Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform

The article discusses the application of the concept of a digital twin in the field of weather forecasting to create a smart city. A digital twin is a virtual replica of a real object or process that reflects its state in real time. The technologies and methods of creating a digital twin of meteorol...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2023
Автори:	Haidukevych, V.O., Doroshenko, A.Y.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Інститут програмних систем НАН України 2023
Теми:	digital twin meteorological forecasting;smart city mobile platform data collection data analysis event forecasting UDC 004.4’24
Онлайн доступ:	https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/579
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Problems in programming
Завантажити файл:

Репозитарії

Problems in programming

id	pp_isofts_kiev_ua-article-579
record_format	ojs
resource_txt_mv	ppisoftskievua/e7/c160ff895e7c3032925f5b17ef4946e7.pdf
spelling	pp_isofts_kiev_ua-article-5792024-04-28T11:55:00Z Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform Створення цифрового двійника в метеопрогнозуванні для розумного міста на мобільній платформі Haidukevych, V.O. Doroshenko, A.Y. digital twin; meteorological forecasting;smart city; mobile platform; data collection; data analysis; event forecasting UDC 004.4’24 цифровий двійник; метеопрогнозування; смарт сіті; мобільна платформа; збір даних; аналіз даних; прогнозування подій УДК 004.4’24 The article discusses the application of the concept of a digital twin in the field of weather forecasting to create a smart city. A digital twin is a virtual replica of a real object or process that reflects its state in real time. The technologies and methods of creating a digital twin of meteorological conditions for a particular city are analyzed. The importance and prospects of creating a digital twin in meteorological forecastingfor a smart city on a mobile platform are also presented. The paper discusses the design of an application that allows users to provide easy access to up-to-date information on air quality and weather forecasts for different areas of the city, which is becoming especially important due to the growing environmental problems and climate change. It highlights the use of Swift programming languages andthe MapKit and Alamofire frameworks to implement the application’s functionality, as well as the advantages of the SwiftUI language for rapid development of the front-end. Thus, the digital twin, which reflects the real weather forecasting process, plays a key role in the application, providing users with access to up-to-date weather data and helping them make objective decisions about the impact of climate on health and the environment.Prombles in programming 2023; 3: 40-48 В статті використано підхід цифрового двійника для покращення точності метеопрогнозів у контексті розумних міст. Описано процес розробки та імплементації цифрового двійника на мобільній платформі з метою покращення якості та доступності метеорологічної інформації для мешканців міст.Детально розглядаються основні аспекти створення цифрового двійника: збір та аналіз метеорологічних даних, обробка інформації з датчиків, використання штучних інтелектуальних алгоритмів для прогнозування погодних умов. Також розглядаються можливості мобільної платформи для зручного та ефективного використання цифрового двійника метеопрогнозування користувачами.Результати дослідження підтверджують, що використання цифрового двійника у метеопрогнозуванні дозволяє значно покращити точність прогнозів та забезпечити швидкий доступ до актуальної інформації про погоду. Ця інноваційна технологія має великий потенціал для застосування в сучасних розумних містах, де точний та своєчасний метеопрогноз стає важливим чинником для підвищення комфорту та безпеки громадян.Prombles in programming 2023; 3: 40-48 Інститут програмних систем НАН України 2023-10-06 Article Article application/pdf https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/579 10.15407/pp2023.03.040 PROBLEMS IN PROGRAMMING; No 3 (2023); 40-48 ПРОБЛЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ; No 3 (2023); 40-48 ПРОБЛЕМИ ПРОГРАМУВАННЯ; No 3 (2023); 40-48 1727-4907 10.15407/pp2023.03 uk https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/579/629 Copyright (c) 2023 PROBLEMS IN PROGRAMMING
institution	Problems in programming
baseUrl_str	https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/oai
datestamp_date	2024-04-28T11:55:00Z
collection	OJS
language	Ukrainian
topic	digital twin meteorological forecasting;smart city mobile platform data collection data analysis event forecasting UDC 004.4’24
spellingShingle	digital twin meteorological forecasting;smart city mobile platform data collection data analysis event forecasting UDC 004.4’24 Haidukevych, V.O. Doroshenko, A.Y. Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform
topic_facet	digital twin meteorological forecasting;smart city mobile platform data collection data analysis event forecasting UDC 004.4’24 цифровий двійник метеопрогнозування смарт сіті мобільна платформа збір даних аналіз даних прогнозування подій УДК 004.4’24
format	Article
author	Haidukevych, V.O. Doroshenko, A.Y.
author_facet	Haidukevych, V.O. Doroshenko, A.Y.
author_sort	Haidukevych, V.O.
