Что такое цифровое моделирование
Цифровые модели и двойники: почему за ними будущее и где учат с ними работать
В этом году более тысячи студентов впервые в России получат квалификацию в сфере создания цифровых моделей и двойников. Уникальный сетевой курс, в котором участвуют вузы из разных регионов страны, а также Молдавии, Казахстана и Беларуси, проводит Университет 2035 в сотрудничестве с центром компетенций НТИ Санкт-Петербургского политехнического университета им. Петра Великого. Программа состоит из академического, практического и проектного этапов. Рассказываем, как и зачем студентам, вузам и компаниям участвовать в проекте.
Образовательная программа Цифровые модели и двойники состоит из нескольких этапов. Первый этап обучения проходит бесплатно и доступен в режиме онлайн. На нем студенты могут выбрать один из трех модулей:
Бакалавры, прошедшие аттестацию этого этапа, получают сертификат с оценкой, магистры – удостоверение о повышении квалификации от вузов-партнеров. В проекте участвуют МГТУ «СТАНКИН», СПбГУ и экономический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова.
Из-за популярности курса набор проводится в несколько волн. Первый этап прошли более тысячи студентов. Второй и третий этапы пройдут этой осенью. Они включают практическую работу в команде над проектами для индустриальных партнеров из бизнеса и госорганов. Это позволит научиться работать с конкретным ПО, а также платформенными решениями, и создать MVP или прототип для решения поставленной заказчиком задачи. Например, для проверки гипотезы PoC (Proof of Concept) разработки опытного образца цифрового двойника объекта или части производственного процесса, VR/AR-среда, 3D-модели и т.д. В случае успеха сложившаяся стартап-команда может получить предложение о работе от индустриального партнера, для которого делает проект.
Те, кто пройдет вторую и третью ступень, получат по сути не просто повышение квалификации, а новую профессию, а предприятие – готовую команду для реализации проекта. Это первый в России подобный курс, и он включает не только создание цифровых двойников и управление ими, но также и широкий спектр цифрового моделирования в разных областях и для различных индустрий.
Второй и третий этапы курса также бесплатны для студентов. За обучение платят вузы, участвующие в программе, или технологические партнеры, для которых студенческие команды выполняют проекты.
Программа “Цифровые модели и двойники” – один из самых востребованных продуктов Университета 2035. Сейчас мы работаем с более чем 80 вузами-участниками программы. По окончании командных этапов обучения успешно завершившие их студенты также получат удостоверение о ДПО.
Цифровой двойник (англ. digital twin) – виртуальный аналог реального объекта либо процесса. Это компьютерная модель, которая в своих ключевых характеристиках дублирует его и способна воспроизводить его состояния при разных условиях. Фактически, это «мостик» между цифровой реальностью физическим миром.
Стоит отличать цифрового двойника от цифровой модели. Первые применяются, в основном, на производстве и служат для «описания» конкретного узла или агрегата. Их задача более конкретна. В то время как вторым можно поручить более общие задачи. Например, анализ поведения покупателей, моделирование ситуаций, проработка процессов в сфере гостеприимства или создание VR-сервисов. Есть также цифровая тень – она способна предсказать поведение реального объекта – но только в тех условиях, в которых осуществлялся сбор данных. Не позволяет моделировать ситуации, в которых реальный объект не эксплуатировался, однако она и несколько проще полноценного двойника.
Условно цифровые двойники можно разделить на три типа:
Главным образом, все двойники служат двум целям.
Первая цель – недорого провести сложные эксперименты. В этом случае не создаются физические объекты – а их заменяет инженерная компьютерная модель, помещенная в особую математическую среду, имитирующую условия реальной. И уже на ней проводятся эксперименты, что позволяет сразу отделить удачные решения от заведомо тупиковых вариантов. А это, в свою очередь, значительно удешевляет НИОКР.
Вторая цель – когда возникает необходимость проверить механизм, до которого трудно добраться или измерить параметры процесса, который сложно засечь. Такие исследования могут проводиться в любой сфере: производственной, металлургии, нефтедобывающей и так далее.
