ArcUser Spring 2021 | Chris Andrews

En los últimos años, la convergencia de la tecnología geoespacial, el modelado de información de construcción (BIM) y el 3D interactivo ha impulsado una conversación sobre gemelos digitales y cómo pueden usarse para simular instalaciones individuales, ciudades enteras e incluso grandes sistemas naturales. Los gemelos digitales son representaciones virtuales del mundo real que incluyen objetos físicos, procesos, relaciones y comportamientos.

El SIG se puede utilizar para crear gemelos digitales del entorno natural y construido. También se puede utilizar para integrar muchas representaciones digitales diferentes del mundo real, modelos virtuales de activos del mundo real o sistemas naturales junto con modelos de información, datos, informes, análisis y experiencias de usuario destinadas a capturar el estado de un gemelo digital, monitorear su desempeño y predecir resultados futuros usándolo.

El concepto de gemelo digital se originó en la industria de fabricación de productos. Los modelos digitales precisos de objetos complejos, como aviones o automóviles, se pueden capturar en una base de datos con el fin de informar, analizar y, finalmente, simular y probar el rendimiento de un objeto. El concepto original de gemelo digital ayudó a que el uso de datos sobre un activo pasara de usarlo estrictamente para fines financieros y de contabilidad de costos a evaluar el desempeño y analizar las operaciones. Estos datos mejorados podrían usarse para informar sobre los aspectos financieros de la fabricación y las ventas de un activo.

El concepto de gemelo digital se está aplicando a la infraestructura del mundo real, los edificios e incluso a sistemas a escalas tan grandes como ciudades enteras y entornos naturales. La idea de que se puede utilizar un modelo de activos físicos fijos para ayudar a comprender el rendimiento, los costos y la construcción es convincente. Extender el concepto de gemelo digital a sistemas habitados es aún más interesante y complejo.

GIS se ha utilizado para modelar sistemas del mundo real con alta precisión durante años. Las redes de servicios públicos, los límites legales de las parcelas y las redes de tráfico se han representado en GIS para fines de gestión, mantenimiento y planificación de activos. El concepto de gemelo digital se basa en técnicas y tecnologías más antiguas para el almacenamiento de datos, sistemas federados y modelos de datos basados ​​en objetos al agregar realismo, una experiencia de usuario interactiva y modelos de activos y sistemas en 3D y 4D de alta resolución. En última instancia, el gemelo digital debe ayudar al propietario u operador del activo o sistema del mundo real a resolver aplicaciones comerciales o de misión crítica para justificar la inversión y los cambios de proceso que informarán y mantendrán al gemelo.

Problemas que los gemelos digitales ayudan a resolver

Los gemelos digitales pueden abordar problemas asociados con el registro histórico de un activo, la supervisión del rendimiento operativo y la prueba o predicción del rendimiento futuro de un activo.

Récord histórico

Un gemelo digital se puede utilizar para archivar un estado de un activo o sistema durante un tiempo específico. Los límites de las parcelas y los modelos de redes de servicios públicos son buenos ejemplos de gemelos geoespaciales de sistemas del mundo real que pueden capturarse con fines legales y operativos. La captura de la realidad, como la nube de puntos y la salida de malla texturizada de SURE for ArcGIS, puede servir como una instantánea 3D de alta resolución del mundo real. A partir de estas instantáneas, algunos proveedores pueden incluso extraer datos BIM que se pueden utilizar como registro histórico o como punto de partida para futuras renovaciones u operaciones.

Monitoreo del desempeño operativo

Las experiencias 3D proporcionadas por un modelo virtual 3D de un activo pueden proporcionar experiencias de exploración e interacción a nivel del consumidor. Los usuarios pueden mirar el modelo y ver el mundo real. Por esa razón, muchos proyectos de gemelos digitales utilizan el gemelo como un tablero que muestra el rendimiento actual del sistema real, a menudo con transmisiones en vivo y atributos actualizados dinámicamente. Estos sistemas suelen estar vinculados a otros sistemas empresariales federados. Uno de los mayores beneficios que GIS aporta al gemelo digital es que GIS puede almacenar, transmitir y proporcionar experiencias dinámicas para explorar activos 3D tan pequeños como un edificio o tan grandes como una ciudad, todo en el contexto del mundo construido y natural alrededor de los activos.

