Tehnologija digitalnih blizanaca i njena primena u različitim tehničkim disciplinama sa osvrtom na građevinarstvo

Poštovani posetioci TeamCAD sajta,

TeamCAD prijatelj i BIM saradnik Predrag Jovanović učestovao je na "XLVII Simpozijumu o operacionim istraživanjima" u organizaciji Saobraćajnog fakulteta iz Beograda. Tekst u nastavku predstavlja njegov rad na temu "Tehnologija digitalnih blizanaca i njena primena u različitim tehničkim disciplinama sa osvrtom na građevinarstvo" koju je odabrao prof. dr. Goran Ćirović sa Fakulteta tehničkih nauka iz Novog Sada.

Rezime: U radu je prikazana kompletna analiza tehnologije digitalnih blizanaca od detaljnog objašnjenja šta je tehnologija digitalnih blizanca, preko objašnjenja u kojim se sve tehničkim disciplinama ona može koristiti i koji su benefiti korišćenja tehnologije digitalnih blizanaca zaključno sa primerima iz projekata.

 

1. Kako je nastala tehnologija digitalnih blizanaca i šta ona predstavlja danas?

Tehnologija izrade modela digitalnog blizanca, u formatu kakav danas poznajemo, a to je postojeći ili projektovani objekat i istovetna kopija objekta u digitalnom formatu, nastala je 2002. godine i prvo je korišćena u astronomiji od strane „NASA“ za proizvodnju ili nabavku različitih komponenti i sistema od različitih dobavljača. Modeli digitalnih blizanaca prevashodno su korišćeni za proračun životnog ciklusa komponenti, sistema i različitih sklopova i objekata nakon ugradnje, izrade i izgradnje. Suštinski, digitalni blizanci su korišćeni za izračunavanje cene održavanja ili životnog ciklusa različitih komponenti, sistema, sklopova i objekata, tako što su na njihovim replikama u digitalnom formatu rađene različite simulacije pojava i procesa koje bi se dešavale i na postojećim objektima.

Pristupom izrade digitalne replike postojećeg objekta, komponente ili sistema i simulacijom različitih uticaja iz „realnog sveta“ na njih u digitalnom svetu, na mnogo jeftiniji način dolazi do podataka o svim aspektima i uzrocima troškova životnog ciklusa određenog objekta, komponente ili sistema u realnom okruženju i pri realnim uticajima različitih pojava koje su u interakciji sa objektom, komponentom ili sistemom.

Važno je napomenuti još nekoliko stvari vezanih za digitalnog blizanca. Digitalni blizanac predstavlja jednu od uzdanica četvrte industrijske revolucije i sve su očigledniji potencijal i uštede koje ta tehnologija donosi. Digitalne blizance možemo klasifikovati na mnogo načina u zavisnosti od stanovišta sa kog se posmatraju. Smatram da je najbolji način da digitalne blizance klasifikujemo na digitalne blizance objekata koji su predmet izrade ili izgradnje i na objekte koji su već izrađeni ili izgrađeni, ali su nam potrebni dodatni podaci o tim objektima.

 

2. Digitalni blizanci koji su predmet izrade ili izgradnje

Kod ovog tipa digitalnih blizanaca, tipično podrazumevamo objekte koji su predmet buduće izrade ili izgradnje i koji u momentu izrade modela digitalnog blizanca ne postoje u realnom svetu. U ovom radnom toku generisanja digitalnog blizanca najpre podrazumevamo izradu BIM modela, koji je gotovo uvek objekat koji se projektuje ili jedan njegov deo. Pod objektom ili delom objekta koji se projektuje podrazumevam objekte kao što su zgrade ili njihovi delovi, automobili ili njihovi delovi, proizvodna linija ili delovi proizvodne linije, dinamički objekti, simulacija saobraćaja ili kretanja pešaka pri različitim scenarijima, simulacija rušenja objekta itd.

