Technologie digitálních dvojčat (Digital Twins) nezačíná být jen doménou digitálního průmyslu a digitálních továren, ale v budoucnu má mít svoje digitální dvojče prakticky každé moderní město. Dle předběžných studií to prý je jedna z hlavních technologií, která má umožnit uhlíkovou neutralitu měst, tedy měst, kde má být při jejich provozu celkově vyrovnaný podíl generovaného a zachyceného množství CO₂.

Technologie digitálních dvojčat pro budoucnost měst

Obecně první projekty technologie digitálního dvojčete se zaměřovaly na oblast automatizace strojního průmyslu, především na výrobu, kde pomáhá provozovatelům zařízení lépe koordinovat, řídit a optimalizovat výrobní činnost. Nicméně aktuálně se využití řešení technologie digitálních dvojčat rozšiřuje také na sektory, kde se dříve nepoužívala. Jedním takovým sektorem je i efektivní správa a provoz komplexu budov, v budoucnu pak i celých chytrých měst a přírodních chráněných či zemědělských oblastí.

V tomto směru zájem o celou oblast technologie digitálních dvojčat exponenciálně roste. Šest zemí po celém světě už nyní má nějaký národní program digitálního dvojčete. A co víc, výběrová řízení v soukromém i veřejném sektoru po celém světě již nyní s tuto technologii "počítají" nebo ji už vyžadují. Například projekt nového mega Smart City v Saúdské Arábii plánuje otestovat 19 různých konkrétních platforem digitálních dvojčat a plánované město Amaravati v Andhra Pradesh v Indii má být vůbec prvním městem na zelené louce, které od počátku má fungovat i jako kompletní digitální dvojče.

Standardní definice digitálního dvojčete pro oblast stavebnictví a plánování infrastruktury říká, že tzv. digitální dvojčata jsou virtuální repliky fyzických stavebních aktiv spojených s daty, které poskytují aktuální informace, krátkodobé i dlouhodobé trendy a i případné predikce v různých fázích napříč celým životním cyklem od návrhu až po demolice. Návrh, provoz a využití této platformy má sloužit architektům, inženýrům, plánovačům, developerům, majitelům budov, správcům nemovitostí, správcům zařízení a mnoha dalším pro analýzu a simulace široké škály případů od optimalizace infrastruktury až k analýze dopadů na klima, předpovídání vzorců provozu a finančních návratností investic.

Digitální dvojčata poskytují uživatelům komplexní řídicí panel se možností výběru zobrazení různých požadovaných aktuálních dat i jejich trendů, prezentovaných v působivém a intuitivním 3D vizuálním prostředí, které je i zábavné a snadno použitelné pro každého. Tradiční CAD, nástroje BIM, CRE a GIS vytvořili odborníci pro odborníky. Naproti tomu řešení digitálních dvojčat jsou vytvářena odborníky pro široké spektrum uživatelů. Jsou záměrně navrhovány tak, aby prakticky jakýkoli uživatel z jakéhokoli oboru / oblasti správy, plánování, údržby, užívání apod. byl schopen začít rychle a intuitivně platformu digitálního dvojčete využívat.

V případě úplného celopodnikového nasazení, technologie digitálních dvojčat v oblasti průmyslové výroby již vykazují efektivitu úspory, které se pohybují od 10 % do 25 % na variabilních provozních nákladech ročně, přičemž většina z nich nejprve nasadí jeden případ použití a poté škáluje až více případů použití. Použití platformy digitálních dvojčat v oblasti správy a řízení měst by pak měla snížit provozní náklady o 35 %, zvýšit produktivitu o 20 % a hlavně postupně snížit emise uhlíku v budovách o 50–100 %. Pro města tak má být v budoucnu použití nějaké kompletní platformy digitálního dvojčete prakticky nutnost pro splnění požadavku dosažení uhlíkové neutrality.

Digital Twin SmartWorldOS

Mezi aktuálně hlavní představitele této nové koncepce využití platformy digitálních dvojčat pro potřeby měst patří i americká společnost Cityzenith. Její záběr a seznam projektů dnes zahrnuje více sektorů, včetně (ale ne pouze) komerčních nemovitostí, maloobchodu, infrastruktury, smart města, chytré kampusy, chytré čtvrti, energetika a další. Nicméně mezi aktuálně nejvíce ambiciózní projekty, které se již začínají prakticky realizovat, patří technologii tzv. Urban Digital Twins realizované pomocí jimi vyvíjené platformy tzv. městského operačního systému SmartWorldOS.

