Хельги Лаб: цифровые двойники для «Умных городов»

Цифровые двойники — следующий шаг в цифровизации городов. Как трёхмерная визуализация городского пространства открывает новые возможности для муниципалитетов и делает жизнь горожан лучше.

В этой статье серебряный партнёр #ГИСОГД2024 — ООО «Хельги Лаб» расскажет о том как создаётся цифровой двойник города и какую роль в процессе играет ГИСОГД, что умеют и для чего нужны цифровые двойники, а также кому они приносят пользу.

Для цифровизации города необходимо провести наземную съёмку мобильными лазерными комплексами и дополнить её фотопанорамной съёмкой, а так же при необходимости данными с БПЛА. Оцифровав городскую среду мы получаем трёхмерную модель и устанавливаем её на серверах заказчика. Для того чтобы модель стала цифровым двойником необходимо наполнить её данными в виде подключаемых слоёв. Источниками данных выступают как множественные городские системы, так и публичные платформы, например, OpenStreetMap.

Система ГИСОГД выступает краеугольным камнем в наполнении цифрового двойника города, потому что содержит в упорядоченном виде информацию о территориальном зонировании, инфраструктуре, планировании развития и так далее. Особенность нашего решения в том, что мы не копируем информацию на сервера цифрового двойника, а настраиваем интеграцию с уже существующими городскими системами. Благодаря этому, все изменения, производимые в ГИСОГД сразу же отображаются в цифровом двойнике и пользователи могут продолжать работать в привычном инструменте без необходимости переучиваться и дублировать данные. Причём система настроена «в обе стороны», так что изменения внутри двойника будут видны и в ГИСОГД.

Помимо интеграции существующих данных и городских систем мы также извлекаем информацию из собственной фотопанорамной съёмки, распознавая с помощью искусственного интеллекта знаки и светофоры, столбы освещения, вывески, деревья, малые архитектурные формы, люки и многие другие объекты. Таким образом можно полноценно решать задачи инвентаризации городского хозяйства, а также проводить анализ и сравнение фактически наблюдаемого городского пространства с документарным.

По определению «цифровой двойник» — это точная цифровая копия реально существующего объекта, на которой отображаются все изменения происходящие с этим объектом в реальной жизни. Используется для динамического моделирования процессов, планирования будущих изменений и принятия информированных управленческих решений.

В цифровом двойнике города точность модели достигается за счёт геодезической привязки лазерной и фотопанорамной съёмки. Каждая точка в модели имеет свои точные координаты и это позволяет, во-первых, создать корректную геометрию модели, а во-вторых, проводить линейные измерения объектов с точностью до сантиметров. На практике это означает, например, что специалисты надзорных ведомств могут измерить площадь остекления дома, размеры рекламной вывески, границы участка и прочие линейные параметры, обнаруживая нарушения на этапе камеральной работы даже не выходя из офиса.

Другая неотъемлемая часть цифрового двойника — это его гибкость и универсальность. Мы уже упомянули возможность интегрировать существующие городские системы, но подключить можно также отдельные датчики и внешние источники данных. К примеру, данные с сотовых вышек о количестве подключенных в данный момент абонентов помогают выявлять перегруженные элементы системы и проводить исследования суточной маятниковой миграции граждан. Датчики загрязнённости воздуха в реальном времени выявляют влияние пробок и промышленности на экологию. Подключенные камеры наружного наблюдения показывают прямую трансляцию происходящего в городе с простой и понятной привязкой к конкретному месту. Есть только один ключевой параметр у подключаемых источников данных — геодезическая привязка. Если у датчика, векторного слоя, трёхмерного объекта есть чёткие координаты, значит информацию с него мы сможем отобразить и взаимодействовать с ней на цифровом двойнике.

Мы уже упомянули об использовании искусственного интеллекта при создании цифрового двойника, но на этом его применение не заканчивается. По своей природе ИИ лучшего всего подходит для обработки и анализа больших данных, снимая рутинную работу со специалистов, что проще всего продемонстрировать двумя недавними примерами из нашего опыта внедрения цифровых двойников.

В одном случае была проведена фотопанорамная съёмка пригородных территорий с обширным частным сектором, после чего машинным зрением были выявлены и классифицированы с привязкой к конкретным координатам вывески и другие признаки коммерческой деятельности. Затем полученный слой данных мы сопоставили с официальным территориальным зонированием и таким образом надзорный орган получил список всех участков, где коммерческая деятельность велась без соответствующих разрешений.

В другом случае была поставлена задача провести инвентаризацию всех деревьев, вывесок и знаков в городе миллионнике. Даже при камеральной работе у специалистов на подобную задачу уйдут годы человеко-часов, а при традиционном выезде на объект и ручном измерении объём работ возрастает настолько, что возможная выгодна не стоит затрат. Адаптировав же алгоритмы искусственного интеллекта, нам удалось провести большую часть работы по распознаванию автоматически. Одних только деревьев оказалось около 600 000. Затем нашим специалисты тщательно проверяют результат работы ИИ на ошибки и готовят материал к передаче заказчику.

