Pojem digitálního dvojčete je v současnosti často spojován s BIM, což může vést k mylnému závěru, že nezbytnou podmínkou jeho existence je 3D geometrie. Digitální dvojče však může dobře existovat i bez ní.
Pojem digitální dvojče (digital twin) se v posledních letech objevuje čím dál častěji, zároveň však patří mezi nejméně jednoznačně chápané termíny ve stavebnictví. V praxi často dochází k záměně termínu za pouhý 3D model, vizualizaci nebo v lepším případě BIM model doplněný o jednoduché analytické nástroje.
Přitom definice je poměrně jednoduchá: Digitální dvojče je ve své podstatě digitální reprezentace fyzického objektu nebo systému, která je propojená s realitou prostřednictvím dat a umožňuje její sledování, analýzu a řízení.
Klíčovou roli zde hrají data, a to jak statická, tak dynamická, jejich vzájemné vazby a schopnost reagovat na aktuální stav reality. Statická data popisují, „jak je věc navržena“ – například typ zařízení, jeho parametry nebo umístění. Dynamická data naopak zachycují, „co se právě děje“ – například aktuální teplotu, zatížení zařízení, spotřebu energie nebo informaci o poruše. Právě tato průběžně aktualizovaná data propojují digitální model s reálným provozem a umožňují z něj vytvořit nástroj pro rozhodování, nikoli pouze pasivní model. Propojení může být obousměrné, například při napojení na systémy používané pro údržbu a správu (EAM, CAFM) mohou být automatizovaně generovány tikety pro pracovníky údržby při hrozící poruše nebo havárii.
Je nutné zmínit, že koncept digitálního dvojčete nevznikl ve stavebnictví. Jeho principy mají kořeny v 60. letech v NASA, kde byly během programu Apollo využívány tzv. „living models“ pro simulaci a řešení problémů kosmických lodí, zejména při misi Apollo 13. Poprvé jej pak formálně popsal v roce 2002 Michael Grieves na University of Michigan v rámci své práce na PLM (Product Lifecycle Management). Ve druhé dekádě tohoto století začala NASA termín digital twin aktivně používat pro simulace a predikci chování systémů.
Digitální dvojče je tedy především inženýrský nástroj pro řízení složitých systémů, který se aktivně používá například v leteckém a kosmickém průmyslu nebo energetice. Jeho výskyt ve stavebnictví je dnes však stále ojedinělý a často spíše experimentální.
Převod dat mezi BIM a GIS.
DIGITÁLNÍ DVOJČE V KONTEXTU BIM A GIS
Pojem digitálního dvojčete je v současnosti často spojován s BIM, což může vést k mylnému závěru, že nezbytnou podmínkou jeho existence je 3D geometrie. Digitální dvojče však může dobře existovat i bez ní, například jako datový model infrastruktury propojený s provozními systémy a analytickými nástroji. 3D geometrie představuje pouze jednu z možných, nikoli nezbytných, vrstev. V řadě scénářů je naopak vhodnější využít jako zobrazovací vrstvu nástroje GIS, které umožňují uživatelům jednodušší a efektivnější interakci při zachování dostatečné informační hodnoty. 3D model je užitečný nástroj pro orientaci a komunikaci, ale pro samotné rozhodování je často druhotný.
GIS systémy jsou navíc přirozeně navržené pro práci s daty v čase, jejich správu, aktualizaci a integraci z různých zdrojů. To jsou vlastnosti, které dnešním BIM řešením chybí. Běžně používané CAD (BIM) nástroje jsou orientovány výhradně na návrh staveb, nikoli jejich provoz a správu. Modely jsou typicky založené na souborech, obtížně se průběžně aktualizují a jejich datová kvalita nebývá vždy dostatečná pro dlouhodobé využití. Z tohoto pohledu dává smysl uvažovat digitální dvojče jako systém postavený nad datovou platformou, nikoli nad jedním modelem. BIM modely vznikající při návrhu a realizaci staveb představují důležitý vstup pro digitální dvojče, nikoli jeho finální podobu. Aby však mohly plnit tuto funkci, je nezbytné zajistit dostatečnou kvalitu dat počínaje jasným definováním požadavků na informace ze strany vlastníka. Pro digitální dvojče, které má fungovat v horizontu desítek let, je zásadní otázka správy dat. V tomto kontextu dává smysl přístup openBIM a využití otevřených standardů, zejména IFC.
Otevřený datový model umožňuje nezávislost na konkrétních softwarových nástrojích a snižuje riziko vendor lock-in. Naopak spoléhání na proprietární formáty přináší riziko změn datových struktur, omezenou interoperabilitu a komplikovanou migraci dat v čase.
Využití ETL nástroje FME pro převod dat z IFC do databáze GIS.
CO BRÁNÍ VĚTŠÍMU ROZŠÍŘENÍ VE STAVEBNICTVÍ?
