К вопросам развития цифровых двойников объектов капитального строительства

Звонов И.А., и.о. директора научно-образовательного центра
«Цифровое строительство и эксплуатация», НИУ МГСУ,
Каширина Н.В., специалист научно-образовательного центра
«Цифровое строительство и эксплуатация», НИУ МГСУ

В статье рассмотрены вопросы развития и взаимной интеграции цифровых двойников объектов капитального строительства, информационных моделей, реестрового принципа и параметрического нормирования, установления соответствия между типами цифровых двойников объектов капитального строительства, их структурой, наполняемыми данными, механизмами применения. Приводятся общие описания необходимого междисциплинарного подхода к управлению информацией, определению методологических решений, техническим
и управленческим усилиям, обеспечивающих современное и эффективное использование цифровых двойников и цифровых активов.

В связи с обсуждением возможностей переноса опыта машиностроения и соответствующих наработок, становится особенно актуальным направление цифровой трансформации строительной отрасли, связанное с созданием, развитием и тиражированием технологии цифровых двойников. Цифровые двойники уже используются в промышленности, а общие правила и положения их разработки и применения отражены в ГОСТ Р 57700.37-2021 «Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения».
В соответствии с этим документом, цифровой двойник изделия (ЦД) – это система, состоящая из цифровой модели изделия и двухсторонних информационных связей с изделием (при наличии изделия) и (или) его составными частями [1].
При этом наполнение и функциональность цифрового двойника зависят от соответствующей стадии жизненного цикла изделия: ЦД-Р (цифровой двойник на стадии разработки), ЦД-П (цифровой двойник на стадии производства и ЦД-Э (цифровой двойник на стадии эксплуатации).
Цифровой двойник работает именно с данными, поступающими в реальном времени от сенсорных систем, поэтому предназначен для мониторинга физического актива и повышения его эксплуатационной эффективности, а также для обеспечения возможности предиктивного обслуживания. [2]

Особенности жизненного цикла объекта капитального строительства (далее – ОКС) отличают цифровой двойник по структуре, принципам сбора информации об объекте, формированию информационной модели от аналогичного, используемого в машиностроительной отрасли, поскольку необходимо адекватно отразить начальные характеристики, свойства и их изменения в процессе эксплуатации, ремонтов, реконструкции ОКС.

Стратегия развития строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации на период до 2030 года с прогнозом до 2035 года (далее- Стратегия развития) определяет цифровой двойник как синхронизированную цифровую копию объекта капитального строительства, представляющую собой виртуальную модель, воспроизводящую форму оригинального объекта и все характерные для такого оригинала процессы, что позволяет однозначно идентифицировать все исторические изменения, выполненные для объекта-оригинала, а также прогнозировать жизненный цикл копируемого объекта [3].
Тем не менее, полнота этого определения не позволяет методологически охватить весь спектр вопросов, возникающих на разных этапах жизненного цикла ОКС. Какая изменяющаяся модель, кем и как сформированная, каким задачам физического объекта должна соответствовать? Большой строительной энциклопедией информационная модель определяется как «Цифровая модель объекта на стадии сдачи в эксплуатацию» [4].
Такая модель может быть получена различными способами. Например, некоторые из отечественных экспертов утверждают, что это должна быть проектная модель, дополненная внесенными и согласованными правками.
В целом, это укладывается в определение формирования информационной модели ОКС как процесса сбора, обработки, систематизации, учета и хранения в электронной форме взаимосвязанных сведений, документов и материалов на этапах выполнения инженерных изысканий, осуществления архитектурно-строительного проектирования, строительства, реконструкции, капитального ремонта, эксплуатации и (или) сноса объекта капитального строительства, с использованием информационных систем, обеспечивающих функции передачи данных между субъектами градостроительных отношений и их регистрации, содержащееся в Постановлении Правительства Российской Федерации «Об утверждении Правил формирования и ведения информационной модели объекта капитального строительства, состава сведений, документов и материалов, включаемых в информационную модель объекта капитального строительства и представляемых в форме электронных документов, и требований к форматам указанных электронных документов» № 614
от 17.05.2024г. [5, п.2].
Информационное моделирование полностью реализуется в виртуальной среде, которая отображает физическую среду, но не объединяет данные этих сред в реальном времени.
На сегодняшний день определены свойства цифрового двойника, отличающие его от информационной модели. Это возможность применения данных для управления процессами, планирования действий и мероприятий, обмена данными в реальном времени, контроль за информацией, управление соответствием нормам.