Интерактивная природа трёхмерного цифрового двойника позволяет моделировать будущее состояние города и учитывать как эти изменения скажутся на окружающем пространстве. Рассматривая различные сценарии развития, архитекторы, градостроители и руководители, получают ценные сведения о потенциальных результатах предлагаемых изменений. Благодаря удобной визуализации данных, цифровой двойник позволяет заинтересованным сторонам согласовывать городской ландшафт с застройкой в приближенном к реальности виртуальном пространстве и не попасть в известную поговорку «Гладко было на бумаге, да забыли про овраги».

Но кто же эти заинтересованные стороны? Мы уже вкратце упомянули управления строительства и архитектура, управления имущественных и земельных отношений, аппарат мэра города, специалистов и руководителей муниципалитетов и надзорных ведомств. Но помимо них эффект от внедрения цифрового двойника могут получить как бизнес-структуры, так и горожане. Остановимся подробнее на всех этих группах.

Как уже говорилось, одним из главных преимуществ цифровых двойников является их способность помогать в городском планировании и принятии решений. Имея доступ к точным данным и визуализированному представлению города, чиновники из комитетов градостроительства и архитектуры могут правильно оценить текущие условия и предсказать будущие тенденции. Возможность встроить в модель текущей городской застройки новые проекты позволяет ещё на этапе планирования учесть нагрузку на инженерную инфраструктуру, социальные службы и проанализировать экологические риски проекта. Таким образом муниципалитет разрабатывает эффективные стратегии управления развития городом, которые учитываются при создании мастер плана на много лет вперёд. Именно интерактивное и простое в использовании подспорье по созданию мастер плана развития городов и территорий делает комитеты по градостроительству и архитектуре локомотивами по созданию и использованию цифровых двойников в своих городах.

Благодаря интеграции множества источников данных в единую платформу, цифровые двойники позволяют специалистам, ответственным за обслуживание дорог, мостов, инженерных сетей и других критически важных систем, отслеживать их работу в практически режиме реального времени. Это помогает обнаруживать аномалии на ранних стадиях и способствует своевременному ремонту, тем самым снижая затраты на обслуживание и сводя к минимуму перебои в работе. В Москве, например, решения о ремонте мостов и других важных транспортных артерий принимаются исходя из моделирования в цифровом двойнике как полное или частичное перекрытие дороги повлияет на город. Поскольку платформы цифровых двойников часто включают в себя исторические записи и в них могут быть встроены прямые трансляции с датчиков, установленных по всему городу, специалисты получают ценные сведения о закономерностях, складывающихся с течением времени, что позволяет им предвидеть потребности, а не реагировать на возникающие проблемы по мере их возникновения.

Цифровые двойники открывают обширные возможности для предприятий, которые хотят инвестировать или расширять существующее присутствие в «умных городах». Городская администрация может предоставить бизнесу богатые массивы данных, содержащиеся в этих виртуальных моделях, облегчая стратегическое планирование на основе точных демографических профилей и территориального зонирования, благодаря чему инвесторы могут точно спрогнозировать потенциальный спрос и рентабельность проектов. Более того, на основе цифрового двойника возможно организовать предоставление услуг бизнесу в режиме «одного окна», что значительное увеличивает инвестиционную привлекательность города, снижая бюрократические издержки.

Наиболее наглядный пример выгодоприобретателей от бизнеса — это застройщики. Девелоперы используют цифровые двойники в качестве убедительных наглядных материалов во время презентаций для муниципальных органов, которым поручено выдавать разрешения на строительство, но на этом их польза не заканчивается. Даже после получения одобрения от муниципалитета, застройщик может использовать цифровой двойник для создания рекламных материалов и привлечения будущих жильцов. Например, можно демонстрировать вид из окна будущих квартир и дать возможность «ходить» по виртуальной версии ещё только строящегося дома.

Но, в конечном итоге, главным выгодоприобретателем введения практики использования цифрового двойника города становятся его жители. Информированные решения мэра города, гармоничная архитектурная застройка, появления новых предприятий там, где в них нуждаются, своевременный ремонт инфраструктуры и вывоз мусора — всё это идёт на пользу простым гражданам. Также жители могут и напрямую взаимодействовать с цифровым двойником, когда муниципалитет выставляет на голосования проекты благоустройства или создаёт интерактивную карту туристических маршрутов с подключением фотопанорам и 3D-моделей.

Это далеко не все возможности и преимущества использования цифровых двойников городов. По каждому пункту можно рассказать подробнее, упомянуть больше примеров и успешных практик. О некоторых из них мы расскажем в нашей следующей статье о практике применения трёхмерного цифрового двойника города Южно-Сахалинске. И, конечно же, мы с радостью будем открыты к общению и обсуждению всех поднятых вопросов лично на конференции #ГИСОГД2024.

В заключение хочется поблагодарить организаторов и участников конференции #ГИСОГД2024 за продвижение этой технологии в России. Без неё наши города были бы куда менее «умными», а внедрение цифровых двойников не имело такого прекрасного подспорья.

Спасибо за внимание, до встречи на конференции #ГИСОГД2024!