Опубликованное в марте исследование Guidehouse Insights показывает перспективность цифровых двойников городов (ЦДГ): по их прогнозам, к 2031 году глобальный доход от применения этой концепции в мире составит до $2,5 млрд при среднем росте 25% в год. Но основным препятствием для внедрения ЦДГ, по данным аналитиков, является отсутствие необходимых знаний о них и их функциональности у городов, а также нехватка оцифрованных и доступных данных.

В разных странах, включая Россию, тем временем запускаются амбициозные проекты городских цифровых двойников. Такие разработки сейчас развиваются, например, в Сингапуре, Австралии, Новой Зеландии. В России сейчас идет разработка цифрового двойника Москвы, а в начале 2022 года был анонсирован масштабный план создания 3D-карты всей страны — такая модель может лечь в основу и других цифровых двойников.

ICT.Moscow изучил опыт разработки и внедрения ЦДГ за рубежом и в России, поговорил с профильными экспертами и разработчиками. Это позволило понять, что представляют собой городские цифровые двойники на сегодняшний день, какие и чьи задачи они решают, а какие — будут решать в будущем, смогут ли лечь в основу метавселенных, которые в перспективе станут одним из заметных технотрендов.

Чем сложны цифровые двойники городов

Цифровой двойник города — это виртуальная копия городского пространства и его систем, точная модель, которая объединяет массивы данных о городе и отражает их изменения в реальном времени, а также позволяет управлять городом в физическом мире, прогнозировать события.

Как отмечается в документе Совета по умным городам Австралии и Новой Зеландии, передача в режиме реального времени данных из физического мира в цифровую модель — одно из пяти минимальных требований для ЦДГ. При этом встречаются мнения, что наличие только такой связи — это признак цифровой тени (Digital Shadow), а для полноценного двойника необходима также обратная связь, то есть возможность управлять элементами реального города, воздействуя на его цифровую копию. Соответственно, целью развития цифрового двойника города эксперты называют достижение полной зеркальности. Согласно исследованию Университета Сеула 2021 года, пока такой подход не был реализован нигде в мире.

Авторы того же исследования называли одним из основных преимуществ цифрового двойника города «соединение информации о прошлом и настоящем со сценариями будущего». «Возможность интегрировать несколько моделей данных, относящихся к разному времени и разным местам, и представлять информацию в единой 3D-модели обогащает исследование, понимание и прогнозирование текущих и будущих тенденций городской деятельности», — отмечалось в документе.

Что касается основных сценариев использования ЦДГ, то ключевых называют три: помощь властям в принятии более обоснованных решений, в том числе совместно с жителями; выявление системных рисков в городском хозяйстве; обеспечение более эффективной работы элементов городской инфраструктуры, включая транспорт, энергетику, жилищный фонд. Такой перечень приводила руководитель направления «умный город» британской компании в области инженерного проектирования Arup Леан Дуди (Léan Doody). В обзоре потенциала цифровых двойников городов из Сеульского университета этот перечень более подробный и включает визуализацию, управление данными, понимание ситуации (situational awareness — мониторинг, отслеживание, распознавание лиц и пр.), интеграцию и сотрудничество, планирование и предвидение.

Функции цифрового двойника города будущего. Источник: City Digital Twin Potentials: A Review and Research Agenda, Сеул

Широкий спектр применений цифрового двойника города обусловлен его многосоставностью. Он должен объединить в себе большое количество источников данных и систем, функционирующих в городе, а его создание, как правило, включает различные этапы. Поэтому, как отмечала группа экспертов из Хельсинки, создание цифрового двойника города может начинаться с двойников отдельных кварталов или районов, которые впоследствии связываются между собой.

Например, в Великобритании действует программа по разработке национального цифрового двойника. ЦДГ в ней описывается не как одна гигантская модель, а как экосистема цифровых двойников с безопасным обменом данными между ними. Пример такого элемента, который можно было бы интегрировать в более широкую сеть, — цифровой двойник умной энергосистемы шотландского острова Оркни, в котором для передачи всех нужных данных была развернута 5G-сеть.

Межправительственный Совет по пространственной информации Австралии и Новой Зеландии приводил шесть этапов развития полноценного цифрового двойника города. Первые два — это сбор пространственных данных и их 3D-визуализация. Далее в эту базовую модель интегрируются различные дополнительные данные — например, цифровые модели инженерных систем и оборудования, поступающая в режиме реального времени информация с устройств интернета вещей (IoT). Наконец, последние два этапа предполагают управление физическими процессами в городе через цифрового двойника и затем автономное функционирование городских систем посредством искусственного интеллекта (ИИ). Уточняется, что эти этапы не обязательно должны быть линейными.

