CC BY
192
УДК 377
ЦИФРОВЫЕ ДВОЙНИКИ В ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСЛУГ
А.В.Титова1, М.Ю.Сучкова2
Санкт-Петербургский государственный экономический университет, 191023, Россия, Санкт-Петербург, наб. канала Грибоедова, д. 30-32, литер А.
В настоящем исследовании изучены вопросы использования технологии цифровых двойников в процессе образования. Рассмотрены аспекты формирования цифровых двойников в различных отраслях, изучен опыт внедрения цифровых двойников в процесс преподавания инженерных дисциплин, выделены основные барьеры на пути внедрения технологии, даны рекомендации по разработке и внедрению технологии цифровых двойников в процесс обучения, проведен анализ основных выгод применения цифрового двойника в системе образования.
Статья опубликована при поддержке гранта РФФИ 20-010-00571 «Влияние цифровой трансформации на повышение качества и инновационности услуг».
Ключевые слова: цифровой двойник, цифровая тень, цифровая модель, процесс обучения, инженерные дисциплины.
DIGITAL TWINS IN IMPROVING THE QUALITY OF EDUCATIONAL SERVICES
A.V. Titova, M.U. Suchkova
St. Petersburg State University of Economics, 191023, Russia, St. Petersburg, nab. Griboyedov Canal, 30-32, letter A.
The study explores the issues of using digital twin technologies in the education process. Aspects of digital twins design in various industries are considered, the experience of using digital twins in the process of education is studied, the main barriers to the introduction of technologies are highlighted, recommendations are given for the development and implementation of digital twins technology in the teaching process, the analysis of the main benefits of using a digital twin in the education system is carried out.
The article was published with the support of the RFBR grant 20-010-00571 "The impact of digital transformation on improving the quality and innovativeness of services."
Keywords: digital twin, digital shadow, digital model, learning process, engineering disciplines.
Цифровые технологии приходят в нашу жизнь, во все сферы, отрасли народного хозяйства и в повседневную рутину. Система образования не является исключением. Современные образовательные платформы позволяют взаимодействовать обучающимся и преподавателям.
Цифровая трансформация образования рассматривается исследователями двояко, так, с одной стороны, безусловно, общепризнанными являются такие достоинства цифровизации как возможность обеспечения широкого доступа к образовательным услугам через цифровые образовательные платформы, что исключительно важно в условиях пандемии, а так же, нашло широкое использование в обучении на протяжении всей жизни, предоставив возможно высокомотивированным людям возможность обучатся не неся дополнительные затраты на дорогу и
прочие издержки очного посещения. С другой стороны, цифровизация образовательного процесса негативно сказывается на вовлеченности в обучение, мотивированности обучающихся и преподавателя. Отсутствие личного контакта между преподавателем и аудиторией ведет к снижению концентрации внимания, мотивации, качества результатов обучения.
Эффективность применения цифровых технологий зависит от сочетания ряда факторов в призме достижения целей обучения и формирования необходимых компетенций. К факторам относятся образовательный контент (содержание и структура), форма подачи контента, практикоориентированность процесса обучения, инструменты вовлечения аудитории, используемые цифровые технологии.
1 Титова Алексаедра Викторовна - кандидат экономических наук, доцент кафедры проектного менеджмента и управления качеством , тел: +7 911 723-48-57, e-mail: [email protected];
2Сучкова Мария Юрьевна- аспирант кафедры проектного менеджмента и управления качеством, тел:+7 921 645-52-05, e-mail:[email protected].
Среди ряда примеров использования цифровых технологий в обучении особое внимание необходимо обратить на применение цифровых двойников. Цифровой двойники могут быть использованы как при проведении очных, так и онлайн занятий, способствую росту практической вовлеченности в процесс обучающегося. Как технология цифровые двойники появились уже более 10 лет назад и используются в секторе производства, позволяя моделировать в цифровой среде будущие продукты, процесс их производства и эксплуатации. Таким образом, взаимодействие обучающихся с цифровыми моделями заводов, производственных процессов, изготавливаемой продукции должно увеличить их связь с реальным миром производства, пусть и через его цифровую копию.
