Digital Twin یک همزاد دیجیتالی یک نمایش مجازی (یا آینه‌ای) از یک موجودیت یا سیستم فیزیکی در دنیای واقعی است. یک ‌‌همزاد دیجیتال یک سیستم نرم افزاری یکپارچه است که زندگی جسم فیزیکی مربوطه خود را منعکس می‌کند. اگر بخواهیم تعریف دقیقی از آن ارائه دهیم، می‌توان گفت که یک ‌‌همزادی دیجیتالی، در اصل یک برنامه کامپیوتری است که از داده‌های جهانِ واقعی استفاده کرده تا یک مدل شبیه‌سازی را ایجاد کند. این مدل پیش‌بینی می‌کند که چگونه یک موجودیت فیزیکی یا فرآیند عمل خواهد کرد. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های چنین نرم‌افزاری این است که می‌تواند اینترنت اشیا، هوش مصنوعی و تجزیه‌ و تحلیل نرم‌افزاری را برای بهبود کارایی خروجی یکپارچه کند. با پیشرفت یادگیری ماشین و تکنیک‌هایی در حوزه کار کردن با داده‌های حجیم، این مدل‌های مجازی به یک عنصر اصلی در مهندسی مدرن تبدیل شده‌اند که می‌توان از آن‌ها برای نوآوری و بهبود عملکرد استفاده کرد.

با رشد سریع فناوری دیجیتال در دهه گذشته، ‌‌همزادهای دیجیتالی در بسیاری از حوزه‌های کاربردی از جمله سیستم‌های تولیدی، هوافضا، انرژی، تولید، کشاورزی، مراقبت‌های بهداشتی و شهرهای هوشمند و پایدار مورد توجه قرار گرفته‌اند. به عنوان مثال، فناوری ‌‌همزادی دیجیتال برای نظارت و بهینه سازی تولید و مصرف انرژی استفاده می‌شود. با ایجاد یک نمایش مجازی از یک نیروگاه یا سایر سیستم‌های انرژی، مهندسان می‌توانند سناریوهای عملیاتی مختلف را شبیه سازی کنند، مسائل بالقوه را شناسایی کرده و عملکرد را بهینه کنند. این تکنولوژی به مهندسان، طراحان و اپراتورها اجازه می‌دهد تا عملکرد سیستم فیزیکی را در یک محیط مجازی شبیه سازی کنند و بر آن نظارت داشته باشند و همچنین آن را بهینه نمایند. ‌‌همزادی دیجیتال کمک می‌کند تا مشکلات بالقوه قبل از وقوع آنها شناسایی شوند و زمان خرابی و هزینه‌های تعمیر و نگهداری کاهش یابد. اهداف اصلی این ‌‌همزادهای دیجیتالی، بهبود عملکرد و کارایی سیستم از طریق نظارت و نگهداری پیش‌بینانه موجودیت‌های فیزیکی در زمان واقعی و با ایجاد بینش مفید و ارائه بازخورد به نهادهای دنیای واقعی برای بهینه‌سازی کارایی عملیاتی است. به‌عنوان سریع‌ترین بخش در حال رشد انقلاب صنعتی چهارم، انتظار می‌رود بازار ‌‌همزادهای دیجیتال از ۱۲٫۷ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۱ به ۴۵ میلیارد دلار تا سال ۲۰۲۶ رشد کند. بنابراین، ما شاهد انبوهی از تحقیق و توسعه شامل ‌‌همزادهای دیجیتال در دانشگاه و صنعت بوده‌ایم.

Spatial Digital Twin چیست؟

مفهوم ‌‌همزاد دیجیتال برای اولین بار توسط دانشمندان ناسا برای بازتاب چرخه زندگی وسایل نقلیه فضایی در سال ۲۰۱۲ معرفی شد و سپس با موفقیت در زمینه تولید برای بهبود عملکرد در خط لوله تولید استفاده شد. پس از آن، فناوری ‌‌همزادی دیجیتال در جهات مختلفی تکامل یافت – یکی از این حوزه‌ها شهرها/محوطه‌های هوشمند و پایدار است. توسعه شهرهای هوشمند و پایدار بسیار مهم است زیرا بیش از نیمی از جمعیت جهان در شهرها زندگی می‌کنند که مسئول ۷۰ درصد از انتشار گازهای گلخانه ای هستند. بنابراین، مدل‌سازی محیط شهری و توسعه، بهینه‌سازی کارایی عملیاتی و افزایش تصمیم‌گیری، کلیدهای توسعه شهرهای پایدار هستند. برای دستیابی به اهداف فوق، ‌‌همزادهای دیجیتال حول زمینه جغرافیایی- فضایی تکامل یافته اند تا نوع جدیدی از ‌‌همزادهای دیجیتال را به وجود آورند که ‌‌همزادهای دیجیتال مکانی نامیده می‌شوند.

یک ‌‌همزاد دیجیتال مکانی (SDT) اساساً نمایش آینه‌ای از اشیاء مکانی واقعی (مانند ساختمان‌‌ها، شبکه‌های آب و برق، …) و سیستم‌‌ها (مانند نظارت بر محیط زیست یا ترافیک) است. کنسرسیوم جغرافیایی به طور رسمی یک SDT را به عنوان یک نمایش مجازی از موجودیت‌‌ها و فرآیندهای دنیای واقعی با مکان دقیق و ویژگی‌های ابعادی موجود در مدل تعریف می‌کند، جایی که مدل مجازی در یک فرکانس هماهنگ به روز می‌شود. عامل اصلی تمایز SDT‌‌ها از DT‌‌ها این است که SDT‌‌ها زمینه مکانی را برای گرفتن و ارائه مکان و نمایش ابعادی نسبی اشیاء و فرآیندهای جغرافیایی در خود دارند.