Sve navedene objekte ili delove objekata koji su predmet buduće izrade ili izgradnje karakteriše osobina da se sa BIM stanovišta oni mogu smatrati potpuno statičnim BIM modelima i da im se ne mogu pripisati dinamičke osobine, koje su osnov za bilo koji proces simulacije.

DIGITAL TWIN TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN THE DIFFERENT TECHNICAL DISCIPLINES WITH REFERENCE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY

To nas dalje dovodi do zaključka da je ključna prednost da u modelu digitalnog blizanca različitim digitalnim alatima simuliramo uticaje iz realnog okruženja, tj. da primenimo različite dinamičke uticaje na BIM model.

 

3. Digitalni blizanci objekata koji su izrađeni ili izgrađeni

Kod ovog tipa digitalnih blizanaca, tipično podrazumevamo objekte koji su već izrađeni ili izgrađeni. I na samom početku, suočavamo se sa pitanjem: „A zašto bismo izradili digitalni model ili digitalnog blizanca za bilo šta što je već izrađeno ili izgrađeno? Osim dodatnog troška, koji se ne može smatrati bilo kakvim benefitom, koju ekonomsku korist mogu očekivati od takvog modela?“
Da bih na što jednostavniji način objasnio potrebu za izradom digitalnih blizanaca već postojećih objekata, daću sasvim jednostavan primer iz svakodnevnog života…

Ja pripadam generaciji koja je u detinjstvu svakodnevno koristila telefone sa brojčanikom.

DIGITAL TWIN TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN THE DIFFERENT TECHNICAL DISCIPLINES WITH REFERENCE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY

Kasnije sam, naravno, koristio bežične kućne telefone, zatim mobilne telefone i evo me upravo u modernoj eri u kojoj sa radošću koristim sve benefite ljudskih dostignuća, samim tim i „pametne telefone“.

Uporedimo koje podatke je sadržao telefon sa brojčanikom o svom vlasniku u odnosu na pametni telefon.

Osim broja telefona, na koji ste mogli pozvati ne mene, već moju porodicu, nije bilo praktično nikakvih podataka vezanih za vlasnika telefona. Sa dolaskom pametnih telefona, mnoštvo podataka o vlasniku telefona i broju koji je dodeljen vlasniku su dostupni. Preko telefonskog broja i određenih aplikacija je moguća potpuno besplatna međunarodna komunikacija. Podaci o sebi, koje korisnik pametnog telefona želi da deli, dostupni su svima.

Važno je napomenuti da se prvi pametni telefon pojavio sredinom 2007. i da iz perspektive korisnika pametnih telefona u periodu od samo trinaest godina, ne možemo ni zamisliti da se vratimo na stare telefone sa brojčanikom, pošto su mogućnosti između njega i pametnog telefona prosto teško uporedive – oba uređaja su telefoni, ali suštinski ne pripadaju istoj kategoriji uređaja.

Nameće se pitanje da li je neophodno da sada, iako imamo nove i veoma efikasne digitalne alate za digitalizaciju postojećih objekata, imamo potrebu da objekte koje smo već izgradili i digitalizujemo? Jednostavno, šta će nam to i čemu će digitalni blizanac izrađenog i izgrađenog objekta uopšte služiti?

Uzmimo za primer postojeću zgradu i zamislimo situaciju da u šetnji kroz zgradu pitam vlasnika zgrade koje su osobine nekog zida – koja mu je debljina, od kog materijala je izgrađen, koja je marka betona zida, da li je to noseći zid, da li ima završni sloj i kolike debljine, od kog materijala je izrađen završni sloj, da li je nosivost zida takva da možemo na njega okačiti držače za cevi određene težine, koja je vatro-otpornost zida, da li možemo napraviti otvor u zidu da bi smestili damper i „provukli“ kanal za hlađenje ili grejanje, kada je u planu krečenje tog zida, koja je kvadratura zida radi računanja troškova krečenja zida itd…

Da bih dobio odgovor na nabrojana pitanja, uveren sam da bi vlasniku zgrade bilo potrebno nekoliko dana, pod pretpostavkom da nema model digitalnog blizanca zgrade. Jednostavno, vlasnik zgrade bi morao da prođe kroz gomilu papira da bi mi pribavio tražene podatke, za neke podatke bi morao da kontaktira arhivu, a siguran sam da neke podatke ne bi ni bio u stanju da pronađe.

