صنعت ساخت به‌طور سنتی در پذیرش فناوری‌های دیجیتال کند عمل کرده است که این موضوع منجر به جریان‌های کاری ناکارآمد، افزایش مکرر هزینه‌ها و تأخیر در پروژه‌ها شده است. علاوه بر این، ساختار پراکنده‌ی این صنعت که از ویژگی‌های ذاتی آن در بازار محسوب میشود، این چالش‌ها را تشدید میکند. پذیرش دیجیتالی‌سازی و حرکت به‌سوی صنعت ۴.۰ می‌تواند با افزایش نوآوری و بهبود همکاری میان ذی‌نفعان، کارایی و بهره‌وری را در صنعت ساخت به‌طور چشم‌گیری ارتقا دهد و در نهایت شکاف‌های اطلاعاتی و ناهمخوانی داده‌ها را کاهش دهد. فناوری دوقلوی دیجیتال (Digital Twin) این امکان را فراهم میکند تا جهان فیزیکی با جهان دیجیتال ادغام شود. این فناوری پتانسیل آن را دارد که صنعت ساخت را متحول کرده و به برخی از چالش‌های کلیدی آن پاسخ دهد. از همین رو، مفهوم DT توجه زیادی را به خود جلب کرده و با سرعت بالایی در حال توسعه است. در این مقاله، ابتدا مفاهیم بنیادین DTو روند توسعه آن مرور میشود. در ادامه، به بیان قابلیت‌ها و مزایای استفاده از آن پرداخته میشود. سپس، وضعیت کاربرد DT در مراحل مختلف چرخه عمر پروژه از طراحی تا بهره‌برداری و نگهداری مورد بررسی قرار می‌گیرد.
- آشنایی با DT و روند توسعه‌ی آن
تعریف دوقلوی دیجیتال (DT) بر اساس کاربرد آن، مستقل از حوزه‌های صنعتی خاص، انجام شده است. DT قواعد رفتاری موجودیت فیزیکی را منعکس میکند و در طول چرخه حیات خود به‌روزرسانی میشود. همچنین، DT را به عنوان شبیه‌سازی شیء فیزیکی برای پیشبینی وضعیت‌های آینده سیستم توصیف کرده‌اند. داده‌هایی که دنیای فیزیکی و دیجیتال را همراه با تعامل پویا و دوسویه بین اشیاء فیزیکی و مدل‌های مجازی به هم متصل میکنند، عناصر کلیدی دوقلوهای دیجیتال هستند. DT فناوری مشخص و یکتایی نیست و می‌توان آن را با بهره‌گیری از فناوری‌های گوناگون پیاده‌سازی کرد. چندین فناوری در حوزه‌های مرتبط با داده، مدلسازی با دقت بالا یا شبیه‌سازی مبتنی بر مدل در کاربردهای DT به‌کار گرفته می‌شوند.
دوقلوهای دیجیتال بر اساس سطوح یکپارچگی به چهار دسته طقبه‌بندی می‌شوند؛ مدل دیجیتال؛ این مدل هیچ‌گونه جریان خودکار اطلاعات از دنیای فیزیکی به دنیای مجازی را شامل نمی‌شود. سایه دیجیتال؛ شامل جریان اطلاعات خودکار و یک‌طرفه از دنیای فیزیکی به دنیای مجازی است. دوقلوی دیجیتال؛ یک دوقلوی کاملاً یکپارچه است که در آن دنیای فیزیکی و دنیای مجازی به‌صورت دوطرفه با یکدیگر تعامل دارند.
طبقه‌بندی سطوح مختلف بلوغ DT در جدول 1 ارائه شده است. تاکنون بیشتر مفاهیم مربوط به DT در سطوح ۰ تا ۳ بلوغ قرار دارند تنها تعداد کمی از آن‌ها وارد مرحله یکپارچه‌سازی با جریان‌های بلادرنگ داده شده‌اند. این مسئله عمدتا به دلیل چالش‌های مربوط به جمع‌آوری، فیلتر کردن، و پردازش داده‌ها به‌صورت بلادرنگ است.