Жизненныи цикл [продукта] можно представить следующими этапами: сначала создается цифровая копия, потом на ее основе создается физическии объект, которыи начинает обмениваться данными с цифровым; на дальнеиших этапах функционирования объекта физический и цифровой двойники работают в связке (Из книги “Цифровой двойник. Анализ, тренды, мировой опыт”).
«Создается модель, цифровой двойник процесса или объекта. На сам объект устанавливают датчики в определенных узлах – и они передают информацию на цифрового двойника. Который уже находится в смоделированной среде, и на основе поступающих данных сам цифровой двойник обучается. Далее уже он выдает свою информацию о том, что может произойти с объектом или его узлом. Таким образом, можно либо регулировать параметры, либо формировать рекомендации того, что нужно сделать с реальным объектом, чтобы избежать возможных проблем», – пояснил Эдуард Хамаза.
Спектр применения технологии ЦМД достаточно широк: ведь с их помощью можно проверить состояние любого оборудования, на которое во время работы невозможно посмотреть. Например, систему вентиляции, водоотведения, турбину. Или же проследить за процессом варки и отлива стали на всех этапах. Двойники помогут понять, что может пойти не так и каким образом избежать издержек.
В металлургии есть успешные кейсы: при сталеварении на одном предприятии была проблема – они не улавливали определенного момента температуры. Из-за этого происходила большая потеря самого материала – он просто выплескивался из печей. Был создан цифровой двойник, настроены датчики. Система регулировала точную температуру в необходимый момент. Так удалось избежать потерь и сэкономить.
Потому цифровые двойники применяют в промышленности, на производствах и во многих других сферах, включая даже образование. Если абстрагироваться от производственной сферы, то, в первую очередь, стоит обратить внимание на сектор энергетики. Здесь цифровые двойники используются для создания, например, виртуальных ветряных электростанций. С помощью компьютерной модели можно подобрать оптимальные параметры работы для каждого ветрогенератора с учетом местности, в которой он расположен и даже времен года. А с другой стороны, на основе полученных с установок данных – использовать двойник, чтобы создать новые турбины, наиболее эффективные в специфических условиях каждого конкретного региона.
Не осталась в стороне и городская среда.
В виртуальном пространстве можно выстроить отдельный квартал, район или даже целый город. Технология поможет планировщикам лучше понимать различные факторы, влияющие на качество жизни горожан. И позволит выработать алгоритмы для решения текущих проблем – например, как снизить энергопотребление без потери комфорта граждан. Своя цифровая копия есть, например, у Сингапура – и едва ли она долго будет оставаться единственной в своем роде.
Поскольку технологии цифрового моделирования помогают создавать имитации реальных событий и ситуаций, они просто незаменимы в сфере гостеприимства. Технология способна значительно повлиять на развитие индустрии. Например, если создать модель ресторана быстрого питания и понаблюдать за загруженностью в разные часы, а также проанализировать людские потоки вокруг – можно сделать так, чтобы ресторан работал продуктивнее. Тестируя различные варианты, можно сократить ротацию кадров, создать более благоприятные условия как для сотрудников – так и для посетителей.
Технология цифровых двойников сравнительно недавно пришла в сферу розничной торговли. Однако здесь она оказалась столь же полезной, как и в ресторанно-гостиничном бизнесе. Особенно в том, что касается моделирования поведения посетителей магазинов. Собирая детализированные реальные данные из физических магазинов розничной сети, можно лучше понять поведение покупателей, а в дальнейшем разработать алгоритмы для снижения количества краж, предотвращения конфликтных ситуаций и увеличения времени нахождения клиента в зале.
Незаменимы ЦМД и в здравоохранении. Ведь если создать виртуальный образ человеческого тела, можно получить уникальные данные. Например, представление о состоянии здоровья человека в течение его жизни.