DIGITAL TWIN TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN THE DIFFERENT TECHNICAL DISCIPLINES WITH REFERENCE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY

Međutim, ukoliko bi vlasnik zgrade imao model digitalnog blizanca zgrade, uveren sam da bih za pojedina pitanja odgovore dobio u roku od nekoliko minuta, a za malo složenija pitanja, poput otvora u zidu i držača za cevi zakačenih za zid, verujem da bih odgovor dobio za nekoliko sati.

Mislim da se na osnovu veoma jednostavnog primera običnog zida može uvideti potencijal digitalnog blizanca postojećeg objekta, koji može uštedeti značajna finansijska sredstva kroz optimizaciju troškova održavanja objekta, pronalaženje najbolje opcije pri adaptaciji, dogradnji i prilagođavanju industrijskih objekata drugačijoj nameni i najzad pri računanju operativnih troškova i životnog ciklusa objekta i opreme ugrađene u objekat.

 

4. Digitalni alati simulacije kod modela digitalnih bliazanaca

Kada pričamo o digitalnim alatima simulacije kod digitalnog blizanca, imajte na umu da ulazimo u prašumu i da je jako teško obuhvatiti sve dostupne alate. Stoga ću nabrojati samo nekoliko najznačajnijih digitalnih alata simulacije kod digitalnih blizanaca i napisati nekoliko rečenica o svakom od alata.

  • CFD (Computational fluid dynamics) je proračun dinamike fluida i deo je mehanike fluida koji kao osnovu analize uzima numeričku analizu i struktuirane podatke da bi rešio probleme vezane za ponašanje fluida u tečnom i gasovitom stanju. CFD analiza ima veoma široku primenu uključujuću sile i momente na različitim digitalnim modelima, pritisak u cevima uzrokovanih materijama u tečnom i gasovitom stanju koji se nalaze u samim cevima, analizu eksplozija, simulaciju kretanja i protoka različitih vrsta čestica, delovanje temperature, simulacija vremenskih prilika, ponašanje digitalnih modela u vazdušnom tunelu itd.

DIGITAL TWIN TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN THE DIFFERENT TECHNICAL DISCIPLINES WITH REFERENCE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY

  • Dynamo je digitalni alat koji služi za parametarsko nestandardno modelovanje, generisanje dodatnih i nestandardnih podataka za efikasnije proračune u okviru BIM modela discipline; za obradu, manipulaciju i lakšu vizuelizaciju generisanih podataka u BIM modelu i uređenu razmenu podataka između različitih disciplina u multidisciplinarnom BIM projektnom procesu. Dynamo je programski jezik i bazira se na principu vizuelnog programiranja. Razlog koji ga svrstava u omiljene digitalne alate za automatizaciju BIM projektnog procesa je taj što je integrisan sa Revit platformom i ne zahteva nikakve dodatne troškove nabavke. Lak je za učenje i ne zahteva veliko programersko iskustvo. Ogromna prednost uključivanja Dynamo-a, kao digitalnog alata za automatizaciju BIM projektnog procesa, je ta što jednom napisana Dynamo skripta, koja automatizuje određeni logički deo BIM projektnog procesa, može biti korišćena na neograničenom broju projekata. To, dobro osmišljenoj Dynamo skripti primenljivoj na više projekata, daje ogromnu vrednost i učesnicima u projektu donosi velike uštede.
  • Python je objektno orijentisan programski jezik koji se najčešće koristi za generisanje, transfer i obradu podataka u BIM projektnom procesu. Python pomaže jednako efikasno kao Revit plug in (PyRevit) ili kao deo Dynamo skripti integrisan u Dynamo „Node“. Ono što karakteriše Python je da je on omiljeni alat takođe i kod nauke o podacima, automatizacije sistema, razvoja API itd. Inače, prva napisana knjiga, koja se bavila obukom programera za korišćenje Python programskog jezika, zove se „Automatizuj dosadne stvari“. Ova činjenica maksimalno pojednostavljuje svako dalje objašnjenje čemu Python služi u domenu automatizacije BIM radnog toka, kako za operacije u modelu BIM modela discipline, tako i u multidisciplinarnom BIM projektnom okruženju.

