Digital Age: Животът на цифровите двойници - от персонализирана медицина до градско планиране по конец 

Преди повече от 50 години, като част от мисията „Аполо 13“, НАСА използва висококачествени симулатори, управлявани от мрежа от цифрови компютри, за да обучава астронавти и ръководители на мисията. Тези симулатори са особено важни за тестването на сценариите за потенциален провал и за усъвършенстването на инструкциите, които определят успеха в критични ситуации на мисията. В рамките на мисията експлозия по време на полет повреди критично главния двигател на космическия кораб и контрольорите на мисията използват данни от космическия кораб, за да модифицират симулаторите си, така че да отразят състоянието на съответния физически аналог. В крайна сметка симулациите бяха използвани като инструмент за вземане на решения, които безопасно върнаха астронавтите у дома. 

Терминът „цифров двойник“, срещан още и като "дигитален двойник", "дигитален близнак" се появява едва повече от 40 години по-късно, но симулаторите от мисията „Аполо“ вече са забележителни примери за концепцията, стояща зад този термин. На практика тези симулатори представляват набор от виртуални активи, които трябва да имитират структурата и поведението на съответния физически актив (в този случай космическия кораб), и най-важното - да получават обратна връзка от данни от физическия актив, за да информират екипа за критичните решения, които той взима. Заслужава да се отбележи, че тези симулатори са нещо повече от „традиционни моделни симулации“: те са предназначени да получават и обработват данни в реално време, за да помагат на ръководителите на мисиите да реагират на ситуации с висок риск и да вземат решения в реално време, които на свой ред биха оказали пряко влияние върху физическия актив. Гореспоменатите събития от „Аполо 13“ например се случват само в рамките на няколко дни. 

Оттогава насам технологиите, свързани с цифровите двойници, претърпяха значително развитие. Станахме свидетели на все по-голямо количество данни, които се генерират и предоставят, включително в реално време. Внедрихме усъвършенствани възможности за моделиране и наблюдаваме рязкото нарастване на методологиите, основани на данни, включително машинното обучение, което ни позволи да се възползваме от потока от данни. Докато по време на мисията „Аполо 13“ НАСА използва най-съвременни към онзи момент телекомуникационни технологии, сега имаме достъп до усъвършенствани мрежи за Интернет на нещата, които могат значително да ускорят движението на данни.  

Друго важно развитие е свързано с приложенията на технологията. Инженерните и индустриалните области вероятно използват цифрови близнаци от по-дълго време, например за разработване, тестване и поддръжка на самолети и космически кораби в аерокосмическото инженерство и за оптимизиране на управлението на жизнения цикъл на продуктите в производствените системи (концепцията за цифров близнак в този контекст е въведена за първи път от специалиста по управление на проекти Майкъл Грийвс). Напоследък обаче много други отделни области на науката осъзнаха потенциала на цифровите близнаци - от биомедицинските науки до науките за климата и социалните науки. Така например цифровите близнаци биха могли да позволят подобряване на прецизната медицина, по-точни прогнози за времето и климата и по-информирано градско планиране. 

Цифров близнак на Земята симулира възможни природни бедствия 

Нашата планета не би могла да оцелее без вода - вещество, което съставлява 71% от цялата повърхност на света, а океаните заемат около 97% от тази цифра. При все това процесът може да стане доста сложен, когато към него се прибавят непрекъснато променящият се климат, предизвикан от човешката дейност, като например изгарянето на въглища, както и други ежедневни въздействия, за които допринасяме като общество. 

Но за да могат учените да направят възможно най-точните прогнози и да разберат по-добре как работи този цикъл, трябва да получим и прегледаме модели, съдържащи възможно най-много данни с висока резолюция. В идеалния случай тези данни трябва да обхващат всеки сантиметър от планетата - от най-високите планински върхове до водата, заровена дълбоко в земята. Благодарение на данни, предоставени от Европейската космическа агенция, учените създават точно това: дигитален близнак на Земята и всичките ѝ водни активи. 