Этапы развития цифрового двойника города. Источник: Principles for Spatially Enabled Digital Twins of the Built and Natural Environment in Australia

Слои данных и уровни доступа

Функциональность цифрового двойника достигается за счет интеграции большого числа ранее разрозненных датасетов и динамических данных. Как минимум это сочетание пространственных, исторических данных, а также данных, собираемых в реальном времени. Минимальный набор датасетов, по мнению ЕС, должен включать в себя геометрические и графические данные; пространственные данные, атрибуты городских активов (Assets) — природные, физические, социальные, экономические; данные управления, а также данные о производительности и использовании активов в режиме реального времени. «Сколково», чьи резиденты также в числе прочего занимаются проектами в области цифровых двойников, выделяет минимум 12 слоев, составляющих ЦДГ:

Слои цифрового двойника города. Источник: Технопарк «Сколково»

Цифровой двойник Москвы, отмеченный международной премией International Society of City and Regional Planners (ISOCARP), содержит более 5 тыс. слоев из большого количества источников, включая картографическую основу; фотограмметрическую модель; 3D-панораму; растровые данные (ортофото с самолета, спутника); модели отдельных зданий и сооружений, дорожной инфраструктуры, малых архитектурных форм; векторную 3D-модель (CityGML); данные об инженерных сетях.

Чем больше в ЦДГ используется данных, тем лучше, но для этого город должен привлекать внешних партнеров. Программа Совета по умным городам, представленная в Digital Twin Hub Австралии и Новой Зеландии, указывает на необходимость формирования экосистемы или сообщества заинтересованных сторон для эффективного развития и использования цифровых двойников городов, формирования спроса и предложения в этой области.

Экосистема пользователей цифровых двойников в версии Совета по умным городам Австралии и Новой Зеландии. Источник: Digital Twin Hub

Наличие разных слоев предполагает возможность различных уровней доступа участникам проекта в зависимости от задач, которые они решают. Такие подходы действительно уже реализуются в тех проектах, которые развиваются в городах сегодня. Есть два основных подхода к вопросу открытости цифровых двойников. Первый — создание полностью открытых двойников на основе публичных данных. Второй — формирование двойника с ограниченным доступом для определенного круга пользователей на основе преимущественно государственных или городских данных. Об этом в интервью ICT.Moscow рассказал исследователь Глеб Папышев, аспирант Гонконгского университета науки и технологии, автор научной статьи Exploring city digital twins as policy tools, опубликованной в 2021 году издательством Кембриджского университета. Примером первого подхода может служить австралийский опыт.

Отличительной чертой кейса Австралии является то, что в цифровом двойнике используются открытые данные, которые и так находятся в публичном доступе. В Новом Южном Уэльсе уже есть выложенный в открытый доступ двойник, замоделированы несколько районов. Авторы используют эту модель как способ соединить все доступные данные. Причем, насколько я знаю, это исключительно государственные данные.

Глеб Папышев

аспирант Гонконгского университета науки и технологии

Другим примером открытости можно считать кейс района ирландского Дублина Smart Docklands, но в нем под открытой лицензией Creative Commons доступна только часть цифрового двойника.

Наиболее показательным примером второго — закрытого — подхода выступает Сингапур. Изначально планировались три уровня доступа, рассказал Глеб Папышев: для государственных служб с доступом ко всем необходимым для их повседневной деятельности данным; для бизнеса, который мог бы экспериментировать с этой моделью; для жителей, которые, например, с помощью 3D-модели могли бы строить маршруты по городу, подходящие для маломобильных групп граждан. Однако позже городские власти ограничили к нему доступ из опасения террористических атак вплоть до того, что компьютеры, за которыми можно с ним работать, не имеют подключения к интернету.

У Москвы также существует цифровой двойник, который используется для управления городом и принятия решений по вопросам развития городской среды. Как рассказал ICT.Moscow руководитель этого проекта Александр Вздыхалкин из ДИТ Москвы, основной массив данных в цифровом двойнике — данные органов исполнительной власти и подведомственных организаций, но также используются и данные коммерческих организаций, например, «2ГИС». Пользователями цифрового двойника Москвы сегодня являются сотрудники столичных ведомств, работающие с разным его функционалом, но в перспективе часть ЦДГ будет открыта и жителям.

Сотрудникам органов исполнительной власти назначаются права с доступом к различным уровням цифрового двойника. Для каждой категории пользователей существует своя группа прав доступа со своим набором слоев и функциональностью, позволяющей решать прикладные задачи.