Вопросы внедрения цифровых двойников в образовательный процесс являются новыми для научной дискуссии. Первые статьи, посвященные данной тематике в базе Scopus относятся к 2018 году [2, 3] и рассматривают основные проблемы и решения внедрения цифровых двойников в преподавание инженерным специальностям.
Широкий запрос к базе Scopus, включающий в себя любые упоминания в названии, аннотации и ключевых словах терминов цифровой двойник, образование (digital AND twin AND education) создает выборку из 194 публикаций. Динамика числа данных публикаций представлена на рисунке 1.
80
I Годы
Рисунок 1 - Динамика числа публикаций в базе Scopus, содержащих в названии, аннотации или ключевых словах слова "digital", "twin", "education"
Тем не менее, более подробное изучение статей позволило сделать вывод о том, что лишь небольшая их часть рассматривает возможности использования цифровых двойников в образовании, большая же часть либо просто упоминает данный факт, либо слова сочетаются в ином контексте. Ограничение запроса необходимостью близкого расположения поисковых слов в названии, аннотации, ключевых словах (TITLE-ABS-KEY ( "digital twin" W/5 "education") с целью повышения релевантности отобранных статей сузили выборку до 14 публикаций. Среди рассматриваемых 14 публикаций 3 публикации посвящены общим вопросам внедрения цифровых двойников в образовательный процесс [6, 7, 12], 10 публикаций рассматривают конкретные кейсы, практики, результаты внедрения цифровых двойников в преподавание дисциплин инженерной направленности, организацию цифровых лабораторий [1, 2, 3, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14] и только 1 публикация [5] рассматривает цифровые двойники в призме формирования цифрового двойника образовательного процесса. Интересным представляется рассмотреть распределение авторов публикаций по странам.
Рисунок 2 говорит о том, что публикации распределены равномерно главным образом между странами с высоким уровнем экономического развития, лидерами являются авторы Финляндии и Соединенных Штатов Америки, далее следуют Канада и Россия.
Цифровой двойник - важная технология, связанная с Индустрией 4.0. Не удивительно, что основная масса научных исследований приходится на внедрение цифровых двойников в процесс преподавания инженерных дисциплин. В инженерном образовании важно, чтобы учебные программы постоянно обновлялись. Внедряя новые цифровые технологии, такие как ЦД, мы можем предоставить новые знания студентам, преподавателям и компаниям. Основные вопросы, рассматриваемые авторами статей, -преимущества и выгоды использования технологии ЦД, препятствия внедрения технологии в образовательный процесс, формирование прак-тико-ориентированного опыта с использованием технологии ЦД, роль цифровых двойников в формировании мотивации, этапы организации внедрения технологии в образовательный процесс, существенная внимание уделено вопросам
формирования аппаратного и программного обеспечения внедрения ЦД.
Число публикаций
Рисунок 2 - Распределение авторов публикаций по странам
В настоящей статье мы последовательно рассмотрим основные характеристики цифрового двойника как технологии, рекомендуемый план (алгоритм, процесс) внедрения цифрового двойника и результаты внедрения.
«Особую сложность и важность представляет собой то обстоятельство, что ЦД в образовании должны и будут создаваться отнюдь не как простые копии цифровых двойников в промышленности (технических продуктов, устройств и т.д.), а как «цифровые реплики» весьма специфических для оцифровки социальных объектов, наделённых, с одной стороны, той самой технической и административной стабильностью конструкции, а с другой - всем тем, что принято обозначать понятием «человеческий фактор» [12].
