Технология цифрового двойника. Понятие и особенности подхода к организационно-правовому обеспечению комплексной безопасности

Во втором десятилетии XXI века под влиянием ряда факторов, в том числе сенсорной революции, развития сетевых технологий, облачного компьютинга, аналитики больших данных и других современных подходов, начался процесс объединения IT с OT, сформи- ровался объединяющий подход, ориентированный на перенесение в виртуальное пространство сведений о данных и на событиях в физическом мире.

В сентябре 2019 года Исполнительный офис Президента США провел семинар по вопросу: «The convergence of high performance computing, big data,and machine learning (Конвергенция высокопроизводительных вычислений, больших данных и машинного обучения» [1]. Организаторами слушаний выступили: Межведомственная рабочая группа по большим данным, Межведомственная рабочая группа по высокопроизводительным вычислениям, Подкомитет по исследованиям и разработкам в области сетевых и информационных технологий по научно-техническому предпринимательству Национального научнотехнического совета. Семинар зафиксировал тезис о том, что в настоящее время реализуется объединение научно-обоснованных моделей с моделями, основанными на получении данных о состоянии сложных систем и явлений (с использованием систем высокопроизводительных вычислений). Взаимодействие осуществляется на основании аналитики данных в режиме реального времени, требующей корреляции между крупномасштабными вычислениями и инфраструктурами данных. Для решения указанных проблем предлагается построение гибкой вычислительной экосистемы, состоящей из разнородных комбинаций пограничных, облачных и высокопроизводительных вычислительных систем, получающей данные из различных источников, преобразовывающих их в формы, подходящие для приема и хранения в системе распределенных вычислений с применением крупномасштабной аналитики данных. Системы высокопроизводительных вычислений будут выполнять более сложные в вычислительном отношении формы анализа и оптимизации, а также осуществлять прогнозное моделирование, что позволит существенно повысить возможности по сравнению с изолированными системами.

Концепция Digital Built Britain (Построение цифровой Британии) определяет в качестве цифрового двойника «реалистичное цифровое представление активов, процессов или систем в построенной или естественной среде обитания» [2].

В нашей стране понятие «цифровой двойник» раскрывается Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации как: «семейство сложных мультидисциплинарных математических моделей с высоким уровнем адекватности реальным материалам, реальным объектам / конструкциям / машинам / приборам / техническим и киберфизическим системам, физико-механическим процессам (включая технологические и производственные процессы), описываемых 3D нестационарными нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных, обеспечивающих отличие между результатами виртуальных испытаний и натурных испытаний в пределах +/- 5% (DT-1), и/или «умная» модель, учитывающая особенности конкретного производства и технологии изготовления (DT-2). Обязательным элементом разработки и применения цифровых двойников является многоуровневая матрица целевых показателей конкурентоспособного продукта/изделия и ресурсных ограничений (временных, финансовых, технологических, производственных, экологических и т.д.)» [3]. Механизмы регулирования цифровой экономики Российской Федерации связаны в том числе с нормативным регулированием цифровой среды, определяемым Планом деятельности Министерства экономического развития Российской Федерации на период с 2019 по 2024 гг. При этом следует иметь в виду, что, согласно Указу Президента РФ от 9 мая 2017 г. № 203 «О Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации на 2017– 2030 годы» цифровая экономика - это хозяйственная деятельность, в которой ключевым фактором производства являются данные в цифровом виде, обработка больших объемов и использование результатов анализа которых по сравнению с традиционными формами хозяйствования позволяют существенно повысить эффективность различных видов производства, технологий, оборудования, хранения, продажи, доставки товаров и услуг.

Сейчас становится ясно, что феномен цифрового двойника вносит изменения в саму систему господствующих общественных отношений, характеризующих природу общества и государства. Таким образом, уже в ближайшее время общество придет к тому, чтобы рассматривать цифрового двойника не просто как «семейство математических моделей», а как новый объект общественных отношений, что потребует выработки принципиально новых подходов к правовому регулированию данной сферы. Возможно, необходимость решения вопросов об объеме и структуре правоотношений цифровых двойников потребует пересмотра подходов к определению сущности участников и принципов правового регу- лирования в целом, включения цифровых двойников в качестве субъектов данных правоотношений.

Цифровой двойник определяется Р. Хоул-сом [4] как цифровое представление реального объекта, продукта или актива, с виртуальным представлением бизнес-данных, контекстных данных и данных с датчиков. Применение технологии цифровых двойников позволяет отражать физический мир, проектируя и производя продукты и активы со встроенными датчиками с поддержкой интернета вещей.

По мнению С. Эллиотт, под цифровым двойником следует понимать виртуальную копию физических активов, процессов или систем [5]. По мере изменения физических условий цифровой двойник регистрирует эти изменения в режиме реального времени. Способность цифрового двойника по созданию цифрового физического цикла базируется на связи между этими двумя реальностями, виртуальной и физической. Использование цифрового двойника дает возможность быстро реагировать на изменяющиеся обстоятельства и непредвиденные условия, принимать решения, основанные на надежных и актуальных данных; оптимизировать процесс принятия решений между людьми и машинами. Хотелось бы отметить, что внедрение технологии цифровых двойников позволяет смягчить возможные последствия в реальном времени, проанализировать сильные и слабые стороны ситуации, получить модель стратегического воздействия.

