دوقلو دیجیتال (Digital Twin) چیست؟

دوقلو دیجیتال (Digital Twin) در بحث شهر هوشمند در حال جلب توجه در سطح جهانی است تا راه های تازه ای برای افزایش پایداری به طرح های شهری و برنامه های آن و همچنین کیفیت زندگی برای شهروندان را بهبود دهد. هنگام جستجو برای بررسی پتانسیل‌های دوقلوی دیجیتال شهری در راستای هوشمندسازی آن‌ها، باید مشخص کنیم که شهر های هوشمند به دنبال چه منافعی برای شهروندان و برنامه ریزان هستند. به طور نمونه یک شهر هوشمند به واسطه سه قسمت تکنولوژی، منابع انسانی و ساختار سازمانی میتواند مورد بررسی قرار گیرد. در این فرآیند، حیطه های اصلی فعالیت که مشتمل بر حمل و نقل، محیط زیست، انرژی، بهداشت و درمان، امنیت، ایمنی و آموزش میباشد. چهار پیش نیاز کلیدی به عنوان ضرورت توسعه شهرهای هوشمند عنوان شده که عبارتند از برنامه ریزی، زیرساخت فیزیکی، زیرساخت فناوری اطلاعات و ارتباطات و راه حل های هوشمند علاوه براین مسائل انجام راهکارهای هوشمند دیگری نیزافزوده شدند که به ترتیب: مدیریت فاجعه و بحران، خدمات گردشگری و فرآیندهای اقتصادی میباشند.

نگرش شهر هوشمند در حقیقت همراهی برایافزایش پایداری شهرها از جنبه های زیست محیطی و اقتصادی و همچنین بهبود ارائه خدمات به شهروندان است. علاوه بر این گسترش شهر هوشمند را میتوان رویه آماده سازی برای زیرساخت‌های اقتصادی، اجتماعی و سازمانی معرفی می‌شود و به منظور بهبود و تغییر کیفیت زندگی (life quality)، توسعه اقتصادی (economic development) و اجتماعی (social) و نیز منابع طبیعی (natural resources)استفاده میشود. آینده نگری ها فواید توسعه شهر هوشمند تقریبا همه فعالیت های شهری و قسمت های آن را چه بخش اجتماعی، اقتصادی و چه زیست محیطی باشد در برگیرد و یا توسعه‌های کالبدی، سازمانی و انسان محور را در برگیرد.
شهر هوشمند بهره گرفته از هوش فیزیکی-سایبری معرفی میشود تا عملکردهای شهری، تامین شغل و رضایت عموم را بهبود بخشد. در نتیجه بهره گیری از توسعه تکنولوژی در شهرهای هوشمند است و در نتیجه بررسی این پیشرفت‌، دوقلو دیجیتال (Digital Twin)معرفی شد که یک عامل مهم عنوان می‌شود. کارشناسان براین باورند دوقلو دیجیتال (Digital Twin) در سطح شهر همه بخش ها و فرایند را روی یک سکوی دیجیتال که بررسی، فهم و قابلیت اجرایی شهر را زیر نظر داشته باشد و متعاقبا توسعه شهر هوشمند را راهبری نماید. ازاین تکنولوژی انتظار می‌رود که مدیریت شهری و عملکرد آن را بهبود دهد تا شهری پایدارتر و هوشمندتر و همچنین کیفیت بهتر زندگی ساکنان به نتیجه برسد.

تفاوت مدل سه بعدی و دوقلو دیجیتال

توافتی آشکار بین دوقلوی دیجیتال و مدل‌های سه بعدی و بحث های برنامه ریزی شهری وجود دارد. لازم است تا همه قابلیت های احتمالی برای دوقلوی دیجیتال شهر هوشمند آشکار وشناخته شود.

