.

Kalendář akcí
Konference - Semináře - Školení
Časopis IT Systems/Speciál
Aktuální číslo časopisu IT Systems Aktuální číslo časopisu příloha #1
Archív časopisu IT Systems
IT Systems 7-8 IT Systems 6 IT Systems 5 IT Systems 4
Archív časopisu IT Systems Special
Aktuální číslo časopisu příloha #1 Aktuální číslo časopisu příloha #1 Aktuální číslo časopisu příloha #1 Aktuální číslo časopisu příloha #1