Prueba o predicción del rendimiento futuro

Algunas de las expectativas más altas en torno al uso de gemelos digitales se basan en el uso de versiones de alta precisión de un activo que se utilizan para simular y predecir el rendimiento o el comportamiento futuro. En la industria automotriz, los gemelos digitales se pueden utilizar para explorar la aerodinámica de los automóviles. En la industria de Arquitectura, Ingeniería y Construcción (AEC), la información BIM agregada se utiliza en la práctica del diseño y la construcción virtuales. Se utiliza un gemelo digital de construcción planificada para detectar posibles problemas de seguridad o conflictos de construcción. A la escala de una ciudad, los planificadores quieren simular cambios futuros, como la forma de un nuevo edificio, cambios en una carretera planificada o mejoras en los malecones. A la escala de una ciudad,

¿Es necesario el GIS para un gemelo digital?

Cualquier gemelo digital de un activo fijo o sistema del mundo real se beneficia directamente de la inclusión de datos GIS sobre el activo, así como el contexto GIS del activo. El SIG no solo se puede usar para crear gemelos digitales del entorno natural y construido, sino que también se puede usar para integrar muchas representaciones digitales diferentes del mundo real.

Para objetos individuales en el mundo mecánico, un objeto completo se puede representar en un esquema de datos autónomo que se puede utilizar para la observación y la prueba de hipótesis. Para activos físicos fijos o sistemas naturales, los datos sobre suelos, materiales de activos, clima, tráfico, mantenimiento y servicios públicos se pueden almacenar en diferentes modelos de datos con diversa calidad de datos, resolución y propiedad. GIS es la única tecnología que proporciona una clave simple, la ubicación, que permite un análisis complejo de modelos y conjuntos de datos tan diversos.

En los últimos años, Esri ha invertido en ArcGIS para mejorar drásticamente sus capacidades, convirtiendo GIS en la tecnología ideal para reunir conjuntos de datos federados detrás de tableros, historias de ArcGIS StoryMaps y mapas 2D, 3D y 4D para facilitar la comunicación, observación y análisis de sistemas complejos. Cuantos más datos se agregan a GIS, más beneficios proporciona GIS.

Los datos GIS también impulsan muchas simulaciones de dinámicas y comportamientos del mundo real. Para análisis simples, como investigar el impacto en la sombra de una estructura planificada, 3D GIS proporciona experiencias dinámicas y fáciles de usar en un navegador web. Para simulaciones complejas, se pueden usar flujos de trabajo de geoprocesamiento avanzados para simular cambios en grandes redes de servicios públicos y luego ver esos cambios en un tablero simple.

Las soluciones de socios amplían las capacidades de ArcGIS. Simular el flujo de aire a través de un centro urbano importante o modelar los efectos de un corte de energía en una empresa de servicios públicos importante son solo dos ejemplos de estas soluciones de socios. La demanda por el uso de contenido GIS en motores de juegos llevó a Esri a lanzar los SDK de ArcGIS Maps para Unity y los complementos Unreal Engine en 2020.

¿Qué determina el alcance de un proyecto de gemelo digital?

Como cualquier diseño de sistema complejo, el diseño de un proyecto de gemelo digital requiere la identificación de criterios que ayudarán a limitar el alcance y, al mismo tiempo, respaldarán la mantenibilidad a largo plazo. Dados los diversos usos de los gemelos digitales, algunas de las consideraciones que ayudarán a identificar el alcance y los requisitos incluyen:

• Escala de tiempo
• Diversidad de partes interesadas
• Complejidad de los sistemas
• Propiedad de los datos
• Seguridad de datos
• Escala de tiempo

¿Se utilizará el gemelo digital para un solo proyecto o se utilizará durante la vida útil de un activo? Por ejemplo, en la práctica de diseño y construcción virtual (VDC), el gemelo digital se usa generalmente solo durante la vida útil de un proyecto, y no se garantiza que el gemelo se pueda utilizar para operaciones de activos.

Diversidad de partes interesadas

¿Las personas que trabajan o dependen de un gemelo digital trabajarán en un solo equipo de proyecto o serán extraídas de un ecosistema diverso de participantes de múltiples dominios?