جدول 1- سطوح بلوغ دوقلوی دیجیتال
| سطح | اصل |
| 0 | ثبت واقعیت (برای مثال: ابر نقاط، پهپادها، فتوگرامتری یا نقشه‌ها/طرح‌های دستی) |
| 1 | نقشه/سامانه دوبعدی یا مدل سه‌بعدی (برای مثال: مبتنی بر اشیاء، بدون فراداده یا مدل‌های اطلاعات ساختمان) |
| 2 | اتصال مدل به داده‌های ایستا، فراداده و مدل اطلاعات ساختمان (BIM) — مرحله ۲ (برای مثال: اسناد، نقشه‌ها، سامانه‌های مدیریت دارایی) |
| 3 | غنی‌سازی با داده‌های بلادرنگ (IoT، حسگرها) |
| 4 | یکپارچه‌سازی و تعامل داده‌ای دوسویه |
| 5 | عملیات و نگهداری خودکار |
2. قابلیت‌ها و مزایای استفاده از DT
اجماع نظر بر روی سه قابلیت اصلی وجود دارد: توانایی مدلسازی مجازی، قابلیت شبیه‌سازی، و توانایی ارتباط دوطرفه. این سه ویژگی، در واقع “حداقل مفهوم” DT را تشکیل می‌دهند. این فناوری به کاربران این امکان را می‌دهد که عملکرد یک شیء فیزیکی را در طول چرخه عمر آن تحلیل، مدلسازی و بهینه‌سازی کنند.
فناوری DT قادر است داده‌ها را به‌صورت بلادرنگ جمع‌آوری و مدیریت کند. و یک مخزن مشترک برای تمام داده‌های مرتبط با پروژه، اعم از گذشته و حال، فراهم آورد. این امر منجر به به‌روزرسانی مدل‌های “ساخته‌شده واقعی” (as-built)، کاهش جمع‌آوری و ورود تکراری داده‌ها و بهبود تبادل اطلاعات و دسترسی‌پذیری در سراسر فعالیت‌های عملیاتی سازمان میشود.
تفاوت اصلی بین مدل شبیه‌سازی و DT این است که مدل شبیه‌سازی با تکیه بر فرضیات پایه‌ای، پیش‌بینی‌هایی از وضعیت‌های آینده یک سیستم فیزیکی انجام می‌دهد، در حالی که DT تجربه واقعی یک سیستم فیزیکی را نظارت کرده و وضعیت‌های گذشته و فعلی یک نمونه خاص از آن سیستم را ارزیابی میکند. بنابراین، DT وضعیت‌های واقعی تجربه‌شده را به‌صورت همزمان با بهره‌برداری از آن نمونه خاص، ثبت و پیگیری میکند.
3. کاربردهای DT در مراحل مختلف چرخه عمر پروژه
این بخش، خلاصه‌ای از کاربردهای DT در صنعت ساخت ارائه می‌دهد که بر فازهای مختلف چرخه عمر تمرکز دارد.
3-1- کاربردها در دوره طراحی و مهندسی
با استفاده از فناوری مدلسازی دقیق DT برنامه‌ریزی و طراحی پروژه‌ها از نقشه‌های دوبعدی سنتی و تحلیل‌های ایستا به فرایندهای شبیه‌سازی پویا در محیط‌های مجازی سه‌بعدی تحول می‌یابد. در نتیجه درک شهودی بی‌سابقه‌ای از طرح‌ها و امکان بهینه‌سازی آن‌ها را در اختیار برنامه‌ریزان قرار می‌دهد. این روش امکان آزمون طرح‌های مختلف طراحی را در یک محیط مجازی فراهم میکند و امکان مشاهده و ارزیابی شهودی عملکرد احتمالی آن‌ها را به وجود می‌آورد. بهینه‌سازی سناریو یکی از کاربردهای حیاتی DT در مرحله برنامه‌ریزی و طراحی محسوب میشود. این قابلیت به برنامه‌ریزان امکان می‌دهد تا میان اهداف مختلف تعادل برقرار کنند.
به عنوان مثال، از شبیه‌ساز ترافیک و داده‌های بلادرنگ شمارش‌گرهای بزرگراه برای توسعه DT استفاده کرده اند تا جریان ترافیک بزرگراه را شبیه‌سازی کنند و گلوگاه‌ها و نقاط ازدحام را شناسایی کرده و به برنامه‌ریزی و طراحی بهتر جاده‌ها کمک کنند.