Благодаря «цифровому пациенту» врач сможет лучше понимать генезис хронического заболевания, анализировать влияние негативных факторов и многое другое. Безусловно, до появления цифровой модели целого человека еще далеко – но вот отдельные части тела уже «оцифровывают». В компании Philips разработали приложение HeartModel, которое формирует детализированное 3D-изображение человеческого сердца на основе УЗИ снимков.
«Сейчас одна из основных идей – реализовать цифровой двойник университета. Система будет точно знать, сколько человек и в какой аудитории находится в каждый момент времени. Таким образом, можно будет просчитать полную логистику внутри учреждения. И на основе электронной модели составить расписание, которое бы позволило более оптимально использовать имеющиеся помещения. Это может быть не только университет – любая другая организация», – сказал Эдуард Хамаза.
Если говорить про сферу машиностроения, то внедрение технологии цифровых двойников позволит обеспечить сокращение сроков вывода на рынок новых продуктов до пяти лет с момента формирования технического задания на продукт. Такой результат будет достижим в совокупности с другими лучшими технологиями, имеющимися на рынке, считает заместитель генерального директора и генеральный конструктор АО «ОДК» Юрий Шмотин. Цифровые двойники также позволят проводить работы по модернизации существующих изделий значительно быстрее – в сроки, не превышающие два года.
Трехмерное моделирование в современном мире
Сегодня я расскажу вам о том, что такое 3D-моделирование, каким оно бывает, где его применяют и с чем его едят. Эта статья в первую очередь ориентирована на тех, кто только краем уха слышал, что такое 3D-моделирование, или только пробует свои силы в этом. Поэтому буду объяснять максимум «на пальцах».
Сам я технический специалист и уже более 10 лет работаю с 3D-моделями, поработал более чем в 10ке различных программ разных классов и назначений, а также в различных отраслях. В связи с этим накопился определенный helicopter view на эту отрасль, с чем и хотел с вами поделиться.
3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или полностью перестроив некоторые виды бизнеса. В каждой отрасли, в которую 3D-моделирование принесло свои изменения, имеются как свои определенные стандарты, так и негласные правила. Но даже внутри одной отрасли, количество программных пакетов бывает такое множество, что новичку бывает очень трудно разобраться и сориентироваться с чего начинать. Поэтому, для начала давайте разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где они применяются.
Можно выделить 3 крупные отрасли, которые сегодня невозможно представить без применения трехмерных моделей. Это:
Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники.
Чем больше полигонов на площадь модели, тем точнее модель. Однако, это не значит, что если модель содержит мало полигонов (low poly), то это плохая модель, и у человека руки не оттуда. Тоже самое, нельзя сказать про то, что если в модели Over999999 полигонов (High poly), то это круто. Все зависит от предназначения. Если, к примеру, речь идет о массовых мультиплеерах, то представьте каково будет вашему компьютеру, когда нужно будет обработать 200 персонажей вокруг, если все они high poly?
Полигональное моделирование происходит путем манипуляций с полигонами в пространстве. Вытягивание, вращение, перемещение и.т.д.
Пионером в этой отрасли является компания Autodesk (известная многим по своему продукту AutoCAD, но о нем позже).
Продукты Autodesk 3Ds Max, и Autodesk Maya, де-факто стали стандартом отрасли. И свое знакомство с 3D моделями, будучи 15-летним подростком, я начал именно с 3Ds Max.
Что же мы получаем на выходе сделав такую модель? Мы получаем визуальный ОБРАЗ. Геймеры иногда говорят: «я проваливался под текстуры» в игре. На самом деле вы проваливаетесь сквозь полигоны, на которые наложены эти текстуры. И падение в бесконечность происходит как раз потому, что за образом ничего нет. В основном, полученные образы используются для РЕНДЕРА (финальная визуализация изображения), в игре / в фильме / для картинки на рабочем столе.
Собственно, я в свое время и пытался что-то «слепить», чтобы сделать крутой рендер (тогда это было значительно сложнее).