В отличие от этого, технология цифровых двойников предусматривает моделирование в реальном времени, обмен разнородными, многомерными данными между цифровым двойником и соответствующей физической средой. Увеличение наборов данных в цифровом двойнике повышает его значимость и возможности. Именно эти данные, систематизированные и обработанные, становятся инструментом влияния на физический объект в целях его улучшения, оптимизации. В свою очередь, объемы данных определяют управленческие решения на этапах проектирования, строительства и эксплуатации объектов любого масштаба, от помещения до микрорайона.

Важным этапом создания цифрового двойника является создание многоуровневой матрицы требований, для которой необходимо большое количество «формализованных требований к изделию и его составным частям». Также цифровой двойник создается по принципу нейронных сетей, где требования верхних уровней декомпозируются таким образом, чтобы удовлетворение всем требованиям нижних уровней обеспечило удовлетворение требований более высоких уровней [1]. Естественно, часть требований в такой многоуровневой матрице, которая может быть создана для цифрового двойника ОКС, будут являться обязательными требованиями нормативных документов. Если понимать под требованием единичную задокументированную необходимость, которой должен удовлетворять конкретный дизайн, продукт или процесс, то появляется необходимость работы с реестрами требований, что соответствует переходу на реестровый принцип (Постановления Правительства Российской Федерации от 06.02.2021 г. №128 (ред. от 26.08.2023 г. №1393); от 26.08.2023 г. №1389 [6], Реестр требований в области инженерных изысканий, проектирования, строительства и сноса на информационном ресурсе «Стройкомплекс. РФ»).

Принцип, заложенный в основу создания многоуровневой матрицы требований цифрового двойника, удачно соотносится с аналогичным принципом, который обозначен для параметрического метода нормирования.
В Стратегии развития определено: «параметрический метод нормирования – метод установления нормативных требований, при котором установление обязательных требований применяется только к эксплуатационным (функциональным) характеристикам объекта технического регулирования, в том числе к количественным параметрам, вне зависимости от его конструкции и исполнения. При этом способы достижения этих требований устанавливаются на добровольной основе с возможностью применения иных способов на альтернативной основе».

Точное определение параметра как элемента параметрического нормирования не представлено в нормативных документах, однако применительно к рассматриваемой теме
это может быть количественный признак, на основании которого производятся оценка, определение или классификация чего-либо. Параметром может называться некоторая значимая измеримая характеристика системы. Также параметр может являться составной частью требования и служить для определения характеристик, которых необходимо достичь, чтобы выполнить заявленное требование.

Таким образом, если на верхних уровнях многоуровневой матрицы требований для цифрового двойника будут находиться обязательные требования к эксплуатационным (функциональным) характеристикам объекта, то на нижнем уровне могут находиться конкретные параметры, удовлетворение которым будет обеспечивать исполнение указанных обязательных требований.

Метод параметрического нормирования также может оказаться удобным с точки зрения создания цифровых двойников и в связи с тем, что параметр (особенно, количественный) легко формализовать (сделать понятным для информационной системы), и следовательно, интегрировать в информационную модель. Здесь возникает ряд сложных задач, связанных с определением требования как «единичной задокументированной необходимости», т.к. зачастую требования представлены не количественно, а качественно. Как «разделить» требование на параметры или как определить достаточно четко параметры, исполнение которых будет обеспечивать соблюдение требования. Но как любая процессная инновация, работа с реестрами требований в цифровом виде и интеграция их в информационные модели, вначале может оказать отрицательное влияние на производительность за счет временных затрат на обучение сотрудников и перестройку привычных схем работы [7].
Однако подобный подход не предполагает больших инвестиций за счет того, что уже существуют типовые решения для работы с реестрами требований (в частности, в справочных системах), и основная сложность заключается в разработке алгоритмов работы с существующими решениями для специалистов на местах. При этом внедрение в практику использования реестров нормативных требований уже способно сократить время на проектирование за счет автоматизации процесса подбора, анализа, актуализации требований [8]. А в случае апробации подобных решений в дальнейшем можно будет настроить алгоритмы работы, которые позволят автоматизировать специфические для отрасли задачи, а также подготовить фундамент для разработки и функционирования многоуровневой матрицы требований для цифрового двойника.

Если представить цифровой двойник с интегрированными в него требованиями и параметрами, то можно обозначить основные преимущества их применения:

• уточнение данных на этапах изысканий и проектирования;
• регламентированный обмен реальными данными между участниками инвестиционно-строительной деятельности и цифровым двойником;
• увеличение возможностей формирования исполнительной документации в цифровом виде;
• увеличение объема и повышение точности данных, передаваемых в эксплуатацию;
• совершенствование логистики материально-технического снабжения строительства;
• регулирование интеракции информационной модели на всех этапах жизненного цикла;
• обеспечение возможности проведения практически любых видов мониторинга и контроля на любых этапах строительства и эксплуатации;
• повышение безопасности строительства за счет четкой и своевременной привязки требований технических регламентов;
• повышение эффективности технической эксплуатации зданий за счет более правильного и обоснованного планирования эксплуатационных мероприятий.