برخلاف بررسی های گسترده‌ در ارتباط با دوقلوی دیجیتال در زمینه‌های صنعت و ساخت و تولید، پیچیدگی هایی در تفاوت میان دوقلوی دیجیتال در حقیقت آینه ای منتشرشده (mirrored) با الگوهای دیجیتال و «سایه»ها وجود دارد. در همین حال، کریتزینگر دوقلوی دیجیتال را براساس میزان بهم پیوستگی اطلاعات میان مدل دیجیتال و فیزیکی، به میزان همبستگی کامل یا مشترک متفاوت شده اند. خطی آشکار باید میان الگو های سه بعدی و BIM از یک جهت و دوقلوی دیجیتال از سمت دیگر رسم شود. کلا، یک الگو سه بعدی نوعی تصور دیجیتال از برنامه فیزیکی است؛ چه طرح یک ساختمان، زیرساخت، یا یک شهر باشد. عملا این کار سبب بهبود بهره‌وری و تاثیرگذاری کارشناسان AEC می‌شود. در نتیجه برنامه‌ریزان شهری در حین طول عمر پروژه که مشمول طراحی، ساخت، نگهداری و حتی بازاریابی فعالیت می‌کنند. همچون یکی از فناوری‌های کلیدی در AEC، الگوی BIM مانند یک رویه باهوش تر از الگو سازی سه بعدی بوجود آمده که همه داده های آن ساختار فیزیکی را در هم می آمیزند و مدیریت می‌کند و سبب کاهش قابل تامل هزینه و زمان می‌شود. میان فواید بسیار BIM، کاهش اشتباهات، بهبود همکاری‌ها و تکثیر تصویر سازمان، آشناترین عناوینی است که توسط پیمانکاران عمرانی بیان میشود. به تازگی، فوایدBIM ظاهراً پیرامون بهره گیری از ابزارهای واقعیت مجازی و الگو های یادگیری شبکه عصبی مستحکم می‌شود تا روابط کاری را بهبود بخشد و مدیریت تصمیم را در زمان ساخت پروژه‌ها پشتیبانی نماید.

همینطور پیش بینی می‌شود که ادغام BIM با سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS)، فواید الگوسازی ساختمان‌ها و محیط اطرافشان را ترکیب کند اما موارد استفاده اش در سطح شهری در کنار وجود سایر مسائل مانند استفاده ی اطلاعات میانی، استانداردهای باز و به کارگیری تجسم دیداری همچنان بدون مصرف باقی می‌ماند.
از جهات دیگر، دوقلوی دیجیتال شهری می‌تواند در غالب یک فرصت ویژه برای بهبود برنامه ریزی شهری و عملکردش بیان شود. این ذهنیت بر پایه مفهوم توسعه ی یک تصویر متقارن دیجیتال از شهر است که در آن همه المان هایی که یک شهر را بوجود می آورد به عنوان الگو مجازی وجود دارد. بهره اصلی دوقلوی دیجیتال در مقایسه با BIM، روابط بین واقعیت کالبدی و مدل دیجیتالی است. در مدل BIM، داده های هندسی و زمانی یک مورد کالبدی در بر گرفته می‌شود زمانیکه همچنان نیاز به وارد کردن اطلاعات به صورت غیر اتوماتیک برای به آپدیت است و این به علت عدم وجود پیوند بین این مدل و واقعیت کالبدی است. درحالیکه بهره گیری از دوقلوی دیجیتال می‌تواند روابط مشترکی را بین دو الگو فراهم سازد.

4) پتانسیل‌های دوقلو دیجیتال (Digital Twin) شهری

تحلیل موضوعی پژوهش ها با عنوان دوقلوی دیجیتال شهری پنج موضوع را مشخص میکند که شامل: مدیریت اطلاعات، تصور، دانش موقعیتی، برنامه‌ریزی و دوراندیشی و بهم پیوستگی و همکاری از روش این موضوعات، استعداد فهم حاصل شده و موارد استفاده‌ در بهره گیری از موضوع دوقلوی دیجیتال شهری می‌تواند استنباط شود و در نتیجه یک فهرست تحقیقی معرفی گردد تا فواید دوقلوی دیجیتال شهری را نمایان کند.