Complejidad de los sistemas

La complejidad de un gemelo digital aumentará, probablemente de manera exponencial, con la cantidad de sistemas que se modelan. Esto es cierto para los sistemas de construcción, como plomería, electricidad, mecánica, seguridad y telecomunicaciones, y aún más cierto para los campus y las ciudades. Para ayudar a limitar la complejidad, la cantidad de sistemas modelados en un gemelo digital probablemente debería centrarse en los problemas que se utilizarán para resolver.

Propiedad de los datos

La propiedad de los datos impulsa tanto los derechos de acceso a los datos como la oportunidad de conectividad entre conjuntos de datos. Los propietarios de una instalación, campus o cartera de edificios comerciales pueden encontrar que tienen un buen control sobre los datos disponibles y la capacidad de establecer requisitos para los conjuntos de datos entrantes. Los operadores a la escala de un campus universitario o una ciudad pueden tener dificultades para ensamblar un gemelo digital que aborde sus aplicaciones planificadas si no todos los servicios públicos, instalaciones u otros sistemas que afectan sus operaciones están bajo su control.

Seguridad de datos

La seguridad de un sistema, como un gemelo digital, estará determinada por los requisitos del conjunto de datos más seguro del sistema. El hecho de que un conjunto de datos altamente seguro pueda incluirse en un gemelo digital no significa que deba incluirse si las restricciones de acceso terminan limitando los requisitos de las partes interesadas u otras capacidades del gemelo digital.

Un gemelo digital es un modelo virtual. En un contexto científico, un modelo se utiliza para probar hipótesis o predecir estados futuros de sistemas. Los modelos científicos generalmente se adaptan para probar elementos específicos del sistema y, a menudo, no se pueden estirar para probar o predecir escenarios que no se consideraron al construir el modelo. Al construir un proyecto de gemelo digital, vale la pena considerar que el éxito puede depender de limitar su alcance a resultados alcanzables, no de expandir su alcance para resolver todos los problemas futuros.

Elementos que hacen que un gemelo digital sea exitoso

Muchos de los elementos que forman parte de un proyecto de gemelo digital exitoso son los mismos elementos que impulsan los proyectos de implementación de TI exitosos en muchas industrias. Básicamente, un gemelo digital depende en gran medida de la capacidad de conectar datos y crear experiencias de usuario que ayuden a resolver problemas y aumentar la comprensión.

Producción definidas

Especificar un conjunto claro de resultados, informes y análisis deseados por adelantado ayudará a que un gemelo digital sea más alcanzable. Ninguna implementación de tecnología es estática. Las iteraciones futuras de un gemelo digital pueden incorporar más requisitos.

Un enfoque de pensamiento de diseño

Una comprensión profunda de cómo se utilizará un gemelo digital para respaldar las prácticas comerciales existentes ayuda a informar y diseñar experiencias para que el gemelo digital se pueda utilizar para realizar el trabajo. El uso de un gemelo digital como vista de tablero en sistemas en tiempo real proporcionará una experiencia de usuario diferente a la de una herramienta de simulación y planificación basada en realidad extendida (XR) para explorar los efectos de cambios futuros. Las experiencias solo pueden entenderse trabajando con partes interesadas comprometidas a lo largo de la planificación y el diseño del gemelo.

Requisitos claros para la arquitectura de la información

El propietario del gemelo digital debe comprender, en profundidad, cómo se utilizará el gemelo digital y pedir que los datos y los servicios se entreguen de acuerdo con las especificaciones que satisfagan esas necesidades. Esto puede requerir una inversión inicial adicional, pero es la única forma de obtener datos de calidad estandarizados de manera confiable para alimentar al gemelo digital.

Estándares de datos abiertos y API

Debido a que los desafíos con la integración de datos y sistemas constituyen una gran parte del conjunto de problemas asociados con la creación de un gemelo digital, los clientes deben especificar estándares abiertos que les permitan conectarse a datos de muchas aplicaciones diferentes de manera confiable y sostenible. Esto es aplicable a los modelos BIM entregados de acuerdo con un tipo de archivo estándar de la industria, y también a las fuentes de datos en tiempo real a las que se puede acceder a través de una API REST abierta.