Концепция и модель цифрового двойника, публично представленная в 2002 году Майклом Гривзом, работавшим в то время в Мичиганском университете, на конференции Общества инженеров-производителей в Трое, штат Мичиган. Тогда модель цифрового двойника была предложена в качестве концептуальной модели, лежащей в основе управления жизненным циклом продукта (PLM). Данная концепция предполагала преодоление разрыва между процессами эксплуатации, производства и разработки при помощи цифрового образа объекта. Только позже единая концепция, применимая на
всех стадиях ЖЦТ была разделена на три типа. Типами являются прототип цифрового двойника (DTP), экземпляр цифрового двойника (DTI) и агрегат цифрового двойника (DTA). DTP состоит из проектов, анализа и процессов для реализации физического продукта. DTP существует до того, как появится физический продукт. DTI
- это цифровой двойник каждого отдельного экземпляра продукта после его производства. DTA
- это совокупность DTI, данные и информация которых могут использоваться для исследования физического продукта, прогнозов и обучения. Конкретная информация, содержащаяся в цифровых двойниках, определяется вариантами использования [15].
Существующие в настоящее время определения достаточно широко трактуют понятие цифрового двойника и принимают возможность отсутствия воплощения реального объекта, в то время как ряд практиков не согласен с данным утверждением. «Прежде всего, цифровой двойник всегда должен иметь своего реально существующего и работающего физического «родственника». Если мы создали некую цифровую модель, какого угодно уровня детализации, но ее физическое воплощение отсутствует и не эксплуатируется, то такая модель может называться как угодно, но цифровым двойником считаться не может» [16].
Ручная передача данных l Автоматическая передача данных
Рисунок 1 - Классификация цифровых двойников в зависимости от степени взаимодействия с физическим объектом
С нашей точки зрения, наиболее соответствующей состоянию современной научной и практической мысли в данной области является следующая классификация, используемая в ряде публикаций [10].
- Цифровая модель: обмен данными между физическим и цифровым объектом происходит вручную, благодаря чему любые изменения состояния физического объекта не отражаются напрямую в цифровом, и наоборот.
- Цифровая тень: данные от физического объекта передаются в цифровой автоматически, наоборот - вручную. В результате любое изменение физического объекта можно увидеть в его цифровой копии, но не наоборот.
- Цифровой двойник: в этом типе ЦД существует автоматический двунаправленный поток данных между физическим и цифровым объектом. Следовательно, изменения в одном объекте, физическом или цифровом, напрямую приводят к изменениям в другом.
Этапы внедрения ЦД достаточно полно рассмотрены в статье [12]:
Подготовительный этап включает в себя определения объекта/процесса, для которого проектируется цифровой двойника также выявление всех его характеристик (внутренних и внешних) и составление электронного паспорта, то есть оцифровка всех необходимых для его создания документов, технического задания,
включающее чертежи, математические модели и т.п.
Этап сбора данных состоит из определения типа и объёма данных, которые будут сниматься с объекта. Определения способа сбора, обработки и хранения данных (считывание информации с датчиков-видеокамер для фиксации движения зрачков при считывании учебной или иной информации, датчиков температуры помещения, скорости набора текста на клавиатуре и т.п.) и определения дизайна цифровой модели.
Этап разработки: создать цифровой двойник - разработать программную систему с учётом всех выделенных характеристик объекта. Этап внедрения, верификации и корректировки: 1) созданный цифровой двойник запускается в эксплуатацию (анализирует и обрабатывает полученную информацию, сравнивает с шаблонными данными, выявляет проблемы и расхождения и на основе искусственного интеллекта принимает решение о её решении); 2) ЦД формирует отчёт для разработчиков в заданном формате о работе реального объекта, чьим двойником он является.
Интересная модель ЦД представлена на рисунке 3 [7]. Данная модель показывает три важных аспекта разработки цифрового двойник для процесса обучения, а так же, иллюстрирует масштабность требований и возможные противоречия заинтересованных сторон в требованиях к будущей технологии.
Создание контента
Операции и управление
Потребности и доставка
Академия
IEEE
Industry
Команда/ группа
Индивидуум
Вход
Курсы Конференции Публикации
Гг
И
IEEE Репозиторий
Л \ Двойни
Устаревание
Требования
к знаниям
Доступность знания. Источники ресурсам
Доступность общего знания
Члены
Профессионалы Компании
1 Система запросов к знаниям Знание как услуга
?