در چند سال گذشته، همگرایی فناوری GIS; اینترنت اشیا و اخیراً، مدل سازی اطلاعات ساختمان (BIM) تجسم‌های سه بعدی تعاملی را ایجاد کرده است، که در حال تعریف مجدد چیستی یک ‌‌همزاد دیجیتال و ارزشی است که برای سازمان‌‌ها به ارمغان می‌آورد. یک ‌‌همزاد دیجیتال یک محصول یا راه حل واحد نیست. این شبکه پیچیده ای از فناوری و سیستم است. برای دستیابی به نتایج تحولی مطلوب و بازگشت سرمایه‌هایی که سازمان‌ها می‌خواهند، باید هماهنگ عمل کند. یکی از قدرت‌های GIS این است که روابط ایجاد می‌کند و گردش کار را در بین سیستم‌‌ها و مدل‌های اطلاعاتی ساده می‌کند. هر چیزی مکانی دارد که کلید مشترک برای یکپارچه سازی و مدل سازی چرخه زندگی کامل می‌شود. چهار مرحله برای مدیریت چرخه زندگی اطلاعات برای یک ‌‌همزاد دیجیتال وجود دارد:

1. جمع‌آوری و ادغام داده‌ها برای یک ‌‌همزاد دیجیتالی اساسی است. سازمان‌ها به مدیریت داده‌های جامع و سرتاسر نیاز دارند. آن‌ها باید داده‌ها و مدل‌سازی را جمع‌آوری کنند، ادغام کنند، و سپس آن‌ها و ویژگی‌ها و رفتارهای مرتبط با آن را در طول چرخه زندگی مدیریت کنند.
2. زمان واقعی داده‌‌ها را زنده می‌کند. سازمان‌‌ها می‌توانند این اطلاعات را دریافت کنند و درک بهتری از آنچه اکنون در حال وقوع است ایجاد کنند. این آگاهی موقعیتی بلادرنگ را همراه با قابلیت‌های تجسم پیشرفته امکان می‌دهد تا به طور مجازی نحوه عملکرد اجزای فیزیکی در دنیای واقعی را نشان دهد.
3. تجزیه و تحلیل و پیش‌بینی، تصمیم‌گیری را فراتر از درک وضعیت عملیاتی فعلی می‌برد. سازمان‌‌ها باید گذشته را درک کنند و پیش بینی‌های آینده را ببینند. آنها باید نتایج مورد انتظار را شبیه سازی و پیش بینی کنند و همچنین فرآیند تصمیم گیری را خودکار کنند.
4. اشتراک‌گذاری و همکاری که از طریق دسترسی و دسترسی فراگیر در دستگاه‌های دسک‌تاپ و موبایل امکان‌پذیر می‌شود، این امکان را فراهم می‌آورد که اطلاعات در اختیار ذینفعان داخلی و خارجی قرار گیرد. ‌‌همزادهای دیجیتال در مورد به اشتراک گذاری و همکاری اطلاعات و رساندن آن به کسانی که به آن نیاز دارند، در زمان نیاز است.

به طور خاص، چندین هدف کلیدی برای یک SDT در نظر گرفته می‌شود که عبارتند از: (۱) تجسم، نظارت، ارزیابی و پیش بینی وضعیت و فعالیت اشیاء مختلف در یک منطقه مکانی (به عنوان مثال، نظارت و پیش بینی مصرف انرژی برق)؛ (۲) برای پیش‌بینی پاسخ سیستم و کشف بینش‌های ناشناخته قبلی از داده‌های نزدیک به زمان واقعی و تاریخی (به عنوان مثال، پیش‌بینی بار شبکه برق در ۲۴ ساعت آینده)؛ (۳) برای شبیه سازی سناریوهای چه می‌شود برای کشف بینش‌های ناشناخته قبلی و توصیه اقدامات اصلاحی و (۴) برای دادن بازخورد به نهادها یا فرآیندهای فیزیکی برای انجام اقدامات اصلاحی لازم (به عنوان مثال، با استفاده از داده‌های ترافیک در زمان واقعی، یک سیستم ‌‌همزاد دیجیتال می‌تواند زمان بندی چراغ‌های راهنمایی را برای رفع/جلوگیری از ترافیک کنترل کند).

‌‌همزادهای دیجیتال مکانی به سرعت به عنوان یک ابزار قدرتمند برای مدیریت سیستم‌های فیزیکی پیچیده در دنیای دیجیتال در حال ظهور هستند. ‌‌همزادهای دیجیتال با توانایی خود در ارائه نمایشی دقیق و به روز از فضاهای فیزیکی، روش طراحی، عملکرد و مدیریت طیف گسترده ای از سیستم‌‌ها را از شهرهای هوشمند و شبکه‌های آب و برق گرفته تا تاسیسات تولیدی و مجتمع‌های ساختمانی تغییر می‌دهند. همانطور که فناوری به تکامل خود ادامه می‌دهد، ‌‌همزادهای دیجیتال مکانی این پتانسیل را دارند که نحوه تعامل و درک ما از دنیای اطراف را تغییر دهند.