Autenticación y licencias estandarizadas

Si un equipo pequeño utilizará un gemelo digital, es posible que el acceso y la autenticación no sean un gran problema. Si un gemelo digital será utilizado por muchos colaboradores y partes interesadas en una organización, como una ciudad, los requisitos deben especificar cómo se accederá a los conjuntos de datos federados utilizando patrones de identidad y autenticación estandarizados. Si se necesitará una tarjeta de acceso común (CAC), asegúrese de que todos lo sepan al comienzo del proyecto. Si bien las licencias estándar de ArcGIS Enterprise son excelentes para compartir dentro de una organización, las licencias de ArcGIS Hub Premium permiten que una organización comparta contenido con personas fuera de la organización.

Gemelos digitales geoespaciales en acción

En este momento, los clientes de ArcGIS pueden combinar la captura de la realidad; Datos 3D, 2D y planimétricos; y alimentar en tiempo real experiencias dinámicas e interactivas que describen instalaciones individuales, grandes sistemas o ciudades enteras. Los gemelos digitales geoespaciales, creados con ArcGIS, se pueden explorar en dispositivos móviles, en un navegador web o mediante aplicaciones de escritorio enriquecidas de Esri y sus socios. Se puede acceder a la parte de la geodatabase de un gemelo digital, almacenada en ArcGIS Online o ArcGIS Enterprise, a través de una amplia variedad de API, servicios y formatos de datos estándar abiertos que facilitan el intercambio y la integración con otros sistemas empresariales como IBM Maximo o Autodesk BIM 360.

Muchos clientes de Esri se han beneficiado de las capacidades actuales de los gemelos digitales geoespaciales.

Amsterdam Airport Schiphol ha construido un gemelo digital dinámico de sus instalaciones aeroportuarias que incorpora datos BIM estándar abiertos a través de la integración FME de Safe Software de ArcGIS con fuentes de datos en vivo para ubicaciones de aeronaves y vehículos terrestres.

HNTB Corporation, una empresa estadounidense de diseño de infraestructura y socio de Esri, está utilizando innovadoras aplicaciones 3D ArcGIS basadas en la web para presentar visualizaciones de tiempo y costos para proyectos de construcción. Su proyecto de Long Island Railroad permite a los equipos visualizar el progreso del proyecto e incluso ejecutar escenarios de trabajo futuros que exploran los impactos de los cambios en el cronograma y el presupuesto.

El Aeropuerto Internacional Hartsfield-Jackson de Atlanta construyó un gemelo digital utilizando CAD, datos BIM, GIS e información sobre el entorno circundante que informa la localización de caminos y la ubicación del equipo, el análisis de peligros y la gestión del espacio.

Hazen and Sawyer, una empresa de ingeniería ambiental, ayuda a los clientes a entregar agua potable segura y limitar la contaminación del agua. Utiliza GIS como agregador de datos BIM, captura de realidad e información de sistemas para plantas de tratamiento de agua completas a través de una vista de tablero del estado de operación y mantenimiento de las instalaciones.

El futuro de los gemelos digitales

GIS ha desempeñado un papel fundamental para ayudar a los clientes a modelar, analizar y observar sus activos y sistemas durante décadas. Las nuevas tecnologías, como los motores de juegos y las fuentes de datos en tiempo real, han agregado interesantes posibilidades para crear experiencias interactivas más detalladas para que los usuarios exploren, analicen y experimenten sus activos y el mundo que los rodea.

Esri está invirtiendo mucho en captura de realidad, integración BIM, integración de sistemas de edificios, análisis de datos de Internet de las cosas (IoT) y tecnologías y herramientas relacionadas que se utilizarán para crear los próximos grandes gemelos digitales con ArcGIS.

Visita el sitio web de Esri Digital Twin para mantenerte al día con los desarrollos en el uso de SIG para crear gemelos digitales.

Este artículo apareció originalmente en la edición de primavera 2021 de ArcUser

Sobre el autor

Chris Andrews

Chris Andrews es el gerente de producto para 3D en la plataforma Esri ArcGIS y lidera un equipo de gerentes de producto enfocados en BIM, planificación urbana, modelado de ciudades y visualización 3D del mundo. Durante sus 20 años de carrera, se ha centrado en exponer el valor de GIS en todas las organizaciones mediante la combinación de tecnología de vanguardia con facilidad de uso para poner potentes capacidades en manos de los usuarios sin necesidad de conocimientos tecnológicos especializados. Andrews ha trabajado con clientes en las industrias de aplicación de la ley, defensa, bienes raíces y AEC. Tiene una licenciatura en geología-biología y una maestría en ecología y biología evolutiva de la Universidad de Rochester.