Индивидуум Контекст Время Результаты
J
Мультиплатформа
Рисунок 3 - Модель цифрового двойника симбиотического обучения
Для наглядности цифровой двойник разделен на три части: (A) создание контента, (B) операции и управление и (C) потребности и доставка. Каждая часть также подразделяется на несколько групп мероприятий.
Например, в группе создателей контента есть три отдельных важных создателя контента: организации, группы и отдельные лица. К организациям относятся компании, занимающиеся академическими исследованиями, промышленными исследованиями, предоставляющие образовательные услуги, технические и научные организации, такие как Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE), Институт инженерии и технологий (IET, ранее Институт инженеров-электриков, IEE), Ассоциация вычислительной техники (ACM). Так же к создателям контента относятся команды и группы лиц, цели и движущие силы которых могут фундаментально отличаться от организации перечисленных ранее. Их влияние также может быть самым разным по масштабу. Подрывные технологии и идеи часто начинаются на этом уровне. Индивидуум, как создатель контента, действует иначе. Люди проводят исследования, пишут статьи, читают документы, соединяют точки или отношения, которые раньше не видели другие, создают курсы, участвуют в конференциях, вносят свой вклад в команды, а также вносят свой вклад в компании, страны и общества.
Эта операционная и управленческая часть модели цифрового двойника включает три ключевых компонента: хранилище всех известных данных, структуру машинного обучения, и часть цифрового двойника, видимая внешнему миру. Используя лучшие доступные механизмы машинного обучения, созданная для машинного обучения структура классифицирует огромный приток новых знаний и опыта, а также оценивает устаревание и возможное прекращение использования элементов знания.
Третья часть схемы цифрового двойника отвечает за определение индивидуальных потребностей и индивидуальных методов доставки. Потребности могут быть связаны с особенностями как личного характера, так и профессионального и исходить от индивидуумов, организаций, обществ, страны. Есть еще один возможный результат использования цифровых двойников, а именно использование цифровых теней для сбора бизнес-аналитики в киберпро-странстве от отдельных лиц, компаний, организаций, правительств, стран и экономических систем уже практикуется. Однако неконтролируемые и неэтичные действия могут привести к краху самой системы, поскольку отдельные лица могут выбрать только прибыльную часть системы.
Симбиотическое образование обещает оказать большое влияние на то, как мы учимся, приобретаем навыки, взаимодействуем с
людьми и машинами, открываем новое, учимся управлять новыми вещами и видеть реальность намного глубже.
Интересное исследование, посвященное внедрению ЦД провели представители академического сообщества Финляндии. Участниками этого первого цикла были 21 ученик и два учителя. Второй цикл был реализован в 2017 году, для этого цикла в концепцию были внесены незначительные изменения. Участниками этого второго цикла были 28 студентов и два учителя. Третий и последний цикл был реализован в 2018 году; в рамках этого цикла студенты после курса ответили на анкету, посвященную дигитализа-ции и технологии цифровых двойников. Участниками этого третьего цикла были 42 студента и два учителя. После третьего цикла был проведен опрос студентов третьего цикла. Процент ответивших составил 92%. Целью данного исследования была оценка влияния технологии цифрового двойника на результаты обучения, мотивацию, легкость усвоения материала и т.п. Результаты исследования представлены на рисунке 4. Как мы видим технология цифрового двойника положительно влияет на процесс обучения.
Исследователи выделяют следующие выгоды:
1) цифровой двойник позволяет проводить эксперимент в интерактивной форме, так что учащиеся, которые не присутствуют, могут участвовать в эксперименте в некоторой степени через Интернет;
2) цифровой двойник может существовать бесконечно долго как ресурс с большим объемом данных в облаке даже после завершения эксперимента, так что любой, у кого есть доступ, может получить полную информацию о прошлом эксперименте для дальнейшего анализа;
3) цифровой двойник может быть легко клонирован, отредактирован и перераспределен в облаке любым авторизованным пользователем, так что инкапсулированные данные могут совместно использоваться, повторно использоваться и агрегироваться для поддержки сообщества специалистов по данной теме [14].
