Введение
Цифровой двойник — это цифровая копия физического объекта или процесса, помогающая оптимизировать эффективность бизнеса. Один из первых настоящих цифровых двойников был создан в 2003 году, а наибольший интерес к данному методу пришелся на 2018-2019 гг. Концепция цифрового двойника является частью четвертой промышленной революции и призвана помочь предприятиям быстрее обнаруживать физические проблемы, конкретнее предсказывать их результаты и производить более качественные продукты. Двойники до недавнего времени считались преимуществом исключительно в области принятии управленческих решений, связанных с производством и с контролем технологических процессов, с инжиниринговыми работами, даже само понятие изначально принадлежало исключительно техническим отраслям знаний. Однако несколько лет назад произошло внедрение «новой технологии» в другие направления, и первым была отрасль, связанная с исследованием пространственного распределения различного рода процессов и явлений. Далее – территориальное планирование и градостроительство («умные/виртуальные» города), но одновременно с этим возникла необходимость интеграции не просто трехмерных объектов, сооружений и окружающей среды, но еще и оценки и прогноза ответного реагирования территории с помощью инструментов манипулирования. Таким образом, использование цифровых двойников в управлении природопользованием является актуальной темой и методом исследования в настоящий момент.
Район исследования
Калининградская область расположена на юго-восточном побережье Балтийского моря, является самым западным регионом Российской Федерации и представляет собой эксклав, т. е. территорию, окруженную со всех сторон границами других государств. Специфическое расположение определяет высокую туристическую привлекательность региона для иностранных и отечественных туристов (внутренний туризм). Но во время коронавирусной инфекции 2019-2021 гг. вырос внутренний туризм по всей России. Калининградская область наравне с Москвой, Санкт-Петербургом, черноморским побережьем стала популярным направлением для своеобразной замены европейским городам и остается привлекательным местом для туризма.
Побережье Калининградской области продолжает подвергаться как антропогенному, так и природному влиянию, комбинация этих двух процессов приводит к интенсификации динамических явлений. Также кроме отдельного влияния на состояние берега, процессы взаимодействуют между собой и способствуют усилению разрушения береговой зоны и/или ее охранению. В пределах региона можно выделить две крупные системы: северное и западное побережье. Разделение происходит вследствие выступа Калининградского (Самбийского) полуострова в Балтийское море (м. Таран). Данные две системы можно подразделить на четыре подзоны, поскольку для каждой характерны отличающиеся процессы (рис. 1):
- Балтийская коса
- Западное побережье (г. Балтийск – п. Донское)
- Северное побережье (п. Донское – г. Зеленоградск)
- Куршская коса
Рисунок 1. Побережье Калининградской области
Общая протяженность берега Балтийского моря в пределах Калининградской области составляет около 147 км, из них 39 км – это абразионный берег (на Самбийском полуострове) и 108 км – аккумулятивно-размываемый, который также присутствует на побережьях Куршской и Балтийской кос, протяженность которых (в пределах Калининградской области) 49 и 25 км, соответственно.
Методы
Для выбора ключевого участка и построения прототипа цифрового двойника был использован метод CVI. Методика CVI (Coastal Vulnerability Index / Индекс уязвимости побережья) используется с 80-х годов прошлого века, изначально она использовалась для разработки базы данных об опасностях для прибрежных районов, чтобы обеспечить глобальный обзор относительной уязвимости береговых линий мира к опасностям затопления и эрозии, исследователи объясняли это глобальными климатическими изменениями. Впоследствии методика изменялась другими авторами, которые добавляли специфические параметры для своих районов исследования. Основной трансформации данная методика подверглась включением в нее различного рода параметров, позволяющих оценить антропогенное воздействие.
Основой для расчетной и практической части послужил итальянский вариант методики CVI, потому что она учитывает природные и антропогенные параметры для оценки уязвимости.
За основу расчета индекса уязвимости береговой зоны была взята формула:
где a, b, c... – физические и антропогенные параметры, n – кол-во учитываемых параметров.
В расчетах были совмещены как характеристики самой береговой зоны, так и социально-экономические (антропогенные) факторы, обуславливающие антропогенную нагрузку на зону. Для расчета индекса были выбраны переменные с учетом положения побережья Калининградской области. Результаты расчетов представлены на рисунке 2, где наиболее интересные участки представлены врезками.