Hlavní propagovaný cíl této koncepce má být právě požadované snížení emisí a současně i nákladů správy a provozu velkých měst a má být zásadní k dosažení požadované celkové uhlíkové neutrality provozu a života měst. Společnost Cityzenith uvádí, že v současnosti města produkují 70 % světových emisí. Mezinárodní iniciativa Cityzenith Clean Cities – Clean Future tedy zahrnula do programu velká světová města, u kterých pomocí své platformy Digital Twin SmartWorldOS může snížit emise uhlíku v budovách o 50–100 %, při současném snížení i provozních nákladů správy chodu města o 35 %.

Las Vegas, Phoenix, Pittsburgh a New York jsou prvními městy v USA, která se k této iniciativě a projektu přihlásila, přičemž další by měla následovat během několika příštích měsíců. Generální ředitel Cityzenith Michael Jansen řekl: „Jsme si jisti, že iniciativa Clean Cities – Clean Future demonstruje kombinovanou sílu digitálního dvojčete a technologie internetu věcí k transformaci mobility, pěší dostupnosti a emisí / znečištění ovzduší, přičemž toto vše spojí s uhlíkovými odměnami a dalšími pobídkami souvisejícími s uhlíkem prostřednictvím jedné propojené platformy Digital Twin".

Velmi široká a komplexní softwarová platforma SmartWorldOS je účelově tvořena pro lidi, kteří navrhují, staví a provozují velké projekty, a byl vytvořen, aby pomohl urychlit rozvoj efektivních a obyvatelných bezuhlíkových ekonomik po celém světě. SmartWorldOS, jejíž první plná verze bude prakticky prezentována v lednu 2022 na známém veletrhu CES, nabízí množství funkcí a snadnou integraci se stávajícími datovými formáty a nástroji. Dnes může SmartWorldOS spravovat a regulovat budovu, kampus a dokonce i celé město. Otevřený rámec API pak umožňuje flexibilní integraci poskytovatelů služeb třetích stran a nástrojů IoT. Cílem je, že platforma SmartWorldOS má být schopna sdružit a napojit různá data a různé komunikační protokoly senzorů, měřičů i řídicích systémů a tak efektivně zastřešit aktuálně v rámci chytrých měst často dost fragmentovanou síť platforem sestávající se z různých technologií, standardů a komunikačních protokolů různých firem a dodavatelů, které jsou někdy jen velmi obtížně vzájemně propojitelné.

Z pohledu 3D vizualizace pak platforma digitálních dvojčat SmartWorldOS obsahuje unikátní funkce přímého importu již existujících stávajících formátů výkresů a BIM modelů budov, povrchů, objektů a krajiny (Revit, Bentley, Rhino, SketchUp, atd.). Tak lze do modelu vizualizace města zahrnout jak stávající existující modely měst, tak i návrhy či 3D skenování z dronů a to jak vnější prostor, tak ideálně i vnitřních prostor budov, což by v budoucnu mělo umožnit díky monitorování spotřeby energií v reálném čase i simulovat / predikovat scénáře energetických potřeb různých budov či jednotlivých částí města pro různé klimatické scénáře, ať již z pohledu chlazení v horkých dnech či naopak vytápění v chladných obdobích. Tak má být možné i vhodně dopředu regulovat výrobu a směrování energie z obnovitelných zdrojů. Navíc SmartWorldOS umožňuje i vytvářet vlastní zjednodušené prvotní návrhy nových objektů měst pro potřeby prvních simulací vlivu změny zástavby nejen z pohledu vizuálního, ale i například dopravní zatížitelnosti a tím i případných dalších nákladů města na výstavbu sítí a realizaci služeb.

Projekt Urban Digital Twin pro Las Vegas

Las Vegas je jedním z nejnovějších měst, které přijalo technologii digitálního dvojčete. Prostřednictvím iniciativy Clean Cities – Clean Future společnosti Cityzenith a společnosti Terbine pro výměnu dat pak vkládají do vývoje digitálního dvojčete velké plány, které mají být oficiálně odhaleny na lednovém veletrhu CES v Las Vegas.

Na nedávném webináři se společností Cityzenith k tomu Michael Sherwood (ředitel pro inovace města Las Vegas) řekl, že věří, že technologie digitálních dvojčat jsou budoucností toho, jak jsou města řízena a jak jsou provozována. Prvním dvojčetem bude digitální model budov, dopravních systémů a infrastruktury v centru Las Vegas, které bude "napájené" daty internetu věcí (IoT) přenášenými senzory přes 5G síť. Data budou časem pocházet z celé řady systémů, včetně těch, které vlastní město, ale také kraj, stát a komerční poskytovatelé.

