Наша рассылка позволит вам оперативнее узнавать о том, как меняется железнодорожный мир!
Вы будете получать уведомления о публикации новых статей
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь c политикой конфиденциальности
Подпишитесь на нашу страницу в Facebook!

Смешанный мир

Грань между настоящим и виртуальным миром с каждым годом все больше стирается. Компании проектируют и обслуживают новые самолеты и поезда с помощью цифровых двойников, работники и студенты сдают экзамены в виртуальных классах, городские власти проектируют новые районы и автострады на имитационных моделях, а политики рассчитывают темпы глобального потепления с помощью компьютерной копии земли. Даже человек скоро начнет подбирать курс лечения или диету, сверяясь с показателями своего digital twin.

Не игрушки

Долгое время индустрия развлечений была главным создателем продуктов виртуальной (VR) и дополненной (AR) реальности. Появлялись все более сложные видеоигры и фильмы, которые полностью погружали зрителя в альтернативный мир. Не случайно символом VR-AR 2010-х годов стала популярная игрушка Pokemon Go. Пользователи во всех странах мира с остервенением ловили виртуальных покемонов, которых можно было увидеть на улицах городов через экран смартфона.

По оценкам PwC, еще в 2018 году на видеоигры в виртуальной реальности приходилась большая часть доходов от сегмента VR. Правда, наибольшие надежды были связаны с ростом использования VR при производстве видеоконтента. Интерес к VR все активнее проявляли правообладатели и платформы. Например, тестировать трансляции в формате виртуальной реальности начали в НБА, а онлайн-­кинотеатр Hulu приступил к созданию VR-шоу.

Но сегодня совмещенная реальность (MR) уже рассматривается как один из главных драйверов роста глобального ВВП в течение ближайшего тысячелетия. Например, в PwC прогнозируют, что уже по итогам 2030 года на работах, связанных с MR, в мире будут трудиться более 23 млн человек (против приблизительно 800 тыс. в ­2019-м). Оборот рынка и вовсе достигнет 1,5 трлн долл. (против 46,4 млрд долл. в 2019-м!). Очевидно, что такие фантастические суммы просто невозможно заработать, опираясь исключительно на индустрию развлечений. Виртуальная реальность на наших глазах становится одной из ключевых технологий индустрии 4.0.
Игра Pokemon Go появилась в 2010-х годах

В деле пригодится

Крупный бизнес начал погружаться в виртуальную реальность постепенно. Вначале возможности MR использовались преимущественно для организации обучения. Сегодня существует множество детально проработанных симуляций реальных рабочих процессов. Это может быть управление транспортными средствами, строительство или проектирование. Практика показывает, что обучение в условиях, максимально приближенных к «боевым», помогает лучше усвоить материал. Кроме того, бывшие ученики спокойнее действуют при возникновении нештатных ситуаций уже на работе.

Любопытный эксперимент, подтверждающий эту тенденцию, провели в Пекине. Обучающихся разбили на две группы и преподавали одну и ту же дисциплину: одной группе — классическим методом, а второй — с использованием VR. Среди участников первой успешно тест сдали 73%, а второй — 93% участников опыта. Кроме того, VR-группа показала более глубокое понимание темы и лучше закрепила полученные знания по результатам теста спустя две недели.

Однако долгое время виртуальное обучение оставалось привилегией крупного бизнеса из-за высокой стоимости оборудования. По данным аналитической компании IHS Markit, покупатели VR еще в 2017-м потратили на устройства для пользования технологией в три раза больше, чем на контент. Данный статус-кво фактически не менялся годами. По оценкам исследовательской компании Grand View Research, по итогам 2020 года около 65% выручки поставщиков услуг AR пришлось на продажу носимых устройств: шлемов, умных очков, перчаток.
Имитационные модели помогают выявлять операционную неэффективность и продлевать срок службы оборудования и устройств
Проектирование нового района с помощью VR
Но цены на современные ­VR-устройства постепенно становятся доступнее. Кроме того, существует уже несколько тысяч самых разно­образных и не очень дорогих приложений для использования в MR. Как следствие, виртуальное обучение используют также представители малого и среднего бизнеса, образовательные учреждения.