Рисунок 2. Степень уязвимости (методом CVI) калининградского побережья
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что значительная часть побережья Балтийского моря в Калининградской области имеет низкую уязвимость (76% от общей протяженности побережья). Остальная территория (24%) испытывает усиленное комбинационное воздействие (выражается в отрицательной динамике берега, сокращении ширины пляжа, угнетении растительности берегового вала, уничтожении существующих естественных и искусственных песчаных валов и совокупном ухудшении состояния экосистемы побережья). Однако проводятся мероприятия по стабилизации негативного воздействия. Выделяются в общей ситуации отмеченные участки на рисунке 2: I – п. Коса (Балтийская коса), II – г. Балтийск (западное побережье), III – г. Светлогорск и п. Рыбное (северное побережье), IV – г. Зеленоградск (северное побережье). Особенно сильно изменения в будущем коснутся побережья г. Балтийска, так как полусредний город на побережье совмещается с чувствительными морфологическими характеристиками. Вместе с тем ситуация может измениться из-за проведения природоохранных мероприятий (берегоукрепительные работы, восстановление или создание морской туристической инфраструктуры), которые необходимо осуществлять с использованием новейших технологий и инженерных решений. Но следует отметить, что существует старая берегозащитная инфраструктура, которая в данный момент не выполняет берегозащитные функции, приводя в некоторых ситуациях к высокой степени уязвимости. Также выделяется участок I (п. Коса, Балтийская коса).
Участок на территории п. Коса (участок I) характеризуется высокой уязвимостью. Данная ситуация связана с популярностью территории в секторе «диких пляжей» до начала июня 2022 г. 15 июня был открыт официальный пляж (создана туристическая инфраструктура, проведены мероприятия по укреплению авандюны), что способствовало стабилизации ситуации на данном участке. Данная прибрежная территория имеет потенциал для развития туристической зоны, но необходимо проводить дальнейшие мероприятия по берегоукреплению. Поэтому именно этот участок был выбран для создания прототипа цифрового двойника.
Результаты
Построение двойника в фазе прототипа прибрежной зоны п. Коса поможет принимать взвешенные управленческие решения в области природопользования. Принятые не очень эффективные с точки зрения природопользования меры привели к разрушению береговой линии, что видно на изображениях, представленных ниже. На картах г. Пиллау в 1940 (именно на этом изображении указан Западный форт) можно видеть достаточно широкую береговую линию перед фортом (около 50 м) в сравнении со спутниковыми снимками 2023 г. (рис. 3), в настоящее время большая часть форта находится в море. Приблизительный размер отступления берега оценивается от 20 до 40 метров на отдельных участках. Поэтому региональные и местные власти начали проводить мероприятия по частичному укреплению берегового вала для развития природопользования с точки зрения туризма на данной территории. С помощью визуализации и манипуляции над прототипом цифрового двойника можно показать все возможные сценарии развития территории как с точки зрения грамотного управления всеми видами природопользования на участке, так и бесконтрольным использованием или отсутствием каких-либо решений по развитию данной местности.
Рисунок 3. Слияние карт 1940 и 2023 года
Исходными данными для построения 3D-модели (рис. 4) послужили снимки с БПЛА, снятые 4 февраля 2022 года после серии штормов. Модель строилась в специализированной программе Agisoft Metashape.
Рисунок 4. 3D-модель прибрежной зоны п. Коса со стороны моря (04.02.2022, сделано автором)
После создания 3D-модели ключевого участка модель была подвергнута различным сценариям в специализированной программе ArcGIS Pro. Благодаря функции 3D-моделирования были построены объекты «будущей» туристической инфраструктуры (жилые объекты, досуговые объекты), объекты городской инфраструктуры (дороги, жилые объекты) и также берегозащитные сооружения (рис.5-6). На нижепредставленных рисунках представлены сценарии развития морского участка п. Коса с учетом планов органов власти (рис.5Б-5Б) и с учетом комбинации процессов со стабильным и постепенным развитием территории (рис.5А-5А). Также представлен негативный сценарий развития с учетом берегоукрепительных работ, которые есть на данный момент (рис.6).
Рисунок 5. Прототипы цифровых двойников побережья около п. Коса
(А – развитие территории с учетом природоохранных мероприятий; Б – развитие территории без учета природоохранных мероприятий)
Рисунок 6. Прототип цифрового двойника побережья около п. Коса (затопление территории)
При позитивном сценарии (рис.5А-5А) можно смоделировать выставление/постройку пескоудерживающих сооружений, таких как буны и биг-бэги (уже есть на реальном объекте) для увеличения пляжной зоны. Развитие первой линии от моря предусматривает строительство гармоничных и вписывающихся по высоте и архитектурному решению здания и сооружения (на постоянном или временном фундаменте по решению застройщика). Каждое инженерное решение проходит процедуру общественного обсуждения для гармонизации и общественного участия в развитии этой территории. Обязательно включение одной туристической зоны, которая будет отдана под застройку, где не предусмотрена вырубка деревьев, а, напротив, рассматривается высадка дополнительных деревьев. Вместе с тем развитие пляжной инфраструктуры подразумевает выставление нестационарных объектов, которые наносят минимальный вред окружающей среде. Стоимость работ для позитивного сценария условно можно оценить порядка 130-200 млн рублей.