David Knight, generální ředitel společnosti Terbine, uvedl, že tato iniciativa je obzvláště pokročilá, protože digitální dvojče bude zapojeno do skutečného města. To znamená, že věci, které se dějí na ulicích a v elektrické síti, kvalita vzduchu a mnoho dalších faktorů se průběžně budou do digitálního dvojčete nahrávat. Nakonec to umožní kontrolu ze strany samotného města. Pomocí modelu oprávnění založeného na strojovém učení budou moci různí uživatelé prostřednictvím digitálního dvojčete ovládat infrastrukturu, jako je osvětlení a dopravní systémy. Digitální dvojče se tak stává nástrojem pro lepší dopravu, kanalizace a pouliční osvětlení, a dodal, že přístup k datům bude pro podniky lákadlem. Nakonec v budoucnu by se pak mohly funkce digitálního dvojčete přesunout i do ulic samotných prostřednictvím věcí, jako je rozšířená realita.

Budoucí spojení nanosenzorů a technologie digitálních dvojčat

Nasazení miliard vysoce přesných a bezpečných nanosenzorů propojených s globální sítí Digital Twin pak má umožňovat přesné a prostorově rozprostřené detailní monitorování emisí v městském a zemědělském prostředí v reálném čase. Předpokládá se, že nanosenzory a digitální dvojčata budou mít významný dopad na budoucnost sledování uhlíku. Tato technologická spolupráce má umožnit globálním organizacím odměňovat organizace a lidi po celém světě za sledování a řízení emisí s cílem zvrátit změnu klimatu a zároveň brát na vědomí země a průmyslová odvětví, která tak nečiní. Senzory mají být masově nasazeny v městském a venkovském prostoru (například v oblasti hlídaných chráněných oblastí či naopak v místech zemědělské produkce a sadařství).

To nejen umožní další nárůst automatizace provozu měst a zemědělství, ale i automatizovat ochranu vzácných přírodních oblastí a z pohledu ochrany země má i umožňovat sledování globálních emisí uhlíku s bezprecedentní přesností v reálném čase. Technologie digitálního dvojčete vypočítá údaje o emisích uhlíku shromážděné nanosenzory a poskytne globálně sdílené, vysoce přesné znázornění toho, jak země, společnosti, domácnosti a jednotlivci řídí emise. Tento projekt bude využívat nanosenzory ke sledování odlesňování a znečištění, aby pomohl přesně řídit uhlíkové kredity a kompenzace, což umožní snížení emisí a vysoce přesné sledování údajů o odlesňování. Spoluzakladatel World Nano Foundation, Paul Sheedy, k tomu řekl: „Nanotechnologie, jako jsou nanosenzory a kvantové tečky, mohou sledovat a monitorovat cokoli, uchovávat a přenášet nekonečné množství zabezpečených dat po celém světě. Kombinace nanotechnologií s pokročilými platformami Digital Twin mění hru pro cíle udržitelného rozvoje OSN a investory ESG, kteří takové investice podporují.“

Závěr

Nanotechnologie a digitální dvojčata byly v roce 2021 zařazeny mezi 5 odvětví s nejvyšším technologickým růstem, o kterých se předpokládá, že se v příštích pěti letech zčtyřnásobí. Očekává se, že každý sektor se v té době bude těšit kombinovanému růstu o více než 400 %.

V tomto směru to tedy vypadá, že paralelně k virtuálnímu neskutečnému "Meta světu" bude vznikat i model skutečného světa v podobě například postupně se propojujících digitálních dvojčat jednotlivých měst a částí země, až jednou vznikne digitální dvojče celé planety. Nicméně není dobré zapomínat také na to, že všechno, co má výhody, má i své nevýhody. Z pohledu technologie digitálních dvojčat to pak může být ve výsledku již taková závislost fungování celých měst a oblastí na správné funkci právě digitálního dvojčete, že jakákoliv i poměrně krátkodobá porucha infrastruktury nebo i krátkodobý lokální elektrický "blackout" (ať již vlivem přírodních katastrof či záměrným útokem), může mít za následek totální kolaps města. Prostě čím je systém složitější, tím sice může být efektivnější a úspornější, ale současně se také obvykle také stává křehčím. Otázkou tedy je, jak se podaří zajistit vysokou míru stability a odolnosti celého tohoto budoucího systému řízení.

Odkazy:

• Webové stránky softwaru SmartCityOS: https://cityzenith.com/smartworldos-tm
• Webové stránky společnosti Cityzenith: https://cityzenith.com
• Webové stránky Cities Today: https://cities-today.com
• Webové stránky The World Nano Foundation: https://www.worldnanofoundation.com/