title	Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform
title_short	Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform
title_full	Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform
title_fullStr	Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform
title_full_unstemmed	Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform
title_sort	creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform
title_alt	Створення цифрового двійника в метеопрогнозуванні для розумного міста на мобільній платформі
description	The article discusses the application of the concept of a digital twin in the field of weather forecasting to create a smart city. A digital twin is a virtual replica of a real object or process that reflects its state in real time. The technologies and methods of creating a digital twin of meteorological conditions for a particular city are analyzed. The importance and prospects of creating a digital twin in meteorological forecastingfor a smart city on a mobile platform are also presented. The paper discusses the design of an application that allows users to provide easy access to up-to-date information on air quality and weather forecasts for different areas of the city, which is becoming especially important due to the growing environmental problems and climate change. It highlights the use of Swift programming languages andthe MapKit and Alamofire frameworks to implement the application’s functionality, as well as the advantages of the SwiftUI language for rapid development of the front-end. Thus, the digital twin, which reflects the real weather forecasting process, plays a key role in the application, providing users with access to up-to-date weather data and helping them make objective decisions about the impact of climate on health and the environment.Prombles in programming 2023; 3: 40-48
publisher	Інститут програмних систем НАН України
publishDate	2023
url	https://pp.isofts.kiev.ua/index.php/ojs1/article/view/579
work_keys_str_mv	AT haidukevychvo creatingadigitaltwininmeteorologicalforecastingforasmartcityonamobileplatform AT doroshenkoay creatingadigitaltwininmeteorologicalforecastingforasmartcityonamobileplatform AT haidukevychvo stvorennâcifrovogodvíjnikavmeteoprognozuvannídlârozumnogomístanamobílʹníjplatformí AT doroshenkoay stvorennâcifrovogodvíjnikavmeteoprognozuvannídlârozumnogomístanamobílʹníjplatformí
first_indexed	2024-09-16T04:08:48Z
last_indexed	2024-09-16T04:08:48Z
_version_	1818568508421701632
fulltext	Інструментальні засоби та середовища програмування 40 УДК 004.4’24 http://doi.org/10.15407/pp2023.03.40 В.О. Гайдукевич, А.Ю. Дорошенко СТВОРЕННЯ ЦИФРОВОГО ДВІЙНИКА В МЕТЕОПРОГНОЗУВАННІ ДЛЯ РОЗУМНОГО МІСТА НА МОБІЛЬНІЙ ПЛАТФОРМІ В статті використано підхід цифрового двійника для покращення точності метеопрогнозів у контексті розумних міст. Описано процес розробки та імплементації цифрового двійника на мобільній платформі з метою покращення якості та доступності метеорологічної інформації для мешканців міст. Детально розглядаються основні аспекти створення цифрового двійника: збір та аналіз метеорологічних даних, обробка інформації з датчиків, використання штучних інтелектуальних алгоритмів для прогнозу- вання погодних умов. Також розглядаються можливості мобільної платформи для зручного та ефектив- ного використання цифрового двійника метеопрогнозування користувачами. Результати дослідження підтверджують, що використання цифрового двійника у метеопрогнозуванні дозволяє значно покращити точність прогнозів та забезпечити швидкий доступ до актуальної інформації про погоду. Ця інноваційна технологія має великий потенціал для застосування в сучасних розумних містах, де точний та своєчасний метеопрогноз стає важливим чинником для підвищення комфорту та безпеки громадян. Ключові слова: цифровий двійник, метеопрогнозування, смарт сіті, мобільна платформа, збір даних, ана- ліз даних, прогнозування подій. Вступ У сучасному технологічному су- спільстві, що стрімко розвивається, розумні міста стають не просто метою, а невід›єм- ною частиною забезпечення комфортного та ефективного життя його мешканців. Од- нією з найважливіших сфер інновацій у ро- зумних містах є прогнозування погоди, яка має значний вплив на повсякденне життя та безпеку громадян. Оскільки погодні умови є динаміч- ними та мінливими, надання точних та своєчасних прогнозів погоди є складним завданням для сучасних систем прогнозу- вання. Традиційні підходи до прогнозуван- ня погоди часто мають обмеження і можуть бути менш ефективними в умовах мінли- вого клімату. У цьому контексті створення цифрових двійників стає