Дополнительный стимул росту популярности VR-обучения дали ограничения из-за вируса COVID-19. По итогам опроса исследовательского центра EdWeek, прошедшего в 2020 году в США, 81% учителей сообщили, что увеличили опыт работы с VR из-за пандемии; 58% заявили, что в результате стали больше доверять технологии.

Однако взрывной рост спроса на виртуальную реальность вызван глубокой интеграцией MR с технологиями интернета вещей. Современные автономные датчики позволяют получать информацию с объектов (предприятий, транспортных средств) в режиме реального времени. Высокоскоростные стандарты связи (5G) обеспечивают передачу больших массивов информации, а технологии машинного обучения и больших данных позволяют оперативно анализировать их и вносить коррекцию в работу оригинала. Виртуальная реальность стала свое­образной оболочкой, которая наглядно демонстрирует работу искусственного интеллекта.

В сфере дизайна и проектирования использование этих технологий в комплексе с MR стали называть BIM-моделированием, а в промышленности — цифровыми двойниками.
Все смешалось
В последние годы весь комплекс технологий, позволяющих погружать человека в виртуальную реальность, объединяют под термином MR (Mixed reality — «совмещенная реальность»). MR развивается по двум основным направлениям.

Виртуальная реальность (Virtual reality, VR) — это созданная компьютером симуляция. Пользователь погружается в нее с помощью иммерсионных устройств: шлемов, перчаток, наушников, контроллеров распознавания жестов. Это не просто видео. Находясь в программе, пользователь своими действиями вносит изменения в окружающий его искусственный мир.

Дополненная реальность (Augmented reality, AR) — комплекс технологий, позволяющих добавлять к изображениям реального мира дополнительные цифровые слои, то есть строить виртуальный мир на основе существующих объектов.

Братство двойников

Сегодня виртуальные копии используются практически всеми крупными корпорациями. Создаются digital twin природных месторождений, сборочных производств, тестовых лабораторий. Имитационные модели помогают выявлять операционную неэффективность, продлевать срок службы оборудования и устройств, позволяют оптимизировать логистику.

Например, в компании Boeing цифровых двойников используют в том числе для поиска идеального баланса грузовой нагрузки. Допустим, Boeing 737-800 имеет максимальную грузовую нагрузку 80 000 кг, но многие самолеты летают с меньшим весом на борту, поскольку рассчитывают это значение вручную. Используя датчики IoT на цифровом двойнике, можно определить точное количество груза, которое можно взять на борт, и увеличить доход за рейс.

Deutsche Bahn создает цифрового двойника электропоезда Flirt. Его функционал расширяется постепенно. На начальном этапе он будет анализировать в режиме реального времени информацию о работе систем кондиционирования воздуха, дверей и колесных пар. Можно будет оптимизировать работу систем, снизить расходы на эксплуатацию и ремонт.

Применение digital twin с каждым годом расширяется. Иногда крупные компании используют несколько виртуальных копий, которые впоследствии сливаются в единый организм. Так, Unilever развернула цифровые двойники на восьми производственных предприятиях в разных точках мира.

Уже появился термин «цифровой двойник организации». Обработанные с его помощью данные позволяют оптимизировать процессы в рамках всей корпорации.
Ньюкасл стал первым городом, у которого появилась виртуальная копия
Airbus и Boeing давно применяют VR при производстве новых моделей

Урбанистический пейзаж

Digital twins стали настолько популярны, что используются уже не только для нужд крупного бизнеса. Государственные органы и муниципальные власти также начинают жить в виртуальном мире. Появились цифровые двойники городов.

Считается, что первая виртуальная копия появилась у Ньюкасла. Это был проект городского университета и компании Northumbrian Water. Сегодня подобные программы реализовали также Сингапур, Глазго, Шанхай и Бостон, Амаравати (столица индийского штата Андхра-Прадеш).

Цифровых двойников используют, чтобы рассчитать эффективную модель застройки, управлять транспортными потоками, следить за изменениями численности населения, поступлением продуктов и даже прогнозировать последствия климатических колебаний.

Виртуальные двойники появились уже и у некоторых островов. Например, шотландские Оркнейские острова используют подобную модель для оценки планов по снижению выбросов углерода.

Существующие копии максимально подробны. Они не только детально прорисовывают каждое здание, но также имитируют выпадение осадков, чередуют пасмурные и солнечные дни.