С учетом изложенного можно сделать вывод о необходимости внедрения реестра нормативных требований (далее- РНТ) в практику на всех этапах жизненного цикла ОКС. Это позволит не только ускорить процессы, связанные с исполнением нормативных требований, но и повысить качество выполняемых работ. При этом РНТ могут создаваться самим регулятором, разработчиками справочных систем или сотрудниками компании (для внутреннего пользования). Возможности существующих справочных систем позволяют создавать собственные РНТ в виде «Облаков знаний» в папках пользователей.
Пилотные проекты в области управления требованиями реализованы в машиностроении (КАМАЗ), железнодорожном транспорте (НП «Объединение производителей железнодорожной техники»), нефтегазовой отрасли («Лукойл») [9]. В НИУ МГСУ научно-образовательным центром «Цифровое строительство и эксплуатация» совместно с АО «Кодекс» разработан методический инструментарий, в основе которого лежит создание цифрового РНТ в виде «Облака знаний»
(в системе «Техэксперт») для автоматизации процесса контроля качества (оценки соответствия выполненных работ нормативным требованиям) на этапе строительства ОКС.

Количество успешных применений цифровых двойников в строительстве пока невелик,
но число исследований в данной области продолжает расти. В настоящее время, цифровой двойник обсуждается только в сравнении с информационной моделью здания, в разрезе возможностей его применения на всех этапах жизненного цикла.
Отраслевые эксперты высоко оценивают потенциальные возможности цифрового двойника,
но только при условии формирования единого понимания его целей, структур, возможностей, нормативных требований и пр. Первостепенным является понимание целей и задач.
Для применения цифрового двойника ОКС необходима его информационная модель, соответствующее программное обеспечение, подготовленные специалисты, выстроенное взаимодействие между участниками строительных проектов, поддерживаемая культура
работы с данными и системность всей работы. Со временем технология цифровых двойников полностью заменит информационное моделирование в строительстве.

Список использованных источников

1. ГОСТ Р 57700.37-2021 Компьютерные модели и моделирование. Цифровые двойники изделий. Общие положения — docs.cntd.ru
2. Khajavi, Siavash H., et al. «Digital twin: vision, benefits, boundaries, and creation for buildings.» IEEE Access 7 (2019): 147406-147419
3. Стратегия развития строительной отрасли и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации на период до 2030 года с прогнозом до 2035 года \ КонсультантПлюс.
4. Большая строительная энциклопедия// https://stroi.gov.ru/encyclopedia
5. Постановление Правительства РФ от 17.05.2024 г. № 614 «Об утверждении Правил формирования и ведения информационной модели объекта капитального строительства, состава сведений, документов и материалов, включаемых в информационную модель объекта капитального строительства и представляемых в форме электронных документов, и требований к форматам указанных электронных документов»/ КонсультантПлюс.
6. Постановление Правительства РФ от 06.02. 2021 г. № 128 «Об утверждении Правил формирования, ведения и актуализации реестра обязательных требований» (ред. от 26.08.2023 г. №1393) / КонсультантПлюс; Постановление Правительства РФ от 26.08.2023 г. №1389 «Об утверждении Правил создания, развития, эксплуатации и ведения единой государственной информационной системы обеспечения градостроительной деятельности «Стройкомплекс. РФ», о внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации и о признании утратившими силу отдельных положений постановления Правительства Российской Федерации от 28 сентября 2020 г. N 1558»(с изменениями на 5 августа 2024 года) — docs.cntd.ru.
7.  Домнич Е. «Влияние продуктовых и процессных инноваций на производительность: обзор эмпирических исследований»//Форсайт, 2022. Т. 16. № 3. С. 68-82.
8. Тихомиров С.Г. Требования// Стандарты и классификаторы в цифровом измерении// Журнал «Connect», 2021, №1-2, https://kodeks.ru/news/read/trebovaniya-standarty-i-klassifikatory-v-cifrovom-izmerenii?ysclid=lpms53wsa2756694017
9. Онлайн-конференция «Машиночитаемые стандарты: перспективы применения в промышленности» 25 февраля 2021 год. URL: http://rgtr.ru/data/events/2021/маш_стандарты_25.02.2021/МАШСТАНДАРТЫ_отчет_буклет.pdf