перспективним рі- шенням для підвищення точності та надій- ності прогнозів погоди в розумних містах. Цифровий двійник – це віртуальна модель реального об›єкта, яка постійно поповню- ється даними з різних джерел. За допомо- гою цифрового двійника можна використо- вувати віртуальне представлення явища або системи для більш точного прогнозування та аналізу його поведінки. Ця стаття описує застосування циф- рових двійників у прогнозуванні погоди в розумному місті на мобільних платформах. Метою дослідження є покращення якості та доступності погодної інформації для мешканців міста, забезпечення їхньої без- пеки та підвищення комфорту. У цій статті розглядаються основні аспекти створення цифрового двійника, вплив цього підходу на точність прогнозів та можливість його впровадження на мобільних платформах для зручності користувачів. Використання цифрового двійника у прогнозуванні погоди може відкрити нові горизонти у розвитку розумних міст та по- кращити якість життя їх мешканців. Дана робота є важливим внеском у дослідження даної тематики та представляє перспектив- ні шляхи оптимізації прогнозування погоди в міському середовищі. 1. Цифрові двійники в метеорологічному прогнозуванні Цифрові двійники відіграють важли- ву роль у підвищенні якості та надійності прогнозів погоди. Цифровий двійник –– це віртуальне моделювання атмосферних © В.О. Гайдукевич, А.Ю. Дорошенко, 2023 ISSN 1727-4907. Проблеми програмування. 2023. №3 Інструментальні засоби та середовища програмування 41 умов і погодних явищ на основі зібраних метеорологічних даних. Ці дані надходять із різних інструментів, таких як супутники, радари та метеорологічні станції, і включа- ють такі параметри, як температура, воло- гість, тиск і вітер. Цифрові двійники використовують- ся для моделювання фізичних процесів, що відбуваються в атмосфері, і прогнозування погодних умов на основі наявних даних. Цифрові двійники можуть аналізувати ве- ликі обсяги інформації та встановлювати складні взаємозв›язки між різними метео- рологічними факторами. Як результат, циф- рові двійники можуть надавати більш точні та комплексні прогнози, передбачати зміни погодних режимів та допомагати зрозуміти причинно-наслідкові зв›язки між погодни- ми явищами. Використання цифрових двійників для прогнозування погоди має низку пере- ваг. Це може зменшити ризик людської по- милки, яка може виникнути під час обробки та інтерпретації погодних даних. Цифрові двійники також можуть ефективно обробляти великі обсяги інфор- мації і давати більш точні прогнози, беручи до уваги різні фактори, що впливають на погоду. Вони також можуть використовува- тися для візуалізації погодних явищ, допо- магаючи синоптикам і користувачам краще розуміти і аналізувати погоду. Прикладом використання цифрових двійників у прогнозуванні погоди є гло- бальне кліматичне моделювання. Цифрові двійники допомагають створювати вірту- альні представлення атмосфери, океанів та інших кліматичних компонентів земної системи. Ці моделі дозволяють вивчати довгострокові кліматичні тренди та ана- лізувати зміни в розподілі температури, опадів, рівня моря та інших кліматичних параметрів. Використання цифрових двій- ників у кліматичних дослідженнях може допомогти спрогнозувати майбутні зміни клімату та їхній вплив на планету. Іншим прикладом використання цифрових двій- ників є погодні моделі для короткостро- кового прогнозування. Ці моделі вико- ристовуються для прогнозування погоди на кілька годин або днів наперед. Моделі базуються на використанні атмосферних цифрових двійників, побудованих на ос- нові існуючих погодних даних. Ці моделі можуть прогнозувати температуру, вітер, опади та інші погодні параметри з висо- кою точністю та часовою роздільною здат- ністю. Це покращує якість короткостроко- вих прогнозів і допомагає людям планува- ти свої дії відповідно до майбутніх погод- них умов. Цифрові двійники також використо- вуються для прогнозування екстремальних погодних явищ, таких як урагани, торнадо і зливи. Ці моделі дозволяють виявити за- кономірності та особливості, що передують таким подіям, і з достатньою впевненістю випускати попередження. Використання Рис. 1. Створення цифрових копій Інструментальні засоби та середовища програмування 42 цифрових двійників у прогнозуванні екс- тремальних погодних умов може врятувати життя і майно та підвищити загальну гро- мадську безпеку. Використання цифрових двійників у прогнозуванні погоди дає низку переваг, які сприяють підвищенню якості та точ- ності прогнозів погоди. Деякі з переваг цифрових двійників у прогнозуванні пого- ди включають: – підвищення точності прогнозів. Цифрові двійники дозволяють