1-4) مدیریت اطلاعات در دوقلوی دیجیتال شهری

مدیریت اطلاعات به عنوان نخستین و شالوده اصلی مفهوم دوقلوی دیجیتال شهری است. به واسطه وجوه زیاد شهر و مقادیر گسترده اطلاعات نامتوازن که می‌تواند در زمینه شهر تولید و جمع‌آوری شود، توانایی مدیریت و تحلیل داده‌های شهری قابل توجه است. برای پاسخ دادن به اطلاعات ناهمگون، بهره گیری از متد شناخت ماهیت برای بهبود توانایی همکاری به صورت موضوعی و تضمین پایبندی به گسترش اطلاعات در آینده توصیه می‌شود. گسترش طراحی سیستمی چند بخشی برای مدلهای دیجیتال شهری نیز توصیه شد تا انواع متفاوت اطلاعات را در الگو دوقلوی شهری را مدیریت و بهم پیوسته نمایند. علاوه بر این، گرچه اطلاعت زیرساخت تعیین کننده از منظر زمینه مناسبی از دسترسی و کیفیت دارای فقدان هستند، توصیه شد تا آنها نماینده ای برای قابلیت روابط به دلیل توانایی یکپارچه شدن مدل‌های بسیاری از اطلاعات باشد. اگرچه مقادیر زیاد اطلاعات تحصیل شده از شهر شامل مسائلی در مدیریت و اجرای دوقلوهای دیجیتال است، به ویژه در درجه شهری.

برای نظارت بر میزان ذخیره ی اطلاعات دوقلو دیجیتال (Digital Twin) و کاهش هرچه بیشتر اشکالات در الگوی آن، توصیه شد تا روش های فرآیندمحور در مدلسازی سه بعدی شهر بهره گیری شود. علاوه برآن، در سال 2020 به مزایای ادغام روش های یادگیری ماشین با الگوسازی معنایی اشاره شده که اطلاعات ناهمگون و متادیتا ها را مدیریت نمایند. در عین حال ایجاد یک الگو در درجه شهری زمان‌بر است،ژوات آل تکنیکی را جهت تقلیل زمان گسترش آن الگو از داخل ابر نقاط لیدار توصیه کردند اما مدل آنها نمی‌تواند در اشیاء غیر مشابه پردازش شود و درنتیجه ارورهایی برمیگرداند. بهره گیری از ابرنقاط برای الگوسازی هم دارای فرصت است و هم تهدید.

به عنوان نمونه، این روش نمایش اشیاء نامتداول را بدون رابطه توپولوژیکی ایجاد می‌کند. همچنین تعدد ابر نقاط تحلیل داده، فشرده‌سازی و انباشت کردن آن را سهل می‌کند. همچنین زمینه تجسم کلان اطلاعات فضا-زمانی را بسط دادند که از ادغام GIS و BIM بهره میبرد تا اطلاعات شهری با منبع متمایز را تحلیل، پردازش، منسجم و مجسم نماید. به علاوه، با اتصال الگو با اطلاعاتی زیاد برای ساختن یک الگو اطلاعاتی شهری، اطلاعاتی بدون پردازش زمینی یکپارچه در طول زمان تولید شد. بیشتر فرصت ها و پیشرفت‌ها تاکنون از روش دوقلوی دیجیتال شهری در زمینه مدیریت اطلاعات بدست آمده است هرچه بعضی مسائل همچنان مخالف بهره گیری کامل از فواید آن شده است. به عنوان نمونه برای بررسی و یکپارچه‌سازی اطلاعات ناهمگون در بحث های مختلف شهر، استانداردسازی اطلاعات و همچنین چارچوب‌های اشتراک داده برای بهبود مبادله اطلاعات بین اپلیکیشن‌های نرم افزاری یکی از مسائل مهم است.

