ArcGIS: una base para gemelos digitales

Publicado el 2 febrero, 2021

Los gemelos digitales son representaciones virtuales del mundo real que incorporan objetos físicos, procesos, relaciones y comportamientos. Los gemelos digitales se utilizan para representar un estado histórico preciso, para observar y monitorear el rendimiento y para explorar o predecir el estado futuro. Un gemelo digital de un activo fijo o de un sistema del mundo real se beneficia directamente de la inclusión de datos GIS sobre el activo y el contexto GIS alrededor del activo. Los GIS se pueden utilizar para crear gemelos digitales del entorno natural y construido, y también se pueden utilizar para integrar muchas representaciones digitales diferentes del mundo real.

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 los «gemelos digitales» y cómo se pueden utilizar para simular instalaciones individuales, ciudades enteras e incluso grandes sistemas naturales. Con frecuencia nos preguntan cómo intervienen los GIS en la estrategia de gemelo digital de nuestros clientes y aquí brindamos algunas de nuestras respuestas más comunes.

¿Qué es un gemelo digital?

Los gemelos digitales son representaciones virtuales del mundo real que incluyen objetos físicos, procesos, relaciones y comportamientos. Cuando hacemos referencia a gemelos digitales en GIS, normalmente hablamos de modelos virtuales de activos o sistemas naturales del mundo real junto con modelos de información, datos, informes, análisis y experiencias de usuario destinadas a capturar el estado, monitorear el desempeño y predecir resultados futuros. Los gemelos digitales se pueden utilizar para representar estados de activos actuales, pasados ​​o incluso futuros y es posible que no reflejen exactamente lo que existe en el mundo real hoy.

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 para fines de informes, análisis y, finalmente, simular y probar el rendimiento de un objeto. El concepto de gemelo digital original ayudó a mover el uso de datos sobre un activo de un uso estricto para finanzas y contabilidad de costos a un uso para el análisis operativo y de rendimiento, que luego podría repetirse en la perspectiva financiera de la fabricación y las ventas del activo.

La información GIS superpuesta en la malla Aerometrex I3S para Denver proporciona un potente panel web para las ciudades.

Hoy participamos en muchas discusiones sobre cómo se puede aplicar el concepto de gemelo digital a la infraestructura del mundo real, los edificios e incluso a los sistemas a escalas tan grandes como ciudades enteras y entornos naturales. La idea de que se puede usar 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 que incluyen la actividad humana en curso, incluido el mantenimiento y la operación, se vuelve aún más interesante, pero también aumenta la complejidad.

Los GIS se han 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, 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.

¿Qué tipo de problemas puede ayudar a resolver un gemelo digital?

Los tres problemas principales que abordan los gemelos digitales incluyen:

• Registro histórico: se puede utilizar un gemelo digital para archivar un estado en el tiempo de un activo o sistema específico. Los límites de las parcelas y los modelos de redes de servicios públicos ofrecen buenos ejemplos de gemelos geoespaciales de sistemas del mundo real que se pueden capturar 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.

El proyecto Circular Quay de Norman, Disney y Young utiliza BIM y GIS para la comunicación de las condiciones de renovación.

• Supervisión del rendimiento operativo: uno de los beneficios de tener un modelo virtual en 3D de un activo es que las experiencias en 3D pueden proporcionar una experiencia a nivel de consumidor para la interacción y la exploración. Todos los días, los usuarios pueden mirar el modelo y ver el mundo real. Por esa razón, muchos esfuerzos para gemelos digitales utilizan el gemelo como un panel que muestra el rendimiento actual del sistema real, a menudo con transmisiones en vivo y atributos actualizados dinámicamente. Estos sistemas también suelen vincularse a otros sistemas empresariales federados. Uno de los mayores beneficios que los GIS aportan al gemelo digital es que los GIS pueden 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.

Malla de captura de datos BIM en contexto de realidad. Datos BIM cortesía y copyright del equipo de instalaciones de OSU. Cortesía de malla I3S de Nearmap.

• Probar o predecir el rendimiento futuro: algunas de las expectativas más altas en torno a los gemelos digitales provienen de tener la capacidad de usar una versión de alta precisión de un activo para simular, evaluar y predecir el futuro. En la industria automotriz, los gemelos digitales se pueden utilizar para explorar la aerodinámica de los automóviles. En la industria AEC, la información BIM agregada se utiliza en la práctica del Diseño y Construcción Virtual para representar la construcción planificada y detectar posibles conflictos de construcción o problemas de seguridad. A la escala de una ciudad, los planificadores quieren poder simular cambios futuros, como la forma de un nuevo edificio, cambios en una carretera planificada o mejoras en los malecones. La esperanza con un gemelo digital a la escala de una ciudad es que la simulación y el análisis de cambios futuros se puedan utilizar para comprender y optimizar el impacto del cambio en el rendimiento y, al mismo tiempo, minimizar el costo de implementación.