моделюва- ти та відтворювати поведінку атмосфер- них процесів більш точно. Це приводить до більш надійних прогнозів погоди, меншої кількості помилок і точнішої інформації для користувачів; – покращення роздільної здатності прогнозів. Цифрові двійники дозволяють фіксувати погодні явища в більш тонких просторових і часових масштабах. Це доз- воляє складати прогнози погоди з вищою роздільною здатністю та отримувати де- тальнішу інформацію про погодні умови в конкретних регіонах; – моделювання складних залежно- стей. Цифровий двійник дозволяє іденти- фікувати та аналізувати складні залежно- сті атмосферних процесів, які впливають на погоду. Це дає краще розуміння мете- орологічних явищ та їх взаємодії, а також дозволяє прогнозувати майбутній розви- ток подій; – ефективне використання наяв- них даних. Цифрові двійники можуть ін- тегрувати великі обсяги погодних даних з різних джерел і використовувати їх для створення точних і всебічних прогнозів. Здатність обробляти великі обсяги даних у режимі реального часу, включаючи дані із супутників і наземних датчиків, забез- печує актуальну і повну інформацію про атмосферні умови. Використання цифрового двійника в прогнозуванні погоди дозволяє підвищити точність, надійність та ефективність про- гнозів погоди. Він став невід›ємною части- ною сучасних погодних систем, допомага- ючи нам краще розуміти клімат і забезпе- чувати безпеку та комфорт людей, на яких впливають погодні умови. 2. Метеорологічне прогнозування та ефективне управління розумним містом Цифрові двійники використовують- ся в розробці розумної інфраструктури для створення віртуальних моделей фізичних об›єктів, таких як будівлі, міста, енергетич- ні мережі та транспортні системи. Ці вірту- альні моделі дозволяють здійснювати мо- ніторинг, аналіз та управління фізичними об›єктами в режимі реального часу. Однією з головних переваг вико- ристання цифрового двійника є те, що детальну інформацію про стан фізичного об›єкта можна отримати в режимі реаль- ного часу. Дані з датчиків, розміщених на фізичних об›єктах, передаються на циф- ровий двійник, аналізуються і порівню- ються з нормальними значеннями. У разі виявлення відхилень, необхідні дії, як-от попередження оператора або активація автоматизованої системи управління для усунення проблеми, можуть бути виконані автоматично. Крім того, цифровий двійник можна використовувати для прогнозування пове- дінки фізичних об›єктів на основі зібраних даних. Аналізуючи дані з цифрового двій- ника, можна виявити тенденції, розпізнати закономірності і передбачити потенційні проблеми та надзвичайні ситуації. Це за- безпечує передбачуваність і ефективність в управлінні інфраструктурою містом. Так, точні метеорологічні прогнози дозволяють: • Планувати роботу транспорту міста. Наприклад, ожеледиця та снігопад можуть призвести до збільшення аварій- ності на дорогах, сильний вітер може затри- мати рейси літаків. Водночас урахування погодних умов дозволить убезпечити паса- жирів та оптимізувати роботу транспорту. • Запобігати стихійним лихам. Точні метеорологічні прогнози дозволяють заздалегідь підготуватися до стихійного лиха, якщо воно неминуче. Якщо ж мова йде, наприклад, про землетруси, то мете- опрогноз дозволить вчасно здійснити ева- куацію населення. Також важливо, щоб метеорологічні прогнози були правильними. Адже невірні Інструментальні засоби та середовища програмування 43 метеопрогнози можуть негативно вплинути на різні галузі міського господарства, зо- крема: • Енергетична галузь. Невірні прогнози можуть призвести до дефіциту або профіциту запасів енергії, що негатив- но може вплинути на кінцевого споживача. • Сільське господарство. Невір- ні прогнози можуть вплинути на загибель врожаю або поганий врожай, а у тваринни- цтві на загибель худоби. У сфері міського планування циф- рові двійники можуть допомогти в пла- нуванні та розвитку міст. Вони можуть відображати інформацію про міське се- редовище, наприклад, про транспортну інфраструктуру і розташування будівель. Це дозволяє моделювати різні сценарії розвитку міст, аналізувати вплив нових будівель та інфраструктурних змін на на- вколишнє середовище та оптимізувати мі- стобудівні проєкти. Цифровий двійник також може бути використаний для оптимізації енергетич- них систем, в тому числі електромереж. Він може відображати такі характеристики, як структура мережі, розподіл навантаження та стан енергоефективності. Цифрові двій- ники можуть бути використані для розроб- ки стратегій управління енергоспоживан- ням, виявлення проблем у мережі та аналізу системи з метою підвищення ефективності та надійності системи. Цифровий двійник також може бути