  • Sensors - kod izrađenih ili izgrađenih objekata, različite vrste senzora se koriste da bi se izmerile vrednosti potrebne za optimizaciju već postojećih elemenata u okviru postojećeg objekta. Primera radi, senzori mogu meriti broj osoba u određenoj prostoriji, a zatim se dobijeni podaci mogu uporediti sa podacima koje je arhitekta pretpostavio tokom izrade projekta i ukoliko je broj ljudi u određenoj prostoriji konstantno veći od projektovanog broja, vlasnik zgrade može optimizovati mašinski sistem ubacivanja svežeg vazduha. Slično je moguće i sa merenjem osvetljenosti prostorija. Upoređivanjem tako dobijenih podataka, ukoliko se uoči greška, vlasnik zgrade može ispraviti nedostatke da bi korisniku zgrade pružio odgovarajući komfor.

  • Mašinsko učenje je digitalni alat koji se definiše kao podoblast veštačke inteligencije. Mašinsko učenje se zasniva na učenju mašine na bazi iskustva i oponašanja postupaka čoveka pri određenim ponavljanim okolnostima. Uprošćeno, mašinsko učenje bazira se na posmatranju postupaka koje čovek izvršava kada se susretne sa određenim tipičnim problemom. Nakon određenog broja ponavljanja, program koji „nadgleda čoveka“ uči i usvaja algoritam ponašanja čoveka i preuzima na sebe izvršenje iste operacije koju je naučio „nadgledajući čoveka“. 

  • S obzirom da veštačka inteligencija još uvek nije u mogućnosti da donosi veoma kompleksne odluke i sagleda probleme koji se javljaju kod podataka generisanih različitim simulacijama, mišljenja sam da još uvek ne možemo govoriti o masovnoj i podrazumevanoj upotrebi veštačke inteligencije kao digitalnog alata za simulaciju procesa kod digitalnog blizanca.

 

5. Uštede koje tehnologija digitalnih blizanaca donosi

  • Primenom BIM radnog toka i digitalnih alata koji se koriste pri različitim simulacijama na modelu digitalnog blizanca, a uz dobar BIM menadžment kompletnog BIM projektnog procesa, uočava se između 5 i 15% više problema u ranim fazama projektnog procesa, odnosno mnogo pre izvođačkog projekta i same izgradnje objekta, što donosi značajne uštede investitoru u finansijskom smislu (podatak dobijen od investitora „Landlease“);

  • Upotreba različitih senzora u objektima, koji generišu podatke pomoću platformi za obradu podataka, pomažu da se na lakši i efikasniji način automatizuje oprema u objektu, što poboljšava energetsku efikasnost objekta i u isto vreme poboljšava komfor korisnika zgrade;

  • Analizom podataka prikupljenih putem senzora kod već izrađenih i izgrađenih objekata i uključivanjem tih podataka u projektni proces budućih objekata, investitor ostvaruje značajne uštede u brzini izrade ili izgradnje objekta, u odabiru i instaliranju opreme, što kao posledicu donosi značajne uštede investitoru u finansijskom smislu;

  • Izradom i permanentnom implementacijom digitalne strategije, što podrazumeva izradu modela digitalnih blizanaca, ugradnjom različitih senzora u postojeće objekte i obradom podataka dobijenih iz njih, investitor dobija „kolektivno znanje i iskustvo“ klasifikovano prema tipu objekta, što mu u budućim projektima objekata klasifikovanih po tipu i nameni, donosi značajne finansijske uštede u svim fazama projekta, zatim tokom izgradnje objekta i u samom životnom ciklusu objekta;