Кстати о лепке. Есть такое направление как 3D-sсulpting. По сути, тоже самое полигональное моделирование, но направленное на создание в основном сложных биологических организмов. В ней используются другие инструменты манипуляций с полигонами. Сам процесс больше напоминает чеканку, чем 3D моделинг.
Если полигональная модель выполнена в виде замкнутого объема, как например, те же скульптуры, то благодаря современной технологии 3D-печати (которая прожует почти любую форму) они могут быть воплощены в жизнь.
По сути, это единственный путь для полигональных 3D моделей оказаться в реальном мире. Из вышеописанного можно сделать вывод, что полигональное моделирование нужно исключительно для творческих людей (художников, дизайнеров, скульпторов). Но это не однозначно. Так, например, еще одной крупной сферой применения 3D моделей является медицина, а именно- хирургия. Можно вырастить протез кости взамен раздробленной. Например, нижняя челюсть для черепашки.
У меня нет медицинского образования и я никогда ничего не моделил для медицины, но учитывая характер форм модели, уверен, что там применяется именно полигональное моделирование. Медицина сейчас шагнула очень далеко, и как показывает следующее видео, починить себе можно практически все (были бы деньги).
Конечно, используя полигональное моделирование, можно построить все эти восстанавливающие и усиливающие элементы, но невозможно контролировать необходимые зазоры, сечения, учесть физические свойства материала и технологию изготовления (особенно плечевого сустава). Для таких изделий применяются методы промышленного проектирования.
По правильному они называются: САПР (Система Автоматизированного ПРоектирования) или по-английский CAD (Computer-Aided Design). Это принципиально другой тип моделирования. Именно на нем я специализируюсь уже 8 лет. И именно про него я буду вам в дальнейшем рассказывать. Чем этот метод отличается от полигонального? Тем, что тут нет никаких полигонов. Все формы являются цельными и строятся по принципу профиль + направление.
Базовым типом является твердотельное моделирование. Из названия можно понять, что, если мы разрежем тело, внутри оно не будет пустым. Твердотельное моделирование есть в любой CAD-системе. Оно отлично подходит для проектирования рам, шестеренок, двигателей, зданий, самолётов, автомобилей, да и всего, что получается путем промышленного производства. Но в нем (в отличии от полигонального моделирования) нельзя сделать модель пакета с продуктами из супермаркета, копию соседской собаки или скомканные вещи на стуле.
Цель этого метода — получить не только визуальный образ, но также измеримую и рабочую информацию о будущем изделии.
CAD – это точный инструмент и при работе с CAD, нужно предварительно в голове представлять топологию модели. Это алгоритм действий, который образует форму модели. Вот, как раз по топологии, можно отличить опытного специалиста от криворукого. Не всегда задуманную топологию и сложность формы можно реализовать в твердотелке, и тогда нам на помощь приходит неотъемлемая часть промышленного проектирования — поверхностное моделирование.
Топология в поверхностях в 10 раз важнее, чем при твердотельном моделирование. Неверная топология – крах модели. (напоминаю, что это статья обзорная и для новичков, я не расписываю тут нюансы). Освоение топологии поверхностей на высоком уровне, закрывает 70% вопросов в промышленном моделировании. Но для этого нужно много и постоянно практиковаться. В конечном итоге, поверхности все равно замыкаются в твердотельную модель.
Со временем приходит понимание наиболее удобного метода при моделировании того или иного изделия. Тут полно лайф-хаков, причем у каждого специалиста есть свои.
ВАЖНО: использование CAD без профильного образования не продуктивно! Я сам много раз наблюдал, как творческие люди, или мастера на все руки пытались проектировать. Да, конечно они что-то моделировали, но все это было «сферическим конем в вакууме».
При моделировании в CAD, помимо топологии, необходимо иметь конструкторские навыки. Знать свойства материалов, и технологию производства. Без этого, все равно, что подушкой гвозди забивать, или гладить пылесосом.
В CAD мы получаем электронно-геометрическую модель изделия.