корисним у проєктуванні систем водопо- стачання. Він може показати розташуван- ня джерел води, трубопроводів, насосних станцій та інших компонентів системи. А це в свою чергу може допомогти виявити потенційні проблеми, такі як витоки та пе- ревантаження, а також покращити управ- ління системою водопостачання. Цифрові двійники мають значний потенціал у розвитку розумної інфраструк- тури, надаючи точну віртуальну модель реальної системи. Вони надають точні вір- туальні моделі реальних систем, що дозво- ляє аналізувати, прогнозувати та управляти системами з високою точністю та ефектив- ністю. Використання цифрових двійників здатна покращити якість життя в містах, зменшити споживання енергії та ресурсів і сприяти сталому розвитку. Використання цифрових двійників у розвитку розумних інфраструктур має кіль- ка переваг: 1. Підвищення ефективності: Циф- рові двійники дозволяють відстежувати та аналізувати різні аспекти інтелектуальної інфраструктури в режимі реального часу. Це може допомогти визначити більш ефек- тивне використання ресурсів, оптимізувати роботу системи і підвищити продуктив- ність. 2. Передбачуваність і далекогляд- ність: цифрові двійники уможливлюють аналіз великих обсягів даних і виявлення тенденцій. Це дозволяє передбачити май- бутні проблеми, виявити ризики та вжити превентивних заходів до того, як вони пере- творяться на серйозні проблеми. 3. Зменшення витрат та ризиків. Цифрові двійники можуть зменшити витра- ти та ризики впровадження нових техноло- гій, рішень та розумних змін в інфраструк- турі, забезпечуючи віртуальне тестування та симуляцію. Це дозволяє проводити вір- туальні експерименти та аналізувати ре- зультати до фізичного впровадження. 4. Забезпечення безпеки та надійнос- ті: Цифрові двійники можуть безперервно контролювати стан різних систем та об›єк- тів розумної інфраструктури. Несправно- сті, аномалії та потенційні проблеми можна швидко виявити та відреагувати на них, за- побігаючи аваріям та збоям. 5. Підвищення ефективності управ- ління. Цифровий двійник є корисним ін- струментом для управління інтелектуаль- ною інфраструктурою. Він надає доступ до важливих даних та аналітики, які можуть допомогти вам приймати обґрунтовані рі- шення та планувати майбутні кроки. Ці переваги роблять використання цифрових двійників високоефективним у розробці та управлінні інтелектуальною інфраструктурою, сприяючи її оптимізації, ефективності та стійкості. Однак треба бути об’єктивними. І після переваг цифрових двійників згадаємо і про недоліки. Зокрема, до недоліків можна віднести наступне: Інструментальні засоби та середовища програмування 44 − Високошвидкісна передача да- них. Цифрові двійники потребують висо- кошвидкісної передачі даних між датчика- ми, системами обробки та користувачами. Це вимагає використання сучасної техніки, високошвидкісного інтернету тощо; – Зберіганням великих обсягів да- них. Для зберігання, обробки, аналізу вели- ких обсягів даних, а також забезпечення їх- ньої безпеки від кібератак, потрібні дорогі сучасні технології та своєчасне обслугову- вання. Це потребує значних витрат; – Інтеграція з іншими системами. Наразі не існує загальноприйнятих стандартів для цифрових двійників, що може ускладнювати інтеграцію з іншими системами та обмін даними між різними джерелами та користувачами. 3. Функції створення цифрових двійників для метеопрогнозування та приклади впровадження Як ми вже зазначали, цифровий двійник у метеорології –– це віртуальне мо- делювання атмосферних умов і погодних явищ на основі зібраних метеорологічних даних. Зокрема, визначених методів ство- рення віртуальних моделей включають: – Збір та аналіз даних про метеоро- логічні параметри. Це один з ос- новних методів, який включає збір даних із метеостанцій, супутників, дронів тощо про температуру, во- логість, атмосферний тиск, вітер та інші погодні параметри. – Створення двовимірної моделі мі- ста (картографія). Створюється мо- дель міста з урахуванням його ланд- шафту, забудови, водних ресурсів та інших об›єктів. – Математичне моделювання. Ви- користовують диференціальні рів- няння, статистичні методи та інші інструменти для моделювання ат- мосферних процесів та погодних явищ. – Порівняння результатів моделей. Порівняння результатів моделюван- ня з реальними метеорологічними даними для виявлення та виправлен- ня невідповідностей між ними. За кордоном уже є приклади успішного впровадження цифрових двійників у мете- орологічному прогнозуванні у містах. Це такі міста , як Шанхай (Китай), Нью-Йорк (США), Роттердам (Нідерланди), Мельбурн (Австралія), місто-держава Сингапур, краї- на Гренада. 1) Гренада. 