تجسم دیداری

اولین نقش در مدلسازی شهری، بهبود تجسم دیداری شهر است. تجسم دیداری بهبود یافته فهم بهتری را از محیط شهری و تقلیل مشکلات طراحی ارائه می‌دهد. قدرت دوقلوی دیجیتال شهری در خصوص بهره مندی و یکپارچه‌سازی با سایر الگوسازی‌ها و کاربردهای تجسم‌سازی، تجربه دیداری دوقلوی دیجیتال شهری را تقویت می‌کند.

برای نمونه، مسیریابی داخل شهر از زوایای دیداری مختلف و مقیاس‌های متفاوت با بهره گیری از واقعیت افزوده و تکنولوژی های واقعیت مجازی توسعه داده شد. در عین حال یک تجسم واقعیت مجازی از شهر که به تحلیل داده محیطی مرتبط شده و سایر پردازش های شهری در مقیاس کامل نشان داده شده است.
سیستم‌های تجسم دیداری اجتماعی در بین مشکلات گسترش یک دوقلوی دیجیتال شهری بهبود یافته از لحاظ بصری و ویژوال است.حال اینکه، برخی پژوهش های انجام شده است تا به این مشکل بپردازد. برای نمونه، یک تکنیک برای الگوسازی بر پایه رعایت نیازمندی‌های کارفرمایان با استفاده از مجموعه‌ای از مدل های رفتاری توصیه شد. علاوه بر این، یک رابطه ریاضی برای یکپارچه‌سازی المان های فرضی فعال کارفرمایان با دوقلوی دیجیتال شهری توسعه داده شد.

آگاهی موقعیت

از دوقلو دیجیتال (Digital Twin) شهری انتظار می‌رود تا رابطه بین شهر موجود یا همتای کالبدی آن برقرار سازد تا تجسم دیداری شهر و فهم و پردازش اتفاقات و رخدادهای عملی را در شهر تقویت کند. به همین واسطه، دوقلوی دیجیتال شهری به نام فناوری فعال‌کننده بهبود آگاهی موقعیتی برای مدیریت شهری تلقی شده و یک الگو اطلاعاتی را برای شهر ایجاد می‌کند. این مسئله به معنیاین است که؛ دوقلوی دیجیتال شهری می تواند اطلاعات شهری را جمع‌آوری، جست وجو و مدیریت کند. برای نمونه می تواند پیش نیاز سلامتی شهروندان را عنوان کند؛ اطلاعات مصرف انرژی را مانیتور، توجیه و پردازش کند؛ آلودگی صوتی را در شهر با بهره گیری از مدلسازی متغیر پایش کند؛ پیگیری آنی اطلاعات را زمان بلایا فراهم و موضوع های آسیب‌پذیر را محدود کند؛ و همچنین رفتار اشخاص را دنبال و پایش کرده و اختلالات و خطرهای بالقوه را برای شرایط اورژانس یا مدیریت بحران محدود و بومی‌سازی کند. همینطور پیش‌بینی می‌شود که بررسی ریسک و جلوگیری را تقویت نموده و مسیر های اطلاعات را برای مدیریت بحران شناسایی کند.

دوقلوی دیجیتال شهری همکاری های ممکن را در فهم حالات متفاوت در شهر در مقیاس‌های چندفضایی و زمانی در خیلی از بسترها مانند بهداشت و درمان، مدیریت انرژی، مدیریت بحران، پاسخ به محل اورژانس، جابجایی و برنامه‌ریزی شهری فراهم می‌کند.