Учените полагат много труд, за да използват възможно най-много спътникови данни, събрани чрез множество наблюдения на Земята. След това те комбинират измервания на почвената влажност, валежите, дълбочината на снега, изпарението и речния отток, направени през определени интервали от време, за да създадат ясна картина на динамиката на променливите величини по цялата планета. След това данните от модела с висока разделителна способност могат да се използват като интерактивен инструмент за учените. 

Чрез този модел учените могат да въвеждат постоянно нови данни, за да симулират най-добрите и най-лошите сценарии за природни бедствия в различни среди на нашата планета. Например чрез възпроизвеждане на свлачище свързаните с него рискове и условия могат да бъдат наблюдавани така, сякаш то се случва в реално време. Това би могло допълнително да подпомогне подготовката за потенциално разрушителни събития в бъдеще въз основа на наученото при всеки тест.  

Персонална медицина 

В медицината едно от приложенията на технологията е за лечение на пациенти с аритмия. Учени от университета "Джонс Хопкинс" създадоха персонален дигитален близнак, представляваш геометрията на сърцето на пациента. Дигиталният близнак включва структурата на сърцето, болестното преструктуриране, като например увреждания, фиброза и възпаления, установени чрез сканиране с ядрено-магнитен резонанс, както и разпространението на електрическите вълни. Когато електрическата вълна се разпространи в сърцето, тя предизвиква съкращение. Ако обаче пациентът има белези или други увреждания, вълната ще се задържи в тази област и вместо да се разпространи в сърцето, ще рециркулира и ще предизвика аритмия. За да се лекува аритмията, дигиталният близнак трябва точно да представи увреждането, както и електрическата активност на всяка клетка в сърцето. 

С помощта на цифровия близнак екипът може да изпрати сигнал и да наблюдава как електрическата вълна се разпространява през модела. Ако нещо е необичайно, то вероятно ще се прояви като аритмия в дигиталния близнак. По този начин екипът може да предвиди дали пациентът ще има аритмия. 

Следващата стъпка е нейното лечение. Често срещан начин за лечение на това заболяване е катетърната аблация, при която се използва радиочестотна енергия за унищожаване на неправилна сърдечна тъкан, която може да причини аритмия. Този подход обаче има нисък процент на успеваемост при пациенти с аритмия в горните камери, особено при тези, които са имали аритмия в продължение на много години, поради увреждане на тъканите и белези. Определянето на най-добрия начин за лечение на тяхното заболяване изисква персонализиран, прогностичен подход, в който влизат дигиталните близнаци. Дигиталният близнак помага на лекарите да определят къде трябва да се унищожи тъканта. 

Оптимизация на производствената дейност 

Виртуалните копия могат да се използват за отразяване на физически производствен процес или завод. Това динамично и променящо се представяне позволява на производителите да разполагат с виртуална версия на своя завод. Това може да бъде мощен инструмент за оптимизиране на производителността, прогнозиране на нуждите от поддръжка и насърчаване на иновациите. Като създават цифров аналог на своите физически активи, производителите могат да идентифицират изводи, които водят до по-интелигентни решения и подобряват цялостната ефективност. 

Прилагайки технологията на цифровия близнак, производителите могат да постигнат ефективност и производителност, като издигнат операциите си на нови висоти. Цифровите близнаци рационализират процесите, като позволяват по-безопасни и бързи ремонти, по-ефективно обучение и ускорен темп на работа. Те служат като мощен инструмент за вземане на решения. Производствените цифрови близнаци предлагат подробни прозрения и прогнози, базирани на данни, които са безценни при стратегическото планиране. Нещо повече, цифровият модел предоставя набор от данни и анализи, той е катализатор за вътрешни подобрения. 