В наших планах — публикация 3D-модели города на сайте мэра Москвы. Это один из ключевых элементов цифрового двойника, который будет доступен всем жителям.

Александр Вздыхалкин

руководитель проектов Управления по сопровождению проектов развития цифровых технологий в сфере градостроительства ДИТ Москвы

Как собирать и стандартизировать данные

В основе цифрового двойника города по умолчанию лежат пространственные данные: информация о рельефе местности, точном расположении и форме строений, природных объектов. Фактически, это и есть 3D-карты местности.

Цифровой двойник Цюриха. Источник: Wingtra

Создание цифрового двойника Сингапура тоже начиналось с пространственных данных, которые собирались в два этапа. На первом проводилась аэрофотосъемка и сканирование лидарами с воздуха, а на втором — со специально оборудованного автотранспорта для большей детализации на уровне улиц. А московская компания HelgiLab объединяет процесс сканирования с распознаванием объектов — например, дорожных знаков: такие данные могут дополнительно использоваться в ЦДГ. Впрочем, речь может идти и не только о транспортной инфраструктуре, но также и об инженерной, как это реализовано в проекте Digital Underground в Сингапуре. Там с помощью специального радара были просканированы подземные городские коммуникации и стали частью городского цифрового двойника.

Еще одним источником данных о городе может быть краудсорсинг. Например, автоматически снимать дорогу во время движения на автомобиле пользователям предлагали, например, американский стартап Mapper и Яндекс. Для тех же задач может использоваться и обычный смартфон, но, как показывает опыт компании RoadAR, для этого понадобится создавать сложное ПО с применением компьютерного зрения.

Глеб Папышев из Гонконгского университета науки и технологии в разговоре с ICT.Moscow согласился, что беспилотные автомобили тоже могут служить источником геоданных для цифрового двойника города. По его словам, можно себе представить ситуацию, когда оператор автономного транспорта помимо собственно перевозок занимается реализацией собираемых пространственных данных. «Не удивлюсь, если подобное уже происходит и уже есть компании, которые таким образом делятся данными», — заметил он.

Пример работ лидара беспилотника. Источник: Яндекс

Чтобы не оставаться статичной цифровой моделью, двойник города должен автоматически наполняться динамическими данными. Согласно руководству 2020 года Совета по умным городам Австралии и Новой Зеландии, обновление в реальном времени — общепринятое обязательное требование для цифрового двойника.

У таких данных могут быть разные источники. Базовый сценарий — использование всевозможных датчиков и IoT-устройств. Примером может служить индийский город Амаравати, для цифрового двойника которого задействованы сотни IoT-систем. Нередко городские администрации приобретают у телеком-операторов обезличенные данные о перемещении абонентов по городу, также ЦДГ может пополняться за счет систем городской видеоаналитики.

Важно, что для объединения данных в единую модель их нужно стандартизировать. Большие сложности возникают, даже когда данные поступают из государственных организаций, если при этом у государства нет четко выстроенной политики по Data Governance (управлению данными), по тому, как их хранить с прицелом на объединение. Для того, чтобы на основе этих данных была выстроена какая-либо модель, нужно разрабатывать подобные фреймворки.

Глеб Папышев

аспирант Гонконгского университета науки и технологии

Например, в Великобритании в рамках программы National Digital Twin разрабатывается единый фреймворк управления информацией, который обеспечит интеграцию данных и цифровых моделей на национальном уровне. Ирландская консалтинговая компания Accenture также призывает с самого начала формировать цифровые двойники с прицелом на их дальнейшее соединение в рамках экосистемы. Для этого эксперты считают крайне важным использование API, что должно позволить интегрировать данные из внешних источников.

Александр Вздыхалкин из ДИТ Москвы пояснил ICT.Moscow, что «проблема интеграции нестандартизированных данных стоит довольно остро».

Гораздо правильнее не подстраиваться под данные, а руководствоваться стандартами. Только так возможно создать среду, в которой обмен информацией будет проходить беспрепятственно, без искажения данных.

Бывают исключения, но они связаны с разработкой уникальных решений для повышения функциональности цифрового двойника, для которых стандартов еще не написано. В таких случаях особое внимание уделяется документированию решения с подробным описанием требований к данным.

Александр Вздыхалкин

руководитель проектов Управления по сопровождению проектов развития цифровых технологий в сфере градостроительства ДИТ Москвы

Кому и зачем нужны ЦДГ

Как у любого городского проекта, цель создания ЦДГ — улучшение качества жизни горожан, пусть и опосредованно — например, через оптимизацию различных процессов. В британской программе Gemini Principles обозначены такие цели для цифровых двойников: общественное благо, создание ценности и повышение производительности, обеспечение точными инсайтами.