     

 

S obzirom da je teško očekivati pad cene gradskog građevinskog zemljišta i opremanja lokacije, jedini segment gde investitor izgradnje građevinskih objekata može ostvariti uštede je optimizacija implementacije BIM projektnog procesa i izrada digitalnih blizanaca, u kojima će se primenom digitalnih alata simulacije permanentno poboljšavati performanse zgrade u svim fazama izrade projekta, u toku izgradnje i nakon izgradnje same zgrade. 

 

6. Primeri digitalnih blizanaca

  • Pomoću senzora na mostu, sakupljani su podaci o vibracijama tokom redovnog saobraćaja. Prema projektnoj dokumentaciji izrađenoj po normama iz 1975. godine, most je bilo potrebno rekonstruisati. Klijent se obratio firmi „Arup“ da bi proverio da li je moguće odložiti rekonstrukciju mosta za neko vreme ukoliko bi se uvažile sadašnje norme. Umesto klasičnog pristupa, gde bismo radili statički proračun po postojećim normama, Arup je klijentu predložio da se pomoću senzora izmere vibracije na postojećem mostu tokom redovnog saobraćaja i na taj način uradi procena stanja mosta. Tokom naredna četiri meseca konstantno su prikupljani podaci o vibracijama mosta pri redovnom saobraćaju i ti podaci su se prebacivali u „Cloud“ putem IoT (Internet of Things). Nakon obrade podataka dobijenih  iz senzora, izmerene vibracije su pokazale da je, uz minimalne intervencije gde je samo jedan senzor pokazao veće vibracije od onih propisanih normi, moguće odložiti rekonstrukciju mosta za najmanje sedam godina. Ako se uzme u obzir da se most nalazi u blizini luke koja ima veoma intenzivan brodski saobraćaj, klijentu su obezbeđene velike uštede, jer nije bilo potrebno zatvarati luku tokom dvomesečnih minimalnih radova na rekonstrukciji mosta.

  • Pomoću senzora u već izgrađenoj zgradi, Arup arhitektura je po želji zakupca objekta tražila merenja temperature u svakoj prostoriji tokom mesec dana radi provere sistema za grejanje i hlađenje po završetku radova na izgradnji poslovnog objekta. Nakon izvršenih merenja i transfera podataka putem „Internet of Things“, a zatim i obrade dobijenih podataka, dobijena je prosečna temperatura u svakoj prostoriji tokom prethodno definisanog vremenskog intervala. Dobijeni podaci su ukazivali da je prosečna temperatura u pojedinim prostorijama odstupala od očekivanih vrednosti predviđanih projektom. U ovom slučaju, niža temperatura od projektovane je bila smetnja zakupcu poslovnog prostora u ostvarivanju punog komfora. Obzirom na činjenicu da je izgrađena zgrada imala svog digitalnog blizanca u „Cloud”-u, putem IoT (Internet of Things) i Forge platforme na veoma jednostavan način bilo je moguće podesiti rad sistema za grejanje i hlađenje tako da zakupcu poslovnog prostora pruža maksimalni komfor. 

DIGITAL TWIN TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN THE DIFFERENT TECHNICAL DISCIPLINES WITH REFERENCE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY

  • Ljubaznošću „Mat-real Estate“, kompanije u vlasništvu konzorcijuma „Matijević“, kompanija „TeamCAD D.O.O“ izradila je prvi model digitalnog blizanca postojećeg građevinskog objekta „Sad Novi Bazar“ u Novom Sadu. Prvo se pristupilo izradi BIM modela disciplina, da bi se nakon toga prešlo na konverziju BIM modela iz „Cloud“ BIM 360 modela u web baziran model digitalnog blizanca na „Autodesk Forge“ platformi. Razlog zbog koga se iz „BIM 360 Cloud modela“ pristupilo konverziji tog modela u web bazirani BIM model izrađen na „Autodesk Forge“ platformi leži u tome što sva snaga digitalnih blizanaca ostaje zarobljena u Revit modelu, koji je često dostupan samo malom krugu korisnika, obzirom da je za pregled i upotrebu takvog modela potrebno imati licenciran softver, dovoljno jak računar, tehničko predznanje vezano za upotrebu softvera, pristup originalnom fajlu…

