Цифровой двойник (англ. Digital Twin) – это программный аналог объекта, моделирующий его внутренние процессы и характеристики в условиях воздействий помех и окружающей среды. Цифровой двойник ландшафта субъекта РФ – это динамическая виртуальная модель ландшафта региона, отражающая его текущее состояние в режиме реального времени и позволяющая прогнозировать сценарии его развития.

Технология работает на основе данных, поступающих с реальных оконечных устройств (IoT-датчиков) или из других источников (например, из системы дистанционного зондирования Земли). Цифровая модель позволяет менять параметры функционирования оборудования или степень воздействия внешних факторов для выявления проблемных «узких» мест в системах и процессах, участвует в подготовке процесса реагирования на кризисные ситуации и (или происшествия) с помощью прогностических моделей, а также может применяться при инфраструктурном планировании.

Цифровая модель ландшафта водных объектов строится на основе данных, полученных в том числе с помощью систем дистанционного зондирования Земли. В результате паспортизации объекта собираются данные о его ландшафте (опись глубин), степени его загрязнения, его флоре и фауне и т.д. Информация оцифровывается и собирается в 4D-модель объекта (4 измерение – время, поскольку актуализация данных происходит в режиме реального времени). Затем с помощью искусственного интеллекта возможно моделирование различного вида кризисных ситуаций и (или) происшествий – например, нефтеразлива, повышения среднегодовых температур в результате изменения климата, паводков и т.д. Автоматические просчитывается то, как внешние факторы воздействуют на изменения внутренних характеристик водоема, какой урон наносится хозяйственному комплексу и населению.

Цифровые двойники – ключевой механизм в системе поддержки принятия решений и управления рисками, поскольку они позволяют смоделировать различные сценарии развития ситуации на объекте и просчитать риски и выгоды того или иного действия. Цифровые двойники дают более точные и оперативные прогнозы, чем те, что вырабатываются методом экспертных оценок. Они также способствуют повышению уровня безопасности объекта, поскольку всегда на один шаг впереди.

Система мониторинга качества воздуха (СМКВ) – комплекс программных и аппаратных средств для измерения скорости, направления ветра, других погодных параметров, концентрации загрязнителей воздуха (таких как SO2, NOx, CO, O3 и т.д.) и твердых частиц в непрерывном режиме в течение всего года.

Система служит для наблюдения за состоянием атмосферного воздуха для оценки и прогноза основных тенденций изменения качества атмосферного воздуха, что делает возможным своевременное реагирование на угрозы загрязнения атмосферного воздуха, а также для контроля метеорологической обстановки.

Система мониторинга атмосферного воздуха включает несколько элементов:

•   система контроля атмосферного воздуха
•   система контроля выброса вредных веществ
•   система контроля выброса опасных веществ.

Система мониторинга атмосферного воздуха состоит из окончных устройств — измерительных приборов (автоматических анализаторов с непрерывным режимом работы, которые позволяют получать данные в режиме реального времени), а также специального программного обеспечения, которое анализирует полученные данные с датчиков и других систем сбора информации.

Системами контроля выброса вредных и опасных веществ определяются концентрации основных загрязняющих веществ (твердые частицы (недифференцированная по составу пыль/аэрозоль), диоксид серы, оксид углерода, диоксид азота). Также отслеживается концентрации приоритетных специфических загрязняющих веществ: формальдегида, аммиака, фенола, сероводорода, сероуглерода.

Гидрохимический фон водоемов определяется многими факторами. На этот фон накладывается воздействие индустриально-коммунальных центров, сельскохозяйственных комплексов, транспорта, а также выпадение загрязнений из атмосферы. Для определения состояния поверхностных вод используются автоматизированные системы гидрохимического мониторинга.

Основные функции системы:

• контроль основных показателей качества поверхностных вод (мутность, цветность, аммиак, фосфаты, железо, рН, растворенный кислород, электропроводность, хлориды, температура)
• выявление превышения параметров качества воды пределов допустимых значений;
• анализ качества природной воды и формирование подробной информационной справки о ситуации.

Функционирование системы предполагает сбор, передачу и обработку данных о состоянии поверхностных вод для своевременного выявления, предотвращения и прогнозирования возможных негативных процессов, приводящих к ухудшению качества воды.

Автоматизированная система мониторинга качества воды позволит уменьшить время определения загрязнения до нескольких минут, моделировать изменения качества воды и прогнозировать его, обеспечить централизованный мониторинг качества воды.

Система также включает в себя устройства для мониторинга паводковой обстановки. Мониторинг паводковой обстановки служит для того, чтобы

с высокой точностью определять текущий режим пропуска воды

следить за паводковой обстановкой получать данные о специальных пропусках воды следить за наполнением водохранилищ и выпуске воды из них оперативно принимать решения, основываясь на актуальной, своевременно полученной информации.

Все это возможно за счет того, что система позволяет получать и оперативно обрабатывать информацию от устройств мониторинга, установленных непосредственно на гидротехнических сооружениях и водоемах.