Однако, в отличие от многих других городских сервисов, цифровой двойник создается не для какой-то одной структуры, а в качестве универсального инструмента. Например, власти Сингапура до принятия решения о закрытом формате своего цифрового двойника говорили о четырех группах пользователей: представителях правительства, гражданах, бизнесе и научном сообществе. Совет по умным городам Австралии и Новой Зеландии называет по меньшей мере 14 групп пользователей цифровых двойников, с упором на функциональное направление их работы или задач:

• социальные работники,
• цифровые инженеры (проектируют здания, дорожную инфраструктуру и т.д.);

• лица, заинтересованные в контроле функционирования инфраструктуры или бизнеса с помощью цифровых двойников;

• операторы (предоставляют услуги);

• ландшафтные дизайнеры;

• планировщики транспорта/мобильности (ответственные за равную доступность для всех жителей);

• избранные должностные лица;

• климатологи (разрабатывают стратегии снижения выбросов парниковых газов);

• нормотворческие органы (предлагают регулирование для возможных и маловероятных сценариев);

• юристы;
• специалисты по планированию аварийно-спасательных служб, которые предупреждают и смягчают последствия чрезвычайных ситуаций;

• жители (знакомятся и оценивают планируемые изменения, которые могут коснуться района их проживания или всего города);

• туристы (оптимизируют свои путешествия с помощью цифровых инструментов);

• представители малого бизнеса (используют цифровые инструменты для разработки эффективных и устойчивых сервисов).

Среди сфер, где ЦДГ могут быть наиболее востребованы: транспорт, строительство и проектирование, ЖКХ (управление городскими коммуникациями и ресурсами). Например, в США цифровые двойники городов планируется использовать для помощи телеком-операторам в развертывании 5G-сетей и новых IoT-сервисов. В перспективе цифровой двойник может стать основой для управления инфраструктурой города с помощью искусственного интеллекта. Но перед этим предстоит еще решить ряд проблем.

Саморегулирующиеся города без участия человека представить возможно, но на данный момент мы все-таки очень далеки от этого. И в первую очередь — из-за регуляторных проблем в этой области. Во-вторых, технологии еще не доказали достаточную эффективность, чтобы мы могли говорить о полной автоматизации и исключении человека из цикла принятия решений.

Глеб Папышев

аспирант Гонконгского университета науки и технологии

Шаг городов в метавселенные

Профильное американское издание LIDAR Mag включило в список 10 геопространственных трендов 2022 года развитие цифровых двойников и метавселенных на основе информационных моделей зданий и геоинформационных систем. Эксперты констатируют, что в 2021 году цифровые двойники привлекли большое внимание, благодаря чему индустрия геопространственных решений лучше осознала свою ценность для общества, а также многие, наконец, поняли разницу между цифровым двойником и 3D-моделью. В свою очередь в американской ИТ-компании LeewayHertz отмечают, что цифровые двойники могут привнести в метавселенные новый уровень реалистичности, а также связать реальный и виртуальный мир, что особенно актуально для бизнеса.

Пока единственным городом, заявившем о намерении обеспечить свое присутствие в метавселенных, является Сеул, который собирается вложить в свой проект $3,3 млн. В целом это не выглядит странным, учитывая объявленную в Республике Корея общеправительственную стратегию развития концепции метавселенной. В середине 2021 года государство создало альянс для развития экосистемы метавселенной и связанных с ней технологий. Туда вошли 17 компаний, включая оператора SK Telecom Co, автопроизводителя Hyundai Motor Co. и др.

Подробнее о возможных сценариях использования цифровых двойников городов внутри метавселенных рассказал Глеб Папышев. По его мнению, это поможет в прогнозировании ситуаций, вероятность которых крайне мала и по которым нет исторических данных, с помощью помещения волонтеров в смоделированные обстоятельства (например, ЧП) и наблюдения за их поведением в виртуальном пространстве.

Можно представить себе, как метавселенные, основанные на цифровых двойниках, используются для создания набора данных о каких-то вещах, которые либо маловероятны, либо данные о которых собрать в реальном мире крайне сложно. Это открывает достаточно большой простор для экспериментов именно с точки зрения поведения человека внутри очень реалистичной модели. 

Глеб Папышев

аспирант Гонконгского университета науки и технологии

Папышев также считает возможным сценарий, когда город монетизирует своего цифрового двойника, передавая его 3D-модель бизнесу для использования в метавселенной. «В этой идее я не вижу никаких противоречий между интересами государства или города и интересами бизнеса, здесь можно найти определенную синергию».