2021 року країна стала пер- шою, хто створив цифрову копію ці- лої країни, 3D-модель, яку урядовці можуть використовувати для планів сталого розвитку. Як і багато острів- них держав, Гренада стикається з не- визначеним майбутнім перед зміною клімату. Спека, що посилюється, ін- тенсивні опади і проникнення соло- ної води в систему водопостачання і грунт почали загрожувати двом ос- новним економікам країни — сіль- ському господарству і туризму (жур- нал «Lidar», 30.04.2022 р). 2) Сингапур. Місто-держава розта- шоване на 63 островах, в тому чис- лі створених штучно. Концепція цифрового двійника була ухвалена Сингапуром ще 2015 року. Систе- ма допомагає управляти ресурсами, планувати транспорт, аналізувати наслідки підвищення рівня моря. 3) Роттердам, Нідерланди. Роттедам –– це портове місто. Віртуальна ко- пія міста дозволяє відстежити інтен- сивність руху на водних каналах та автошляхах, оптимізувати відкрит- тя/закриття мостів та перенаправля- ти транспортні потоки в режимі ре- ального часу. Прогнозування погоди дозволяє своєчасно дізнатись про шторм, сильний вітер, що заважає руху суден. 4) Мельбурн, Австралія. Мельбурн – один з основних комерційних та про- мислових центрів Австралії – розта- шовано навколо затоки Порт-Філліп. Тут цифровий двійник використо- вується для моделювання погодних явищ, зокрема, теплових хвиль. 5) Нью-Йорк, США. В Нью-Йорку було впроваджено цифровий з метою прогнозування снігопадів, штормів та інших екстремальних погодних Інструментальні засоби та середовища програмування 45 явищ, що дозволяє координувати ро- боту транспорту, інфраструктури, а також інформувати мешканців про потенційні небезпеки. Отже, кожне місто використовує тех- нологію цифрових двійників (метавсесвіту) для власних цілей. Однак важливо, що всі двійники є чудовим стратегічним інстру- ментом для розвитку міст у реальному світі. Враховуючи позитивний досвід ме- теорологічного прогнозування на основі цифрових двійників, в майбутньому очіку- ється збільшення кількості впровадження цифрових двійників окремими містами та країнами. 4. Розробка цифрового двійника для метеопрогнозування на мобільному телефоні Для реалізації проєкту створення цифрового двійника в метеопрогнозуванні для розумного міста на мобільній платфор- мі було розроблено додаток мовою Swift для iOS платформи, який використовується в інтернеті речей для реалізації цифрових двійників. Проєкт складається з трьох основних класів: два класи для користувацького інтер- фейсу (UI) та головний клас (Main Class). Перший UI клас відповідає за ві- дображення карти Києва з використанням фреймворка MapKit. Цей клас забезпечує завантаження карти та можливість ренде- рингу різних маркерів або шарів на ній, які представляють райони моніторингу якості повітря. Другий UI клас відповідає за відо- браження інформації про якість повітря в конкретних районах Києва на карті. Він може відображати дані про забруднення по- вітря, прогноз погоди та інші метеорологіч- ні дані, необхідні користувачу. Головний клас (Main Class) виконує основні функції додатка, зокрема, збір да- них, взаємодію з цифровим двійником та обробку інформації для відображення на карті. Для отримання даних про прогноз погоди із сервера використовується фрейм- ворк Alamofire, який дозволяє виконувати HTTP-запити. Цифровий двійник являє собою про- грамне представлення реального процесу метеопрогнозування. Він надає необхідні дані про стан атмосфери та прогноз погоди для різних районів Києва. Інформація може бути отримана через API або зберігатися на віддаленому сервері. В цьому додатку, цифровий двійник використовується для створення програм- ного представлення реального процесу ме- теопрогнозування та моніторингу якості повітря на мобільному телефоні. Цифровий двійник (Digital Twin) відображає реальні об›єкти чи процеси у віртуальному серед- овищі, в якому можна аналізувати, мані- пулювати та здійснювати прогнози щодо їх поведінки. У даному додатку цифровий двійник включає такі компоненти: 1. Збір даних: Цифровий двійник за- безпечує збір даних про погоду та якість повітря з різних джерел, таких як датчики, метеорологічні станції, метеорологічні API та інші. Ці дані включають індекс якості повітря з різними показниками. 2. Зберігання даних: Отримані дані зберігаються в цифровому двійнику, що дозволяє зберігати історичні дані та здійснювати їх аналіз. 3. Аналіз даних: Цифровий двійник аналізує зібрані дані, застосовує ал- горитми прогнозування та аналізу, щоб передбачити метеопогоду на майбутні години або дні, а також ви- значити якість повітря у різних ра- йонах міста. 