2-3- کاربردها در دوره ساخت
DT به پایش فرایند ساخت کمک میکند و به‌صورت پیوسته با به‌روزرسانی وضعیت پیشرفت و میزان مصرف منابع، اطلاعات دقیقی فراهم می‌سازند. این امر به مدیران پروژه کمک میکند تا رویکردی مؤثر در تخصیص منابع—از جمله نیروی انسانی، ماشین‌آلات و مصالح—اتخاذ کرده و اطمینان حاصل کنند که عملیات ساخت مطابق با نقشه‌های طراحی پیش می‌رود. علاوه بر این، DT می‌تواند داده‌های تاریخی را با وضعیت فعلی مقایسه کرده و عوامل مؤثر بر پیشرفت ساخت را پیشبینی کند و بدین ترتیب پشتیبانی تصمیم‌گیری علمی‌تری را برای مدیران فراهم آورد. همچنین این سیستم به مدیران پروژه امکان می‌دهد تا استفاده و موقعیت تجهیزات را ردیابی کنند تا بهره‌وری تجهیزات بهینه شده و زمان‌های بیکاری کاهش یابد. DT می‌تواند مشکلات احتمالی در مرحله ساخت، مانند تأخیر در زنجیره تأمین یا خطاهای اجرایی را پیشبینی کند. این قابلیت امکان آمادگی قبلی را فراهم میکند تا از هزینه‌ها و اتلاف زمان بیش از حد جلوگیری شود. DT هشدارهای مؤثر درباره ریسک‌های ایمنی در محل‌های ساخت ارائه می‌دهد. با تحلیل داده‌های حسگر به‌صورت لحظه‌ای، منابع خطر بالقوه مانند خرابی تجهیزات، مناطق عملیاتی با ریسک بالا و شرایط غیرعادی محیطی را شناسایی میکند. در حوزه کنترل کیفیت، DT با نقشه‌برداری مجازی لحظه‌ای از فرآیند ساخت، امکان ردیابی و مدیریت کیفیت ساخت در تمام مراحل را فراهم می‌سازد. زمانی که این فناوری با مدلسازی اطلاعات ساخت (BIM) ترکیب میشود، دوقلوهای دیجیتال مشخصات دقیق مرحله طراحی را با عملیات واقعی در حین ساخت مقایسه میکنند و از انطباق با استانداردها اطمینان حاصل میکنند. علاوه بر این، با یکپارچه‌سازی داده‌های زنجیره تأمین، DT کیفیت مصالح را ردیابی و بازرسی میکند تا اطمینان حاصل شود که تمامی مصالح با استانداردهای قانونی مطابقت دارند.
به عنوان مثال، با تمرکز بر مدیریت هوشمند پروژه‌های ساخت یک چارچوب دوقلوی دیجیتال تحت ادغام مدلسازی اطلاعات ساخت (BIM)، اینترنت اشیا (IoT) و تکنیک‌های داده‌کاوی (DM)ارائه شده است. این فناوری‌ها داده‌های ساخت را به‌صورت لحظه‌ای جمع‌آوری و تحلیل کرده‌اند تا بتوانند مشکلات و تأخیرهای احتمالی را زود تشخیص دهند، حجم کاری آینده را پیشبینی کنند و عملیات ساخت را بهینه‌سازی کنند.
3-3- کاربرها در دوره بهره‌برداری و نگهداری
DT می‌تواند جریان اطلاعات میان ذی‌نفعان مختلف را در دوره بهره‌برداری تقویت کند. در فاز بهره‌برداری و نگهداری، فناوری DT در زمینه‌های مدیریت تسهیلات، مدیریت نگهداری، پایش، فرآیندهای لجستیکی، شبیه‌سازی انرژی پروژه و کمک به مدیریت شرایط اضطراری کاربرد دارد. DT می‌تواند به مدیران تأسیسات این امکان را بدهد که تصمیم‌گیری‌های حیاتی درباره نحوه‌ی بهره‌برداری و نگهداری، مدیریت عملکرد و بهینه‌سازی مصرف انرژی را انجام دهند. با جمع‌آوری داده‌های بلادرنگ باعث افزایش بهره‌وری عملیاتی پروژه، امکان نگهداری پیش‌بینانه و تصمیم‌گیری آگاهانه‌تر میشود. داده‌هایی که توسط حسگرها جمع‌آوری می‌شوند به‌صورت بلادرنگ به مدل DT منتقل می‌شوند و امکان نمایش پویا از وضعیت فعلی تأسیسات را فراهم میکنند. با مقایسه این داده‌ها با سوابق تاریخی، دوقلوهای دیجیتال قادرند اختلالات را شناسایی، خطر خرابی را پیشبینی و از تعمیرات پیشگیرانه پشتیبانی کنند. این روش برخلاف تعمیرات زمان‌بندی‌شده سنتی، اجازه می‌دهد تعمیرات فقط در مواقع ضروری انجام شود، که این موضوع باعث کاهش فعالیت‌های غیرضروری و حداقل‌سازی زمان ازکارافتادگی خواهد شد. همچنین پایش سلامت سازه‌ای از رایج ترین کاربرهای DT است. به عنوان مثال، در حوزه نگهداری پل‌ها و تونل‌ها، فناوری DT با استفاده از ادغام لحظه‌ای داده‌های متنوع حسگرها (از جمله تنش سازه‌ای، ارتعاش و دما) یک مدل مجازی از زیرساخت ایجاد میکند. این مدل می‌تواند شرایط عملیاتی سازه را شبیه‌سازی و وضعیت سلامت آن را ارزیابی کند. با کمک الگوریتم‌های یادگیری ماشین و داده‌کاوی، DT می‌تواند داده‌ها را تحلیل کرده و الگوهایی را استخراج کند که نشان‌دهنده خطرات بالقوه‌ی خرابی هستند.