Análisis de visibilidad en Boston utilizando ArcGIS Urban.

¿Son necesarios los GIS para tener un gemelo digital?

Si el objetivo de un gemelo digital es representar la precisión histórica, ver el rendimiento o predecir el estado futuro, entonces cualquier gemelo digital de un activo fijo o sistema del mundo real se beneficia directamente de la inclusión de datos GIS sobre el activo y el contexto GIS alrededor del activo. Los GIS se pueden utilizar para crear gemelos digitales del entorno natural y construido, y también se pueden utilizar para integrar muchas representaciones digitales diferentes del mundo real.

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

Análisis de calor urbano en Boston que muestra la malla Nearmap I3S.

En los últimos años, Esri ha invertido en ArcGIS para mejorar drásticamente la capacidad que convierte a un GIS en la tecnología ideal para reunir conjuntos de datos federados detrás de tableros de control, StoryMaps y mapas 2D, 3D y 4D para facilitar la comunicación, la observación y el análisis de sistemas complejos, como ciudades enteras. Uno de los poderes de los GIS es que cuantos más datos se agregan, más beneficio proporciona el sistema.

Los datos GIS también impulsan muchas simulaciones de dinámicas y comportamientos del mundo real. Para análisis simples, tales como investigar el impacto de la sombra de una estructura planificada, los GIS 3D proporcionan 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 panel simple. Donde ArcGIS se detiene, las soluciones de los socios pueden simular el flujo de aire a través de un centro urbano importante o los cortes de energía en una empresa de servicios públicos importante. Hemos visto una demanda significativamente mayor para el uso de contenido GIS en motores de juegos para aprovechar sus capacidades también, lo que nos llevó a lanzar ArcGIS Maps SDK para Unity y Unreal Engine.

¿Cuáles son algunas de las consideraciones que ayudarían a determinar el alcance de un proyecto de gemelo digital?

Al abordar un proyecto de gemelo digital, al igual que abordar cualquier diseño de sistema complejo, el «operador» del gemelo digital deberá identificar criterios que ayudarán a limitar el alcance y, al mismo tiempo, respaldarán la mantenibilidad a largo plazo.

Dada una parte de la diversidad de usos de los gemelos digitales, estas son algunas de las consideraciones que ayudarán a identificar el alcance y los requisitos:

• Escala de tiempo: ¿se utiliza el gemelo digital para un solo proyecto? ¿O está previsto que se utilice durante la vida útil de un activo? La práctica de VDC, por ejemplo, generalmente solo usa en verdad el gemelo digital durante la vida útil de un proyecto y no garantiza que el gemelo se pueda utilizar para operaciones de activos.
• Diversidad de partes interesadas: el equipo de personas que trabajará o dependerá del gemelo digital, ¿es un solo equipo de proyecto o 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 gasfitería, electricidad, mecánica, seguridad y telecomunicaciones, y aún más cierto para los campus y las ciudades. Para ayudar a limitar la complejidad, el número de sistemas modelados en un gemelo digital probablemente debería centrarse en los problemas en los que se utilizará el gemelo para resolverlos.
• 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 es que no todos los servicios públicos, instalaciones u otros sistemas que afectan sus operaciones están bajo su control.
• Seguridad de los datos: la seguridad de un sistema, tal 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 requerimientos de las partes interesadas u otras capacidades del gemelo digital.

Un gemelo digital es un modelo virtual de un objeto del mundo real. En el contexto científico, un modelo se utiliza para probar hipótesis o para 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 crear el modelo. Al construir un proyecto de gemelo digital, vale la pena considerar que el éxito puede depender de limitar el alcance de los resultados alcanzables, no de planificar la resolución de todos los problemas futuros a la vez.

Comparación de condiciones de inundación normales y de 100 años utilizando la malla Frankfurt de Aerowest y SURE for ArcGIS.

¿Cuáles son algunos de los elementos exitosos que intervienen en la construcción de un gemelo digital?

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 todas las industrias. Básicamente, el gemelo digital depende en gran medida de los datos, la capacidad de conectar datos y la capacidad de crear experiencias de usuario encima de los datos, que ayudan a resolver problemas y aumentar la comprensión.