برنامه‌ریزی و پیش بینی

گذشته و حال و فرآیندها در شهر می‌تواند به خوبی از راه الگوی دوقلوی دیجیتال شهری دریافت شود و می تواند جهت فهم بهتر چرایی اداره شهر بیشتر بررسی شود. هرچند فواید اصلی دوقلوی دیجیتال شهری فراهم آوردن دید مفید درباره‌ی پیش بینی الگوها و برنامه‌هاست. آینده نگری رفتار دوقلوی کالبدی در آینده برای بهبود عملکردش در دیگر بسترها تاکید شده است، مانند هوافضا و ساخت و تولید. به صورت مشابه، برای دوقلوی دیجیتال شهری، گسترش برنامه‌های ممکن و پیش نویس اداره آینده ی شهری برای بهبود چگونگی عملکرد آن یک فایده با اهمیت می‌تواند باشد.
برای نمونه، شبیه سازی اشکالات اجسام کالبدی ممکن در شهر از طریق احساس مشارکتی بسیار در بهبود مدیریت خطر راهگشا بود. برنامه‌های توسعه شهری و پیش بینی های آب و هوای شهری و نیز شبیه‌سازی‌ها برای پشتیبانی کردن از تصمیم‌گیری در زمینه برنامه‌ریزی شهری امتحان شد.خیلی دیگر از مصارف برنامه‌ریزی و پیش‌بینی در ارتباط با دوقلوی دیجیتال شهری بسیار سودمند واقع شده است؛ مثل بررسی سناریوهای سیل، ارزیابی امکان بهره برداری انرژی خورشیدی و اثر راه باد بر محیط‌های ساخته شده از طریق شبیه‌سازی تغییرات آب و هوایی، شبیه‌سازی انتقال شهری و غیره.

پیچیدگی شهر

وابستگی‌های داخلی میان بخش ها(مثل انسان‌ها، زیرساخت و فناوری‌ها) و رابطه بین قسمت هایش نشانگر مشکل یکپارچه‌سازی اطلاعات همه این بخش ها در یک بسترو فراهم کردن محیط همکاری برای ایجاد مشترک و توسعه ی مشترک دوقلوی دیجیتال شهر هوشمند است. بهم پیوستگی دوقلوی دیجیتال شهری می‌تواند از راه دو وجه دیده شود. اولین آن خود مدل سه بعدی است. برای بحث درباره آن، Wen et al بررسی نموده که گسترش چندین دوقلوی دیجیتال شهری برای شهر ممکن است بیشتر احتمال داشته باشد تا توسعه یک مدل برای تمام رویه ها و ساختار شهری.
دومین وجه، تدارک ارتباط میان ذینفعان بسیار شهر است. استفاده از سکوهای آنلاین و متن باز توانایی به اشتراک گذاری اطلاعات را می‌دهد و همکاری ذینفعان را در برنامه‌ریزی، سیاست‌گذاری و بررسی قوی تر می‌کند. این بحث نیز ازاهمیت برخوردار است که دوقلوی دیجیتال شهری می‌تواند شهروندان را در ایجاد برنامه‌های جدید برای شهر و استحکام تصمیم‌گیری جمعی را درگیر کند. همینطور، با بررسی درجه مختلف دسترسی، دوقلوی دیجیتال شهری می‌تواند در دسترس، قابل جستجو و قابل بحث توسط جامعه برای اهداف برنامه‌ریزی شهری باشد.