Цифровые двойники являются эффективной технологией обучения в условиях циф-ровизации. Обучающиеся благодаря использованию данной технологии могут изучить цифровые копии реальных заводов и производственных процессов. Использование цифровых двойников в обучение обеспечивает легкость подготовки к практике и экспериментам в реальности, не требуют установки никакого дополнительного оборудования, с цифровыми двойниками может работать неограниченное количество людей, обучение с использованием данной технологии возможно как в очном, так и онлайн формате. Цифровые двойники рекомендуется использовать в качестве иллюстративного
материала для изучения базовых знаний во многих курсах автоматизации и программирования. Несмотря на значительные плюсы технологии, успех внедрения цифрового двойника в образовательный процесс зависит от эффективного решения ряда организационных и педагогических задач. Необходимо так же отметить, что создание технологии цифрового двойника процесс дорогостоящий, здесь необходимо отметить как
высокую стоимость лицензий на программное обеспечение в сфере СЛБ-моделирования, так и высокую стоимость труда квалифицированных кадров. Тем не менее, в случае успеха, использование технологии цифрового двойника в образовательном процессе обеспечивает рост вовлеченности и мотивации обучающихся, ориентацию обучения на современную практику, повышению качества результатов обучения.
Технология цифровых двойников (%)
Термин «Цифровой двойник» был мне знаком до курса (в среднем 2.6)
Я думаю, что курс будет полезен мне в будущем (в среднем 4.4)
Преподаватели обладали достаточными знаниями по предмету (в среднем 4.1)
Использовали 1Т при работе (в среднем Кур с о цифровых двойниках повысил мою мотивацию к учебе (в среднем 3.9)
Курс помог мне в учебе (в среднем 3.5)
Курс позволил гибко обучаться в рамках курса (в среднем 3.2)
Считаю, что курс облегчает мою работу и полезен в жизни (в среднем 3.9)
Рисунок 4 - Исследование оценки влияния технологии цифрового двойника на результаты обучения,
мотивацию, легкость усвоения материала и пр.
Литература
1. APPL, C., MOSER, A., BAGANZ, F. and HASS, V.C., 2021. Digital Twins for Bioprocess Control Strategy Development and Realisation. Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 177, pp. 63-94.
2. AUTIOSALO, J., 2018. Platform for industrial internet and digital twin focused education, research, and innovation: Ilmatar the overhead crane, IEEE World Forum on Internet of Things, WF-IoT 2018 - Proceedings 2018, pp. 241-244.
3. DAVID, J., LOBOV, A. and LANZ, M., 2018. Leveraging Digital Twins for Assisted Learning of Flexible Manufacturing Systems, Proceedings - IEEE 16th International Conference on Industrial Informatics, INDIN 2018 2018, pp. 529-535.
4. GUC, F., VIOLA, J. and CHEN, Y., 2021. Digital twins enabled remote laboratory learning experience for mechatronics education, Proceedings 2021 IEEE 1st International Conference on Digital Twins and Parallel Intelligence, DTPI 2021 2021, pp. 242-245.INSNER, W., 2021. Digital Twins for Personalized Education and Lifelong Learning, Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering 2021.
5. KINSNER, W., 2019. Towards evolving symbiotic education based on digital twins. Mondo Digitale, 18(80),.
6. KINSNER, W. and SARACCO, R., 2019. Towards Evolving Symbiotic Cognitive Education Based on Digital Twins, Proceedings of 2019 IEEE 18th International Conference on Cognitive Informatics and Cognitive lonComputing, ICCI*CC 2019 2019, pp. 13-21.
7. LEI, Z., ZHOU, H., HU, W., LIU, G., GUAN, S. and FENG, X., 2021. Towards a Web-Based Digital Twin Thermal Power Plant. IEEE Transactions on Industrial Informatics, .