• Resultados bien definidos: los dominios del problema y los requisitos para la presentación de informes y análisis impulsarán directamente los requisitos de datos y las experiencias que se crearán para el gemelo digital. Especificar un conjunto claro de resultados, informes y análisis deseados por adelantado ayudará a que el gemelo digital sea más alcanzable. Ninguna implementación de tecnología es estática y las iteraciones futuras del gemelo digital pueden incorporar más requisitos.
• Enfoque de Design Thinking: una comprensión profunda de cómo se utilizará un gemelo digital para respaldar las prácticas comerciales existentes ayudará a informar y diseñar experiencias que permitan realizar el trabajo con el gemelo. El uso de un gemelo digital a modo de vista de panel para sistemas en tiempo real tendrá una experiencia de usuario diferente a la de las herramientas de simulación y planificación basadas en XR para explorar cambios futuros. Las experiencias solo pueden entenderse trabajando con las partes interesadas comprometidas durante la planificación y el diseño del gemelo.
• Requisitos claros para la arquitectura de la información: como dice Nigel Stroud de Heathrow, «No preguntes, no recibas». El propietario del gemelo digital debe comprender, en profundidad, cómo planea usar el gemelo en el futuro… y luego pedir que los datos y los servicios se entreguen de acuerdo con las especificaciones que proporcionarán lo que se necesita. Esto puede requerir una inversión inicial adicional, pero también es la única forma de obtener de manera confiable datos estandarizados y de calidad garantizada para nutrir el gemelo digital.
• Estándares de datos abiertos y APIs: dado que la integración de datos y sistemas es una gran parte del conjunto de problemas de 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 durante largos períodos de tiempo. Esto es cierto para los modelos BIM, que pueden entregarse de acuerdo con un tipo de archivo estándar de la industria, y también es cierto para 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 va a utilizar un gemelo digital, es posible que el acceso y la autenticación no sean un gran problema. Si un gemelo digital va a ser utilizado por un gran conjunto de colaboradores y partes interesadas en una organización tal 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 va a necesitar una tarjeta CAC, asegúrese de que todos lo sepan al comienzo del proyecto. Las licencias estándar de ArcGIS Enterprise, por ejemplo, son excelentes para compartir dentro de una organización, pero las licencias de ArcGIS Hub Premium agregan la capacidad para que una organización comparta contenido con ciudadanos comunes y participantes de la comunidad.

La herramienta de zonificación DC COZ 3D utiliza ArcGIS.

¿Cuál es el futuro con ArcGIS y los gemelos digitales?

Hoy en día, los clientes de ArcGIS pueden combinar la captura de la realidad, 3D, 2D, datos planimétricos y feeds en tiempo real en experiencias dinámicas e interactivas para ayudar a describir instalaciones individuales, grandes sistemas de transporte y servicios públicos, 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 de 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 APIs, servicios y formatos de datos de estándar abierto que facilitan el intercambio y la integración con otros sistemas empresariales, como IBM Maximo, Autodesk BIM 360, y muchos más.

Los datos de Denver Aerometrex capturan la ciudad con gran detalle y se pueden utilizar para análisis, estado histórico y planificación. Mostrado en ArcGIS Earth.

Muchos de nuestros clientes ya están entrando y explorando el arte de lo posible hoy.

• El aeropuerto de Amsterdam Schiphol ha construido un gemelo digital dinámico de sus instalaciones aeroportuarias que incorpora datos BIM de estándar abierto a través de FME de Safe Software en ArcGIS con datos en vivo para ubicaciones de aeronaves y vehículos terrestres.
• HNTB está utilizando innovadoras aplicaciones en ArcGIS 3D basadas en la web para presentar la visualización de tiempos y costos en proyectos de construcción. Su proyecto de ferrocarril de Long Island permite a los equipos visualizar el progreso del proyecto e incluso desarrollar escenarios para el trabajo futuro, y así explorar los impactos del cronograma y el presupuesto.
• El Aeropuerto Internacional Hartsfield-Jackson de Atlanta ha construido un gemelo digital utilizando CAD, datos BIM, GIS e información sobre el entorno circundante que informa la localización de caminos y la ubicación de equipos, el análisis de peligros y la gestión del espacio.
• Hazen and Sawyer ayuda a los clientes a entregar agua potable segura y limitar la contaminación del agua, y está utilizando GIS como agregador de datos BIM, captura de realidad e información de sistemas sobre plantas de tratamiento de agua completas, para tener una vista de tablero en las operaciones y el estado de mantenimiento de las instalaciones.

Los GIS han jugado un papel central en 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 posibilidades interesantes para crear experiencias más interactivas y ricas, para que los usuarios exploren, analicen y experimenten sus activos y el mundo que los rodea.

Puede esperar de Esri que estaremos invirtiendo fuertemente en captura de realidad, integración BIM, integración de sistemas de edificios, IoT y muchas más tecnologías y herramientas que ayudarán a nuestros clientes a crear los próximos y grandiosos gemelos digitales del mañana con ArcGIS.

Chris Andrews

Esri Inc.