Той може да действа и като убедителен довод за инвеститорите и заинтересованите страни. Тази инвестиция в цифровата трансформация демонстрира ангажимента на компанията към технологичния напредък и оперативното съвършенство. С напредването на времето става ясно, че цифровите реплики са технологично подобрение и необходимост за производителите днес. 

Към още по-умни градове 

Тъй като градовете по света се характеризират с изключителен растеж и все по-сложни градски предизвикателства, общинските власти са подложени на все по-голям натиск за по-ефективно разпределение на ресурсите и ефикасно управление на града. Това важи с особена сила за региони като Азия, където градовете се разширяват, преустройват и стават свидетели на нови мегапроекти. 

В контекста на интелигентния град цифровият близнак непрекъснато събира информация от застроената среда чрез технологии като сензори, безпилотни самолети и мобилни устройства, за да представя актуална картина в реално време. Един градски цифров близнак ще получава данни от източници, включително превозни средства, сгради, инфраструктура и физически лица. Това се допълва от данни, уловени от интелигентни градски устройства и Интернет на нещата и се усилва от използването на изкуствен интелект и усъвършенстван анализ. 

Тези технологии дават възможност статични, исторически данни и данни в реално време да се обработват и синтезират почти веднага, за да се получи ценна информация за функционирането на града. По този начин дигиталният близнак може да се разглежда като „ускорител на стратегията“, който позволява на организациите от публичния сектор да идентифицират по-ефективно прозренията и връзките и да привеждат в действие по-добри решения с по-голяма увереност. Редица градове, сред които Сингапур, Сидни и Амаравати, ("зелен" проект в Индия), вече използват цифрови близнаци, за да дадат възможност за интелигентно развитие на планиращите урбанизационните процеси в тях. 

Цифровите близнаци могат да оптимизират планирането, експлоатацията, финансите и вземането на решения за намаляване на емисиите в големи, сложни строителни проекти и активи по нови и уникални начини. Потребителите могат да се възползват от значителни икономии на разходи, повишаване на производителността и намаляване на въглеродните емисии в целия град. От гледна точка на управлението на града цифровият близнак на сграда, квартал или дори на цял град може значително да подпомогне градското планиране, както и експлоатацията и поддръжката на физическите активи. 

Например симулирането на рисковете, породени от високи температури или прашни бури в града, може да гарантира, че проектите за застроената среда са по-устойчиви и устойчиви. Освен това идентифицирането и превантивното поддържане на физическите активи или градските мрежи може да сведе до минимум времето за ремонт в резултат на евентуални оперативни проблеми. В Близкия изток се развиват цели градове и се строят нови квартали. В градския генерален план на Дубай за 2040 г. през следващите две десетилетия в града ще бъдат изградени пет нови градски района, като площите за хотели и туризъм ще се увеличат със 134%, а тези за здравеопазване и образование - с 25%. Общо до 2040 г. градът очаква да се увеличи с 2,5 млн. души. Програмата „Визия 2030“ на Саудитска Арабия предвижда изграждането и развитието на големи градове в кралството, вкл. и Неом, който има за цел да бъде най-технологичният град в света и един от най-устойчивите. 

Планирането на този вид бърз растеж е сложно. За разлика от историческите модели на градски растеж, при които улиците се добавят постепенно и градовете се развиват с течение на времето, новите градове трябва да се справят с предизвикателствата веднага. Съоръженията за жителите, като например спирките на обществения транспорт и антените на безжичните мрежи, трябва да работят перфектно. Търговците на дребно искат да са сигурни, че техните обекти ще бъдат на най-добрите места, за да привличат преминаващи клиенти и да получават лесно доставки на стоки.  

Тук технологията на цифровия близнак също може да помогне. Тя може да даде на инвеститорите по-добра информация за оценка на рисковете и възможностите на такива мащабни проекти. Тя може да послужи и като ефективен инструмент за ангажиране, който да улесни дискусиите между различните сектори на обществото, включително широката общественост, частния сектор, гражданското общество и политиците.