8. LEI, Z., ZHOU, H., HU, W., LIU, G.-., GUAN, S. and FENG, X., 2021. From Virtual Simulation to Digital Twins in Online Laboratories, Chinese Control Conference, CCC 2021, pp. 8715-8720. '
9. LILJANIEMI, A. and PAAVILAINEN, H., 2020. Using Digital Twin Technology in Engineering Education-Course Concept to Explore Benefits and Barriers. Open Engineering, 10(1), pp. 377-385.
10. RASSUDOV, L., AKMURZIN, E., KORUNETS, A. and OSIPOV, D., 2021. Engineering Education and Cloud-Based Digital Twins for Electric Power Drive System Diagnostics, 2021 28th International Workshop on Electric Drives: Improving Reliability of Electric Drives, IWED 2021 - Proceedings 2021 '
11. VIKHMAN, V.V. and ROMM, M.V., 2021. "Digital Twins"in education: Prospects and reality. Vysshee Obrazovanie v Rossii, 30(2), pp. 22-32.
12. WU, Z., 2019. Work in progress: Enable digital thread and digital twin learning environment for cyber-manufacturing education, ASEE Annual Conference and Exposition, Conference Proceedings 2019.
13. XIE, C., LI, C., DING, X., JIANG, R. and SUNG, S., 2021. Chemistry on the Cloud: From Wet Labs to Web Labs. Journal of chemical education, 98(9), pp. 28402847. '
14. Титова А.В., Титова М.М. Цифровые двойники в сертификации и техническом регулировании. в
сборнике: национальная концепция качества: техническое регулирование и стандартизация в развитии цифровой экономики. сборник тезисов докладов национальной научно-практической конференции с международным участием. Санкт-Петербург, 2021.
15. Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности. Экспертно-аналитический доклад. Подготовлено Инфраструктурным центром "Технет" НТИ. Москва-2019. [Электронный ресурс]: -http://assets.fea.ru/uploads/fea/news/2019/12_december /28/cifrovoy_dvoinik.pdf
УДК 33: 338: 332
ПРИНЦИПЫ И МЕХАНИЗМ СТРАТЕГИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ РАЗВИТИЯ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РФ
А.Л. Пастухов1
Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, Северо-Западный институт управления, 199178, Россия, Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., 57 /43.
Статья посвящена теоретическим аспектам стратегического пространственного планирования развития арктической зоны Российской Федерации. В ней сделан анализ отечественных и иностранных нормативно-правовых документов в области территориального пространственного развития, представлены принципы и механизм разработки плана регионального развития для Арктической зоны на основе различных подходов с учетом обеспечения национальной безопасности.
Ключевые слова: стратегия, планирование, территориальное развитие, экология, ресурсосбережение, устойчивое развитие, промышленный симбиоз, национальная безопасность
PRINCIPLES AND MECHANISM FOR STRATEGIC SPATIAL PLANNING OF THE DEVELOPMENT OF THE ARCTIC ZONE OF THE RUSSIAN FEDERATION
A.L. Pastukhov
The Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration, North-West Institute of Management, 199178 Srednyprospect V.O., 57/43, St. Petersburg, Russia The article is devoted to theoretical aspects of strategic spatial planning for the development of the Arctic zone of the Russian Federation.
It contains an analyzes domestic and foreign regulatory documents in the field of territorial spatial development, presents the principles and mechanism for developing a regional development plan for the Arctic zone on the basis of various approaches, taking into account the provision of national security.
Keywords: strategy, planning, territorial development, ecology, resource conservation, sustainable development, industrial symbiosis, national security.
В настоящее время планомерное развитие Арктической зоны Российской Федерации является важнейшей государственной народнохозяйственной задачей.
Значимость Арктики, как части территории России, возросла в связи с увеличением в
ней разведанных запасов полезных ископаемых, изменением климата, милитаризацией арктического пространства, необходимостью обеспечения национальной безопасности на северных границах страны и в исключительной экономической зоне РФ.
1 Пастухов Александр Львович - кандидат философских наук, доцент, доцент кафедры безопасности СЗИУ РАНХиГС, тел.: +7 (911)188-49-42, e-mail: [email protected].