DIGITAL TWIN TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN THE DIFFERENT TECHNICAL DISCIPLINES WITH REFERENCE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY

Da bi digitalni blizanac sa svim pratećim informacijama postao dostupan velikom broju korisnika, razvili smo web aplikaciju koja to omogućuje.

DIGITAL TWIN TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION IN THE DIFFERENT TECHNICAL DISCIPLINES WITH REFERENCE IN THE CONSTRUCTION INDUSTRY

Web aplikacija se oslanja na relativno novu Autodesk Forge tehnologiju, model je preveden iz Revit-a sa svim informacijama, dok je ostatak aplikacije programiran u JavaScript programskom jeziku, oslanjajući se na jQuery, Bootstrap, Node, Node express…

Uz pomoć ponuđene web aplikacije, moguće je pristupiti digitalnom blizancu iz bilo kog modernijeg internet pretraživača (preporučujemo Google Chrome).Na prikazanim slikama, nalazi se prvi digitalni blizanac u Srbiji. U pitanju je tržni centar „Sad Novi Bazaar“, koji je urađen u saradnji sa kompanijom Matijević iz Novog Sada.

Aplikacija omogućava pregled modela, prikaz informacija objekta, izolovanje delova objekta, šetanje kroz model…

Aplikaciji možete pristupiti preko adrese: https://digitalni-blizanci.teamcad.rs/

 

7. Zaključak

Tehnologija digitalnih blizanaca je relativno nova tehnologija, koja iz dana u dan dokazuje svoju vrednost kroz optimizaciju tokom izrade projekata za objekte koji su predmet izgradnje, kao i kod praćenja i optimizacije životnog ciklusa građevinskog objekta i opreme ugrađene u njega.

Tehnologija digitalnih blizanaca snažno se naslanja na BIM tehnologiju i hronološki može se reći da je BIM tehnologija polazna osnova za dalju razradu projekta tehnologijom digitalnih blizanaca. Osim u projektnom procesu, tehnologija digitalnih blizanaca postaje nezamjenjiva i kod održavanja postojećih građevinskih objekata, zatim u auto industriji, brodogradnji, avio industriji, bio mehanici, različitim digitalnim simulacijama poput simulacije saobraćaja, simulacije ponašanja evakuacije ljudi tokom vanrednih događaja itd.

Najčešće korišćeni alati za simulacije u tehnologiji digitalnih blizanaca su CFD analiza (Computational fluid dynamics), simulacije i postupanja na osnovu podataka generisanih uz pomoć različitih senzora i obrađenih različitim alatima za obradu podataka, najčešće uz pomoć programskog jezika za obradu podataka „Python“ itd.

Danas se u velikoj meri koristi i tehnologija mašinskog učenja, kao sastavni deo tehnologije digitalnih blizanaca, gde nakon prikupljenih i analiziranih podataka, automatizovani sistemi bez učešća čoveka donose odluke, koje ostvaruju značajne uštede pri eksploataciji, kako delova opreme, tako i čitavih sistema u cilju optimizacije troškova njihove eksploatacije.

 

Literatura


© 2020 TeamCAD d.o.o. Sva prava su zadržana.
Bulevar Mihaila Pupina 10V / 224 (II sprat)
11070 Novi Beograd, Srbija
office@TeamCAD.rs

Dobrodošli na www.teamcad.rs! Ovaj internet sajt koristi kolačiće (cookies). Nastavkom korišćenja ovog sajta saglasni ste sa našom upotrebom kolačića. Više detalja.