Реалистичный сценарий (рис.5Б-5Б), взятый из концепции развития поселка, предусматривает достаточно плотную застройку апарт-отелями большой высотности на первой линии от моря, поскольку они генерируют наибольший финансовый/туристический поток. Возведение двух туристических зон, одна из которых подразумевает вырубку не менее 10-20 деревьев, которые формируют гармоничную придорожную аллею и являются пескоудерживающими объектами. Также в плане присутствует выставление крупных объектов пляжной инфраструктуры, что автоматически вызовет бурные общественные обсуждения и негатив со стороны местных жителей. Стоимость работ для реалистичного сценария возрастает до 1 млрд рублей из-за строительства апарт-отелей и развития большей туристической инфраструктуры и большей этажности некоторых объектов. Но есть и положительный момент в сценарии: при данном виде развития будет реализовано улучшение доступа к коммунальным услугам из-за необходимости прокладывания новых и современных коммуникаций.
Максимально негативный сценарий (рисунок 6) учитывает прорыв дамбы/биг-бэгов и затопление отдельных территорий в п. Коса. Также продолжение разрушения дальше по береговой зоне, где не проведены берегоукрепительные и береговосстановительные мероприятия, с затоплением данной территории, также дальнейшая стагнация ситуации без развития как туристической, так и городской инфраструктуры. Стоимость работ для негативного сценария будет высчитываться из стоимости дальнейших укрепительных работ (от 29 до 50 млн, в зависимости от протяженности участка) и ликвидации/восстановления последствий затопления территории около и в поселке Коса.
Заключение
Полученная информация на прототипе цифрового двойника позволяет принимать управленческие решения с учетом особенностей исследуемой территории: историческое развитие участка, современное состояние инфраструктуры, рельеф, учет природных и антропогенных источников воздействия. Данный метод является визуально доступным также и для представления плана на общественных слушаниях. Визуализация плана застройки с помощью двойника позволяет участникам общественных слушаний лучше понять, как будет выглядеть новое развитие территории/берегоукрепление/строительство в реальности. Они могут просмотреть модель со всех сторон, изменять параметры и видеть, как эти изменения повлияют на окружающую среду и жизнь людей. К тому же цифровой двойник может использоваться для сбора обратной связи от участников общественных слушаний. Они могут высказывать свои комментарии и предложения, которые затем могут быть внесены в план застройки. Главным ограничением является наличие специального программного пакета. Но можно использовать демонстрационные версии программ, у которых будут заморожены/отключены некоторые функции/инструменты, что для сбора комментариев/предложений и первичной обработки будет достаточно. Затем на основном устройстве с полным пакетом установленной программы можно изменить цифровой двойник и представить его органам власти различного уровня (местная, региональная, федеральная). Такая же схема взаимодействия на общественных слушаниях может быть использована и в докладах для государственных органов.
Преимущества использования цифровых двойников в принятии управленческих решений:
- Улучшение точности и качества анализа данных. Цифровые двойники позволяют получить более полное представление об объектах и процессах, что увеличивает точность и качество анализа данных и помогает принимать обоснованные управленческие решения.
- Визуализация сложных процессов. Цифровые двойники позволяют визуализировать сложные процессы, такие как производственные линии или технологические процессы, в более наглядной форме, что упрощает их интерпретацию.
- Улучшение коммуникации. Цифровые двойники позволяют лучше передавать информацию и результаты анализа, что упрощает коммуникацию между различными заинтересованными сторонами и помогает достигать консенсуса при принятии управленческих решений.
- Улучшение планирования и управления проектами. Цифровые двойники позволяют более точно планировать и управлять проектами, так как они позволяют учитывать особенности и ограничения объектов и процессов.
- Улучшение прогнозирования и моделирования. Цифровые двойники позволяют более точно прогнозировать и моделировать различные сценарии развития событий, что помогает принимать обоснованные управленческие решения и минимизировать риски.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Сукманова Т.В., Белов Н.С. (все — Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта, г. Калининград, Россия).
Опубликовано в сборнике трудов конференции «Морские исследования и образование (MARESEDU-2023)», 2024, том I (IV), стр. 498-505.