Stavebnictví ve srovnání s jinými sektory průmyslu dlouhodobě zaostává v oblasti digitalizace a potýká se mimo jiné s nízkou kvalitou dat, což je jednou z překážek, které brání většímu rozšíření digitálních dvojčat.
Problematické je také to, že digitální dvojče bývá často prezentováno jako cíl sám o sobě a nemá tak jasně definovaný business-case. Podstatou nemá být vytvoření digitálního dvojčete, ale zlepšení rozhodování v provozu. Typickými přínosy jsou predikce poruch, optimalizace údržby, řízení kapacit nebo zvýšení provozní bezpečnosti. Pořízení a správa digitálního dvojčete jsou nákladné. Bez jasně definovaného účelu se digitální dvojče snadno stává pouze marketingovým pojmem, vede k neúčelně vynaloženým prostředkům a projekty tak zůstávají ve fázi pilotů.
Další bariérou jsou i již zmíněné limity BIM technických řešení, zde se však dá očekávat, že vývoj technologií bude do budoucna směřovat ke zlepšení. Například vývoj standardu IFC směřuje k tomu, aby nebyl vnímán pouze jako formát pro výměnu souborů. Nová generace IFC (IFC5, resp. IFCx) se posouvá od jednorázové výměny modelů k práci s daty v širším digitálním prostředí. Důraz je kladen na průběžnou aktualizaci dat, práci s dílčími změnami a lepší integraci mezi systémy.
Pro digitální dvojče by to mohlo znamenat důležitý krok směrem k dynamickému a dlouhodobě udržitelnému řešení.
GIS jako datová základna pro správu areálu letiště – ukázka z interního systému Letiště Praha.
PŘÍNOSY DIGITÁLNÍHO DVOJČETE V PRAXI
Prostředí letiště představuje vhodný příklad, kde může mít digitální dvojče reálný přínos. Jedná se o komplexní systém s vysokými nároky na spolehlivost a kontinuitu provozu.
Digitální dvojče zde může sloužit například ke sledování kritických zařízení, jako jsou handlingové systémy, technologická zařízení nebo energetika. Data ze senzorů a provozních systémů umožňují analyzovat zatížení, sledovat vývoj v čase a předvídat poruchy.
Případové studie z letišť, kde bylo digitální dvojče zavedeno, zmiňují úspory času (například při auditech dat a analýzách) i nákladů (optimalizace údržby, energetických systémů nebo provozních toků). Tyto údaje však pocházejí převážně z interních reportů provozovatelů nebo dodavatelů technologií a jejich nezávislé ověření je obtížné.
Obecně se v odborných analýzách očekává potenciál zlepšení provozní efektivity o jednotky až desítky procent, především díky přechodu od reaktivní k prediktivní údržbě a lepšímu rozhodování na základě dat. Hlavním přínosem je minimalizace provozních výpadků a rozhodování založené na reálných datech namísto odhadů.
ZÁVĚR
Zavedení digitálního dvojčete je komplexní a nákladný proces, který zahrnuje integraci dat, změnu procesů i dlouhodobou správu systému. Ne každá organizace z něj proto získá odpovídající přínos.
Největší hodnotu má tam, kde je provoz složitý a nákladný – u dopravní infrastruktury, nemocnic nebo rozsáhlých areálů.
Místo snahy o vybudování komplexního řešení „na první dobrou“ je vhodnější postupovat krokově. Základem jsou kvalitní data a jasně definované požadavky na informace, na které lze následně napojovat vybraná provozní data. Teprve na tomto základě má smysl rozvíjet konkrétní scénáře využití.
Digitální dvojče má reálný potenciál zlepšit řízení staveb a infrastruktury, a nezůstat tak jen „buzzwordem“. Zároveň však není univerzálním řešením ani prvním krokem digitalizace.
Skutečná hodnota digitálního dvojčete nevychází z existence modelu, ale z kvality dat a jejich využití při rozhodování. Právě v tom spočívá rozdíl mezi marketingovým pojmem a nástrojem, který má reálný přínos.
Autor:
Bc. Daniel Šmejkal působí jako vedoucí týmu Virtual Design & Construction ve společnosti Letiště Praha. Zaměřuje se na digitalizaci stavebnictví a implementaci BIM. Podílí se na přípravě a řízení zakázek s požadavky na BIM napříč pozemními, dopravními i infrastrukturními stavbami a věnuje se také efektivnímu využití dat v průběhu celého životního cyklu staveb.
ZDROJE:
- Digital Twins and Living Models at NASA:
https://ntrs.nasa.gov/citations/20210023699 - Origins of the Digital Twin Concept: www.researchgate.net/publication/307509727_Origins_of_the_Digital_Twin_Concept
- Opportunities and challenges of digital twin applications in the Middle East construction industry: www.emerald.com/uss/article/2/1/231/1275232/Opportunities-and-challenges-of-digital-twin