در زیرساخت‌های حمل‌ونقلی، DT امکان پایش و مدیریت بلادرنگ جریان ترافیک وسایل نقلیه، عابران و مسافران و شناسایی گلوگاه‌ها و نقاط پر ازدحام را فراهم میکند و در نتیجه موجب افزایش کارایی و ایمنی میشود. به عنوان مثال، DT مبتنی بر شبیه‌سازی در یک ایستگاه راه‌آهن قادر به پیشبینی جریان مسافران، هشداردهی زودهنگام درباره ازدحام، برنامه‌ریزی برای واکنش در شرایط تخلیه اضطراری، بهینه‌سازی چیدمان فضا و مدیریت هوشمند دروازه‌ها خواهد بود.
DT می‌تواند فناوری‌های هوشمند را در مراحل مختلف مدیریت بحران یکپارچه کرده و راهکاری نوین برای مدیریت بحران ارائه دهند. این فناوری می‌تواند در چهار مرحله کاهش مخاطرات، آمادگی، پاسخ، و بازیابی مدیریت بحران به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. در مرحله کاهش مخاطرات، DT علاوه بر پایش ناهنجاری‌های زیرساختی، می‌تواند عواملی را که ممکن است منجر به وقوع بلایا شوند نیز تحلیل کرده، بلایای احتمالی را شناسایی کرده و هشدارهای زودهنگام صادر کند. در مرحله آمادگی، DT پیشبینی پویای بلایا را انجام می‌دهد و سپس به ساکنان مناطق نزدیک هشدار می‌دهد. در مرحله واکنش، با استفاده از DT شدت خسارت ارزیابی میشود و پاسخی کارآمد ارائه میشود. همچنین، DT با ادغام داده‌های مناطق آسیب دیده طرح تخصیص اقلام و اولویت‌بندی وظایف امدادی را تعیین میکند. در مرحله بازیابی، DT بستری اطلاعاتی برای بازسازی پس از بلا در اختیار شهر قرار می‌دهد که می‌تواند امکان به‌اشتراک‌گذاری اطلاعات میان نهادهای مرتبط و آسیب‌دیدگان را فراهم کرده و نظرات و نیازهای تمامی طرف‌های درگیر در فرآیند بازیابی را هماهنگ سازد.
4- جمع‌بندی
دوقلوی دیجیتال، دیدگاهی جامع و پویا ارائه می‌دهد که پتانسیل قابل توجهی برای بهینه‌سازی کارایی طراحی، ارتقاء کیفیت ساخت، بهبود مدیریت بهره‌برداری، و افزایش طول عمر دارایی‌ها دارد. این شبیه‌سازی بسیار دقیق مجازی که با داده‌های بلادرنگ ادغام شده، به مدیران کمک میکند تا در هر مرحله تصمیمات بهتری اتخاذ کنند، به‌ویژه در زمینه کارایی، صرفه‌جویی در هزینه‌ها و پایداری.
منابع
Wu, D., Zheng, A., Yu, W., Cao, H., Ling, Q., Liu, J., & Zhou, D. (2025). Digital Twin Technology in Transportation Infrastructure: A Comprehensive Survey of Current Applications, Challenges, and Future Directions. Applied Sciences, 15(4). https://doi.org/10.3390/app15041911
Moshood, T. D., Rotimi, J. O. B., Shahzad, W., & Bamgbade, J. A. (2024). Infrastructure digital twin technology: A new paradigm for future construction industry. Technology in Society, 77. https://doi.org/10.1016/j.techsoc.2024.102519
Opoku, D.-G. J., Perera, S., Osei-Kyei, R., & Rashidi, M. (2021). Digital twin application in the construction industry: A literature review. Journal of Building Engineering, 40. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102726
نویسنده: غزال ابراهیمی، کارشناسی ارشد مهندسی عمران – مهندسی و مدیریت ساخت دانشگاه صنعتی شریف