4. Взаємодія з додатком: Додаток на мобільному телефоні взаємодіє з цифровим двійником, зчитуючи дані про прогноз погоди та якість повітря для відображення на графічному ін- терфейсі. Користувач може отриму- вати актуальні дані про погоду для різних місць, вибирати райони моні- торингу на карті Києва та перегляда- ти детальну інформацію про якість повітря. 5. Прогнозування: З допомогою циф- рового двійника, додаток може здійс- нювати прогноз погоди та якості по- Інструментальні засоби та середовища програмування 46 вітря на основі аналізу історичних даних та алгоритмів прогнозування. Користувачам надається можливість заздалегідь знати очікувані погодні умови та рівень забруднення повітря у вибраних районах. Отож, додаток забезпечує візуаліза- цію та доступ до інформації про метеопро- гнозування на мобільному телефоні для ро- зумного міста, що допомагає користувачам бути поінформованими про поточні погодні умови та якість повітря у різних частинах Києва. Нижче наведено детальний опис коду: 1. Імпорт бібліотек: SwiftUI, MapKit та Alamofire. import SwiftUI import MapKit import Alamofire 2. Створення структури MapView, що реалізує протокол UIViewRepresentable. Це інтегрує MKMapView у SwiftUI. struct MapView: UIViewRepresentable { ... } 3. Масив Kyiv Points, який містить кортежі з географічними координа- тами і назвами районів Києва. let kyivPoints: [(latitude: Double, longitude: Double, street: String)] = [ (50.399373, 30.518903, «Голосіїв- ський район»), (50.431209, 30.516795, «Солом›ян- ський район»), І так далі… (50.513401, 30.617103, «Деснян- ський район»),] 4. Методи makeCoordinator(), makeUIView(context:) та updateUIView(_:context:) з протоколу UIViewRepresentable для створення і налаштування карти. func makeCoordinator() -> Coordinator { Coordinator(self) } func makeUIView(context: Context) -> MKMapView { let mapView = MKMapView() mapView.delegate = context. coordinator mapView. register(CustomAnnotationView.self, for AnnotationViewWithReuseIdentifier: MK MapViewDefaultAnnotationViewReuseId entifier) return mapView } func updateUIView(_ uiView: MKMapView, context: Context) { fetchStations { result in switch result { case .success(let stations): DispatchQueue.main.async { displayStations(stations: stations, mapView: uiView) setMapRegionToKyiv(mapView: uiView) } case .failure(let error): print(“Error fetching stations: \ (error.localizedDescription)”) }}} 5. Визначення географічних коорди- нат Києва для встановлення регіону (setMapRegionToKyiv(mapView:)), відображення районів якості по- вітря на карті (displayStations(sta tions:mapView:)), додавання мар- керів (addMarker(at:title:subtitle:m apView:)) та завантаження даних про райони з OpenWeatherMap API (fetchStations(completion:)). func setMapRegionToKyiv(mapView: MKMapView) { let kyivLatitude = 50.450001 let kyivLongitude = 30.523333 … } func displayStations(stations: [Station], mapView: MKMapView) { for (index, station) in stations. enumerated() { let coordinate = CLLo cationCoordinate2D(latitude: kyivPoints[index].latitude, longitude: kyivPoints[index].longitude) Інструментальні засоби та середовища програмування 47 func addMarker(at coordinate: CLLocationCoordinate2D, title: String, subtitle: String, mapView: MKMapView) { let markerTintColor = UIColor. systemBlue let stationAnnotation = StationAnnotation(coordinate: coordinate } func fetchStations(completion: @escaping (Result<[Station], Error>) -> Void) { let apiKey = Bundle.main. onject(apikKey) let group = DispatchGroup() var fetchedStations: [Station] = [] for point in kyivPoints { group.enter() let searchUrl = https://api. openweathermap.org/data/2.5/air_ pollution?lat=\(point.latitude)&lon=\ (point.longitude)&appid=\(apiKey) … } 6. Створення класу CustomAnnotationView, що наслі- дує MKMarkerAnnotationView, і класу StationAnnotation, що наслі- дує NSObject і реалізує протокол MKAnnotation. Вони забезпечують налаштування вигляду анотацій. class CustomAnnotationView: MKMarkerAnnotationView { … class StationAnnotation: NSObject, MKAnnotation { … } 7. Структури ApiResponse, Coordinate, Station, MainInfo та Components для декодування JSON з OpenWeatherMap API. struct ApiResponse: Codable { … struct Coordinate: Codable { … struct Station: Codable { … struct MainInfo: Codable { … struct Components: Codable { …}}}} Загалом, код демонструє створення цифрового двійника та детальний опис по- вітря у режимі реального часу, відображення карти Києва з районами моніторингу якості повітря, а також допоміжний екран з деталя- ми про кожний район і склад повітря в ньому. Застосування цифрового двійника у додатку дозволяє створити програмне представлення реального процесу метеопрогнозування, що