Мониторинг паводковой обстановки предназначен для:

• автоматизации процесса на основе анализа данных непрерывных замеров уровня воды
• оперативного информирования ответственных лиц о возможном превышении предельно допустимых значений по уровню воды в водоеме
• автоматического информирования об угрозе чрезвычайных ситуаций в автоматизированную систему оповещения населения или центр управления комплексной системой безопасности жизнедеятельности.

Система используется для своевременной оценки сейсмической опасности, предупреждения землетрясений.

Благодаря системе мониторинга сейсмической активности возможно качественнее реагировать на угрозы землетрясений, вулканических извержений, карстовых провалов, оползней, схода снежных лавин, обвалов, схода селевых потоков. Сейсмологический мониторинг позволяет изучать причины происхождения очагов землетрясений и определить их кинематические и динамические параметры, а также оценить степень сейсмических воздействий, их опасность и риск для хозяйственных объектов; но главное – разрабатывать методики прогнозирования землетрясений.

Сейсмологический мониторинг ведется на основе применения современных передовых технологий: 

• цифровой регистрации сейсмических сигналов и параметров геофизических полей; 
• широкополосных цифровых сейсмических станций; 
• телекоммуникационных систем на базе спутниковых и кабельных каналов связи; 
• систем спутниковой навигации GPS; 
• компьютерной обработки информации в режиме, близком к реальному времени; 
• снимков со спутников, используемых для дистанционного зондирования Земли.

Система мониторинга сейсмической активности реализуется за счет широкого спектра оконечных устройств:

• сейсмометров
• сейсмических станций
• сейсмических антенн.

Система предназначена для обнаружения, локализации, определения характеристик и мониторинга лесных пожаров.

Метод обнаружения лесных пожаров — использование камер наблюдения и беспроводных сенсорных сетей. Новые технологии служат в качестве автоматизированных систем раннего предупреждения.

Система реагирует на следующие параметры:

• система видеокамер способна распознавать спектр дыма и огня в дневное и ночное время
• тепловые камеры обнаруживают тепловое свечение огня
• ИК-спектрометры используются для определения спектральных характеристик дыма
• системы LIDAR (обнаружение света и дальности) измеряют отраженные лазерные лучи от частиц дыма.

Один из наиболее эффективных и технологичных способов — лидарные технологии обнаружения пожаров. Это способ обнаружения и определения местонахождения лесных пожаров на ранней стадии с использованием лидара. 

Лидар — это аббревиатура от «light detection and ranging» (обнаружение света и дальность действия). Иногда его называют «лазерным сканированием» или «3D-сканированием». Технология использует безопасные для глаз лазерные лучи для создания трехмерного изображения исследуемой среды.

Система содержит лазер и специализированное программное обеспечение, которое управляет системой сканирования лазерным лучом и производит автоматическое распознавание признаков дыма в лидарном сигнале на основе алгоритма нейронной сети. Преимущество лидарных технологий заключается в том, что они позволяют обнаружить и определить местонахождение пожаров раньше и на большем расстоянии, чем системы, имеющие более низкую чувствительность.

Система мониторинга почвы и сельскохозяйственных земель (агроэкологический мониторинг) – важный шаг в цифровизации сельского хозяйства и оценке влияния сельскохозяйственной деятельности, техногенного загрязнения и других факторов на состояние почв.

Агроэкологический мониторинг заключается в оценке и контроле состояния грунта и почвенного покрова, прогнозировании возможных изменений почв под влиянием внешних и внутренних факторов, а также последствий, к которым это может привести. Ведется не просто инвентаризация сельскохозяйственных участков, но также регистрируются участки эрозийных разрушений, переувлажнения, заболачивания, других видов деградации почв.

Мониторинг может осуществляться как с помощью дистанционного зондирования Земли или дронов, так и с помощью оконечных устройств, контролирующих изменения кислотно-щелочного баланса почвы, загрязнение тяжелыми металлами, бытовыми и промышленными отходами и т.д., метеорологических комплексов, фиксирующих погодные и микроклиматические данные. Оконечные устройства могут быть установлены на сельскохозяйственной технике или в виде распределенных сенсорных сетей, предоставляющих данные в режиме реального времени. Комплексная система мониторинга позволяет агрегировать эти данные, полученные из различных источников, друг с другом. Система также предполагает создание цифровых карт для визуализации информации.

Внедрение подобной системы мониторинга будет способствовать повышению информированности федеральных, региональных, муниципальных органов власти, сельскохозяйственных производителей и потребителей их продукции. Таким образом будет обеспечено принятие обоснованных управленческих решений, направленных на рациональное использование земель для ведения сельскохозяйственного производства, их охрану и восстановление, а также повышения качества сельскохозяйственной продукции и уровня здравоохранения ее потребителей. Кроме того, это позволит выработать рекомендации для повышения урожайности сельскохозяйственных угодий.