Правда, пока не все копии существующих городов или иных географических объектов являются полноценными двойниками. Часть из них получает информацию о состоянии оригинала в режиме реального времени, но многие — ретроспективно. В последнем случае данные, которые легли в основу имитационной модели города, необходимо периодически актуализировать или создавать новую копию. Но очевидно, что по мере распространения стандартов связи 5G и выше большинство цифровых двойников начнут обрабатывать информацию с объектов в режиме онлайн.
Deutsche Bahn создает цифрового двойника электропоезда Flirt
Уже несколько городов в мире могут похвастаться существованием своих цифровых двойников
Уже сейчас ничто, кроме размеров облачных хранилищ, не ограничивает масштаб цифрового двойника границами города или острова, пусть и большого. Не случайно уже начались первые эксперименты, которые со временем должны привести к появлению виртуальных копий государств.

Британский центр Digital Built Britain начал создавать сеть цифровых двойников для инфраструктурных проектов по всей стране. Цель — повысить эффективность управления, рентабельность и лучше прогнозировать воздействие городов и предприятий на окружающую среду. Фактически лишь вопрос времени, когда несколько «региональных» двойников сольются в одного.

Но и это еще не предел. Европейская комиссия обнародовала планы создать несколько цифровых близнецов, которые позволят моделировать климат планеты. В 2025 году в ЕС рассчитывают объединить эти пока независимые имитационные модели и создать «полного цифрового двойника Земли». Проект Destination Earth (DestinE) будет опираться на климатические данные и другую информацию об окружающей среде. Это позволит ученым и политикам прогнозировать результаты реализации различных инициатив в области климатической политики.
Александр Гущин,
заместитель директора Мультипрофильного аккредитационно-симуляционного центра (МАСЦ) РНИМУ им. Н.И. Пирогова Минздрава России:
Сегодня уже не только обсуждаются, но и активно внедряются принципы так называемой персонифицированной медицины, когда к каждому конкретному пациенту осуществляется индивидуальный подход в диагностике заболеваний и выборе тактики лечения. При этом учитываются такие тонкие параметры «настроек» организма, как генотип человека, наследственная предрасположенность к различным заболеваниям, типы восприимчивости организма к лекарственным препаратам и многое другое, что ранее в медицине лишь обобщалось и усреднялось.

Инженерные решения в медицине уже сегодня позволяют вживлять в тело человека датчики глюкометрии, кардиографии и т.п. В связи с этим растет объем информации, получаемой от органов и систем организма. Объемы и разнообразие данных, характеризующих состояние пациентов, растут и распространяются от макроуровня до молекулярного. Большие данные ежесекундно пополняются и активно используются учеными и медиками многих стран мира.

Как следствие, технологии, позволяющие работать над созданием цифровых двойников, с успехом применяются в биомедицинских, фармакологических исследованиях, а также в практическом здравоохранении.

Так, в крупном медицинском центре, таком как, например, ФГБУ «НМИЦ АГП им. В.И. Кулакова», много лет интересовались возможностью корректировки генетических мутаций и, как следствие, отклонений в развитии эмбриона и плода человека, но лишь с появлением возможности компьютерного моделирования и создания цифровых двойников, пополняемых накопленными массивами данных, стали возможны существенные прорывы в этих областях. И вот уже группа российских ученых (Денис Ребриков и другие) открыто заявила миру о создании технологии редактирования генома эмбриона.

Другой пример успешного применения цифровых технологий в биомедицинских исследованиях — активная разработка концепции трехмерной предсказательной гистологии, или так называемая теория гистионов. Согласно ей, элементарной единицей многоклеточности является не клетка, а клеточная группа, возникающая в результате разделения труда (функций) между клетками и названная гистионом. При этом ткани — это не массив случайным образом упакованных клеток, а регулярные клеточные решетки (коннектомы), возникающие в результате полимеризации гистионов.