зберігає та обробляє інформацію про стан атмосфери та погодні умови у різних місцях міста. Завдяки цьому, додаток може опера- тивно надавати актуальні дані користувачам, що робить його надзвичайно корисним для повсякденного використання. Рис. 3. Розробка мобільного додатку прогнозування погоди Digital Twin Висновки Створення цифрового двійника в ме- теопрогнозуванні для розумного міста на мобільній платформі є важливим та перспек- тивним напрямом. В статті запропоновано створення цифрового двійника. Проект тако- го додатка дозволяє надавати користувачам зручний доступ до актуальної інформації про якість повітря та прогноз погоди для різ- них районів міста, що є особливо важливим в умовах зростання екологічних проблем та кліматичних змін. Застосування мови про- грамування Swift та фреймворків MapKit та Alamofire дозволяє зручно та ефективно ре- алізувати функціонал додатка. Мова SwiftUI сприяє швидкій розробці інтерфейсу та за- безпечує його гарний зовнішній вигляд. Цифровий двійник, який відобра- жає реальний процес метеопрогнозування, є ключовою складовою додатка. Він надає доступ до актуальних даних про погодні Інструментальні засоби та середовища програмування 48 умови, допомагає прийняти об›єктивні рі- шення та підвищує рівень свідомості ко- ристувачів щодо впливу клімату на їхнє здоров›я та навколишнє середовище. Застосування цифрового двійника у метеопрогнозуванні є однією з інноваційних технологій, яка покращує якість життя в мі- стах та допомагає ефективніше використо- вувати ресурси. Завдяки таким проєктам, мі- ста стають більш стійкими до змін клімату, а мешканці мають можливість бути в курсі погодних умов та приймати свої обгрунтова- ні рішення на основі надійної інформації. У майбутньому, розвиток цифрових двійників та їх інтеграція в мобільні додат- ки можуть забезпечити ще точніший та ін- дивідуалізований метеопрогноз для корис- тувачів. А це допоможе покращити якість життя, зменшити негативний вплив кліма- тичних змін та забезпечити більш стійку розвинену екологію. Література: 1. D. Botín-Sanabria, Adriana-Simona Mihaita, Rodrigo E. Peimbert-García, M. A. Ramírez-Moreno, R. Ramírez- Mendoza, J. Lozoya-Santosless (2022) Digital Twin Technology Challenges and Applications: A Comprehensive Review 2. Mohd Javaid, Abid Haleem, Rajiv Suman (2023) Digital Twin applications toward industry 4.0 3. Zhang, X., & Xie, M. (2020). Digital twin: A survey from data acquisition to virtual reality visualization. IEEE Access, 8, 108951-108969. 4. Martínez, J. F., Lozano, R., & García, R. (2019). Digital twin implementation for industrial machine condition monitoring. Sensors, 19(24), 5512. 5. Liu, Y., & Peng, F. (2020). A digital twin- based approach for real-time energy management of smart cities. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16(5), 3492-3501. 6. Bhattacharya, S., Sardar, S., Bandyopadhyay, S., & Dutta, S. (2020). Digital twin for smart city applications: A survey. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16(6), 4177-4189. 7. Luo, Z., Chen, X., Luo, Q., Wang, W., & Tang, L. (2020). Digital twin-based energy management system for smart cities. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16(4), 2725-2734. 8. Cha, S., & Lee, J. (2019). Digital twin- based real-time monitoring system for smart buildings. Energies, 12(22), 4287. 9. Yan, Y., & Gu, F. (2019). Digital twin- driven design for cyber-physical energy systems in smart cities. Journal of Cleaner Production, 221, 268-278. 10. Magazine «Lidar» (2022) Linda Peters (ht tps : / / l idarmag.com/2022/04/30/ climate-change-prompts-grenada-to- create-the-first-national-digital-twin/) Одержано: 07.08.2023 Про авторів: Гайдукевич Владислав Олегович, аспірант Інституту програмних систем НАН України. Кількість наукових публікацій в українських виданнях – 1. https://orcid.org/0000-0002-0614-6778 Дорошенко Анатолій Юхимович, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач відділу теорії комп›ютерних обчислень Інституту програмних систем НАН України, професор кафедри автоматики і управління в технічних системах НТУУ «КПІ імені Ігоря Сікорського». Кількість наукових публікацій в українських виданнях – понад 180. Кількість наукових публікацій в іноземних виданнях – понад 70. Індекс Гірша – 6. http://orcid.org/0000-0002-8435-1451, Місце роботи авторів: Інститут програмних систем НАН України, 03187, м. Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40. e-mail: doroshenkoanatoliy2@gmail.com, gaidukevichvlad@gmail.com

Creating a digital twin in meteorological forecasting for a smart city on a mobile platform

Репозитарії

Схожі ресурси