چالش‌های استفاده کامل از پتانسیل‌های دوقلو دیجیتال (Digital Twin) شهری

علاوه بر شناسایی پتانسیل‌های دوقلوی دیجیتال شهر هوشمند، با بررسی نتایج، متوجه مشکلاتی شدیم که در حال حاضر مانعی مقابل استفاده جامع از دوقلوهای دیجیتال در سطح شهری هستند. به دنبال پنج بحث در موضوع دوقلوی دیجیتال شهری که نشانی از امکانات است، می‌توان مشکلات اساسی را نشان داده و در نهایت شکاف‌های موجود در مقالات منتشر شده را به جهت ترسیم یک برنامه پژوهشی برای تحقیقات آینده بشناسانیم.
به عنوان نمونه، یکی از مهم ترین نگرانی‌ها در مدیریت اطلاعات، حجم، پیچیدگی و ناهمگن بودن اطلاعات شهری است. با توجه به آن، نیاز به وجود درجه بالاتری از توانایی محاسبات و قابلیت همکاری بین بخش های بزرگ و متفاوت اطلاعات، خطری در برابر کسب و تحلیل اطلاعات می‌باشد. به علاوه، میزان و پیچیدگی اطلاعات شهری، وجوب تالیف استانداردهای کاملا پذیرفته شده برای الگوهای اطلاعات و انگاره های طراحی را به منظور ساده سازی توسعه الگو های شهری، به علاوه‌ی کسب فواید آن در تقلیل زمان، هزینه و اشتباهات، به روشنی نشان می‌دهد. افزون بر این، دسترسی به اطلاعات به واسطه امر مالکیت و هزینه بالا می‌تواند چالش برانگیز باشد.

همچنان، کلیت اطلاعات شهری در تصویر سازی مقیاس شهر در بحث دوقلوی دیجیتال وجود ندارد. تعدادی از شهرهای دوقلوی دیجیتالی ساخته شده‌اند که عدم دقت کافی در مدل، کمال و کیفیت نمایش گرافیکی هستند. به علاوه، با بهره گیری از اطلاعات سنجش مشارکتی و منابع وسیع برای کامل کردن محدودیت‌های اطلاعات سنجشی و مهم، برخی از اشکالات محلی سازی و داده‌های نا ایمن مشخص شد. دقت ناکافی و ایرادات مدل‌سازی نه تنها بر تجربه دیداری بلکه بر علم از محل شهر نیز تأثیر می‌گذارد. با این حال، ناآگاهی از شرایط زمینه‌ای و ساختار غیر کالبدی مانند فرآیند ها و ساختار اجتماعی، اقتصادی و سیاسی، علاوه بر روابط بین مردم، زیرساخت و فناوری، از مشکلات و ایرادات اساسی در آگاهی از شرایط موجود شهر می‌باشد. علاوه بر این، آگاهی ناکافی از محل، کیفیت برنامه‌ریزی و قدرت پیش‌بینی دوقلوی دیجیتال را مسئله ساز میکند. یعنی عدم تکامل مدل شهر، چه به واسطه کمبود اطلاعات دقیق و چه به واسطه نحوه تصور آن، بر قدرت دوقلوی دیجیتال شهری در پیشنهاد تصمیمات برای برنامه‌‌ریزی کاربردی یا پیش‌بینی احتمالات آینده تأثیر می‌گذارد.

ناگاه، توسعه برتر یک دوقلوی دیجیتال شهری به خاطر دامنه‌ها و اطلاعات مختلف شهر، به درجه بالایی از ترکیب نیاز دارد. پیش بینی‌ها بر این است که الگوی دوقلوی دیجیتال شهری، درکی در مورد همه ساختار ها و فرآیندهای شهر ایجاد و از راه آن انواع مختلفی از اطلاعات را با شکل های گوناگون در بین بخش‌ها و ذینفعان مختلف تولید می‌کند. در نتیجه، برای توسعه هرچه بیشتر مدل دوقلوی دیجیتال شهری، گسترش اطلاعات معنایی ژرف تر، فهم و مدل‌سازی روابط سیستم و شناسایی نیاز به وجود امکان همکاری بین سیستم‌های مختلف لازم است. به همین واسطه، به حاطر مشکلات مختلف مربوط به عدم وجود سیستم های حاکمیتی، چارچوب‌های به اشتراک‌گذاری اطلاعات و آمادگی، آگاهی و رغبت شرکت کنندگان، مستمرا نیاز به رابطه جمعی و بخش‌های مختلف شهر و ایجاد امکان دسترسی به الگو چالش برانگیز می‌باشد. همینطور، بهبود کیفیت ترکیب و همکاری دوقلوی دیجیتال شهری نشان از مشکلات اجتماعی از جمله مسائل حریم خصوصی و امنیت است که می‌بایست واکاوی شود..