Заглядывая в недалекое будущее, можно смело предположить появление настоящих цифровых двойников, своеобразных медицинских аватаров. Это позволит медикам, например, репетировать введение лекарственных препаратов: как менялись показатели, расскажет уже не живой организм, а его копия. Вскоре каждый человек сможет общаться со своим цифровым двойником, способным сигнализировать ему или врачу о том, как лучше поддержать здоровье. В таких условиях уже медицинская организация сможет заранее оповещать гражданина об изменении его физиологических показателей или о развитии у него заболевания, приглашая пройти обследование. Еще немного, и этого «аватара» можно будет предварительно прооперировать…

Виртуальный близнец

В последнее время в медицине получили широкое распространение датчики, которые можно вживлять в пациентов и получать информацию о состоянии тех или иных жизненно важных органов в режиме онлайн. Например, в Хельсинки группа ученых и инженеров под эгидой GE разрабатывает первое поколение беспроводных датчиков, которые могут отслеживать сердцебиение, артериальное давление и другие параметры.

Технически это дает возможность создать виртуальную копию человека. Цифровой двойник, который болеет и стареет одновременно с оригинальным пациентом, ежедневно может генерировать информацию, которая поможет диагностировать угрозу здоровью как можно раньше. Чем больше будет поступать данных, тем корректнее окажется прогноз, сделанный с помощью такой модели.

«В сфере здравоохранения digital twins могут симулировать отдельные органы или системы органов человека, определенные болезни, патологии. Цифровые двойники позволяют проводить тестирование различных лекарств и экспериментировать с различными видами терапии, не ставя при этом под угрозу жизнь реального животного или человека. На виртуальных копиях с индивидуальными показателями здоровья пациента можно рассчитывать вероятность заболеваний, сценарии течения болезней и эффективность различных видов терапии. Они обеспечивают оперативный контроль состояния здоровья пациента, профилактику и персонализированную терапию различных патологий», — уверен заведующий отделом современных биоматериалов ИРМ Научно-технологического парка биомедицины Сеченовского университета Юрий Ефремов.

Ученым уже вполне по силам со­здавать виртуальные копии отдельных органов. В Университете Шеффилда в прошлом году начали работу над созданием цифровых двойников сердечно-сосудистой системы человека. Проект Echoes («Улучшение кардиологической помощи с помощью обширного зондирования») позволит создать модель сердца пациента, которая будет обновляться на протяжении всей жизни оригинала.

Во французской компании Dassault Systèmes также создают виртуальную копию человеческого сердца. Ее будут использовать для разработки и тестирования новых медицинских устройств и курсов лечения.
Цифровые двойники применяют для борьбы с раком груди, аутоиммунными и сердечно-сосудистыми заболеваниями и даже гриппом
Ученые начали работу над созданием цифровых двойников сердечно-сосудистой системы человека
Исследователи из университетской больницы Линчепинга в Швеции создают цифровых двойников клеток, отвечающих за иммунную защиту организма. Их применяют для борьбы с раком груди, аутоиммунными и сердечно-сосудистыми заболеваниями и даже гриппом.

Появление виртуальной модели всего человеческого организма — это, конечно, будущее. «Он намного сложнее всех разработанных человечеством инженерных конструкций, и это налагает определенные требования и ограничения на создание цифровых двойников здоровья», — напоминает Юрий Ефремов.

Тем не менее европейская комиссия в рамках инициативы Future and Emerging Technologies уже начала работу над проектом по созданию цифровых двойников для каждого жителя Евросоюза — DigiTwins. Курируют его представители немецкой клиники Шарите, Берлинского института здоровья и Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии Франции. Всего в проекте участвуют представители 200 учреждений из более чем 30 стран. Благодаря цифровым двойникам в ЕС рассчитывают сделать медицинскую помощь адресной, подстроенной под биологическую специ­фику каждого жителя союза. По статистике, прописанные лекарства оказываются неэффективны или даже опасны для 40–70% пациентов с распространенными заболеваниями. Но в скором будущем тот или иной курс лечения, который может повредить больному, вначале получится протестировать на двойнике.

КОРОТКО

  • По итогам 2030 года в сфере MR в мире будет трудиться более 23 млн человек против приблизительно 800 тыс. в 2019-м.
  • Взрывной рост спроса на MR был вызван глубокой интеграцией с технологиями интернета вещей.
  • Программы цифровых двойников города уже реализовали Сингапур, Глазго, Шанхай, Бостон, Амаравати.
  • В сфере здравоохранения digital twins могут симулировать отдельные органы или системы органов человека, определенные болезни, патологии.