(Напоминаю, что при полигональном моделировании мы получаем визуальный образ)
цифровое моделирование
3.8 цифровое моделирование: Способ использования различных математических методов на электронно-вычислительных машинах для достижения акустической симуляции (см. 3.1).
Смотри также родственные термины:
61 цифровое моделирование рельефа: Создание цифровой модели рельефа и ее использование.
1 Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции структурных линий и линий перегиба склонов; оконтурирования водосборных бассейнов; интерполяции высот; построения горизонталей и иных изолиний по множеству значений отметок высот (глубин); анализа видимости/невидимости; построения вертикальных профилей сечения рельефа, трехмерных изображений, в том числе блок-диаграмм; автоматизации отмывки рельефа; цифрового ортотрансформирования снимков и других вычислительных операций и графоаналитических построений.
2 Методы и алгоритмы создания и обработки цифровой модели рельефа применимы к иным физическим или статистическим рельефам и полям.
Полезное
Смотреть что такое «цифровое моделирование» в других словарях:
цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN digital simulation … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование — skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. digital simulation; numerical modelling vok. digitale Simulation, f; numerische Simulation, f rus. цифровое моделирование, n; численное моделирование, n pranc. simulation… … Automatikos terminų žodynas
Цифровое моделирование — способ исследования реальных явлений, процессов, устройств, систем и др., основанный на изучении их математических моделей (См. Математическая модель) (математических описаний) с помощью ЦВМ. Программа, выполняемая ЦВМ, также является… … Большая советская энциклопедия
цифровое моделирование в реальном масштабе времени — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN real time digital simulationRTDS … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1. Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции структурных линий и линий перегиба… … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — 61 цифровое моделирование рельефа: Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1 Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
аналоговое [аналого-цифровое] моделирование — Моделирование процессов и объектов с помощью средств аналоговой [аналого цифровой] вычислительной техники. [ГОСТ 18421 93] Тематики аналоговая и аналого цифровая выч.техн … Справочник технического переводчика
аналого-цифровое моделирование — analoginis skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. analog digital simulation vok. analog digitale Simulation, f rus. аналого цифровое моделирование, n pranc. simulation analogique numérique, f … Automatikos terminų žodynas
аналого-цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN analog digital simulation … Справочник технического переводчика
Моделирование — Моделирование исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих… … Википедия
Цифровое моделирование
Смотреть что такое «Цифровое моделирование» в других словарях:
цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN digital simulation … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование — 3.8 цифровое моделирование: Способ использования различных математических методов на электронно вычислительных машинах для достижения акустической симуляции (см. 3.1). Источник: ГОСТ Р 53737 2009: Нефтяная и газовая промышленность. Поршневые… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
цифровое моделирование — skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. digital simulation; numerical modelling vok. digitale Simulation, f; numerische Simulation, f rus. цифровое моделирование, n; численное моделирование, n pranc. simulation… … Automatikos terminų žodynas
цифровое моделирование в реальном масштабе времени — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN real time digital simulationRTDS … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1. Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции структурных линий и линий перегиба… … Справочник технического переводчика
цифровое моделирование рельефа — 61 цифровое моделирование рельефа: Создание цифровой модели рельефа и ее использование. Примечания 1 Обработка цифровой модели рельефа служит для получения производных морфометрических показателей; расчета и построения линий тока; экстракции… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
аналоговое [аналого-цифровое] моделирование — Моделирование процессов и объектов с помощью средств аналоговой [аналого цифровой] вычислительной техники. [ГОСТ 18421 93] Тематики аналоговая и аналого цифровая выч.техн … Справочник технического переводчика
аналого-цифровое моделирование — analoginis skaitmeninis modeliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. analog digital simulation vok. analog digitale Simulation, f rus. аналого цифровое моделирование, n pranc. simulation analogique numérique, f … Automatikos terminų žodynas
аналого-цифровое моделирование — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN analog digital simulation … Справочник технического переводчика
Моделирование — Моделирование исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих… … Википедия