С учетом данных возможностей исследователи связывают понятие цифрового двойника с кругом решаемых задач. Так, для построения моделей в области авиации и космонавтики цифровой двойник раскрывается как интегрированное мультифизическое, многомасштабное, вероятностное моделирование встроенного транспортного средства или системы, которое использует лучшие доступные физические модели, обновления датчиков, историю парка и т.д., чтобы отразить жизнь своего соответствующего летающего двойника [6].

Для решения задач теории систем понятие цифрового двойника связывают с набором виртуальных информационных конструкций, которые полностью описывают потенциальный или фактический физический произведенный продукт от микроатомного уровня до макрогеометрического уровня. Для медицины цифровой двойник - сопряженная модель ре- альной машины, которая работает в облачной платформе и имитирует состояние здоровья с интегрированным знанием как от управляемых данными аналитических алгоритмов, так и от других доступных физических знаний [7].

С точки зрения взаимодействия физических и виртуальных объектов цифровой двойник представляет собой цифровую копию физического устройства в реальном времени [8], использование которой служит для выполнения оптимизации в реальном времени [9]. Существует также обоснованное мнение о том, что «цифровой двойник - это реальное отображение всех компонентов жизненного цикла продукта с использованием физических данных, виртуальных данных и данных взаимодействия между ними» [10] или же «динамическое виртуальное представление физического объекта или системы на протяжении всего ее жизненного цикла с использованием данных реального времени для обеспечения понимания, обучения и рассуждения» [11].

Технологически цифровой двойник представляет собой интегрированную модель готового продукта, способную отражать все производственные дефекты и постоянно обновляться, чтобы включать устойчивый износ во время использования. Существующая в физическом пространстве совокупность сенсоров имитирует объект в режиме реального времени. Цифровые двойники предназначены для моделирования сложных процессов, с целью прогнозирования результатов в течение всего жизненного цикла [12].

В рамках технологии цифровых двойников для физического объекта (единицы оборудования, процесса) создается постоянно обновляющаяся математическая модель, которая в дальнейшем используется для анализа поведения объекта, наиболее полно соответствующая текущему рабочему режиму реальной установки. Это дает возможность выявить непредусмотренные изменения в процессах, оптимизировать режимы работы оборудования, предотвращать поломки и аварии, что в итоге позволяет существенно повысить надежность и эффективность эксплуатации [13].

Таким образом, в качестве цифрового двойника можно понимать цифровую копию живого [14] или неживого физического объекта. Модель, соединяя физический и виртуальный миры, позволяет виртуальному объекту существовать одновременно с физическим [15]. В оптимальном варианте любая информация, которая может быть получена в результате проверки физического продукта, может быть получена от его цифрового двойника [12]. Обращает на себя внимание тот факт, что предлагаемые определения охватывают комплекс программных и программноаппаратных средств, предназначенных для контроля за технологическим или производственным оборудованием (исполнительными устройствами) и производимыми ими процессами, а также для управления такими оборудованием и процессами, то есть подпадают под нормативное определение автоматизированной системы управления.

Таким образом, при создании цифровых двойников в сфере, относящейся к субъектам критической информационной инфраструктуры, определенным ст. 2 Федерального закона от 26 июля 2017 г. № 187-ФЗ «О безопасности критической информационной инфраструктуры Российской Федерации», правовое регулирование отношений обеспечения информационной безопасности регламентируется существующим правовым институтом безопасности критической информационной инфраструктуры.

Повышение производительности и оптимизации системы осуществляется с применением технологий имитационного моделирования на основе анализа процессов с учетом большого числа характеристик системы (включая случайные события и индивидуальные особенности поведения элементов системы). Для воссоздания сложных и масштабных процессов необходимо выполнить комплекс мероприятий имитационного моделирования на основе достоверной детализации подлежащего моделированию объекта, а также построить графическую модель в виде анимированных цифровых двойников в динамическом развитии с построением 2D и 3D моделей. Копии физического объекта в реальном времени создаются, в том числе при помощи специальных датчиков по сбору данных, то есть в рамках концепции интернета вещей [16], и представляют собой цифрового двойника как перенесенную в цифровую среду реплику физического устройства, процесса или системы. При этом созданная цифровая копия способна учитывать факторы, влияющие на физический оригинал, позволяя пользователю моделировать различные варианты развития ситуаций. В результате появляется возможность анализировать, тестировать и оптимизировать не реальный объект, а его цифровую копию. Такая система позволяет минимизировать риски и потери, осуществляя вариативные изменения виртуальной модели. На реальном объекте можно применять оптимально подобранную систему.

Возникает совокупность угроз информационной безопасности как для реального, так и для виртуального объекта. И если за прошедшее время определены методики обеспечения информационной безопасности ИКТ в физическом мире, то для виртуальных моделей указанная проблема пока еще только начинает обозначаться. Существует возможность того, что неудачное технологическое решение, будучи перенесенным с виртуального образа на физический оригинал, будет приносить реальный, а не абстрактный ущерб.

Так, Д. И. Правиков полагает, что поскольку цифровые двойники представляют собой математические модели, предназначенные для объектов управления и среды функционирования в связи с принципиальным усложнением исполнительных механизмов для повышения качества управления и, как следствие, эффективности функциональных процессов, постольку существует проблема применения традиционного подхода к обеспечению информационной безопасности и необходимости определения адекватности реальным исполнительным механизмам либо объектам управления [17].

Не следует также недооценивать угрозу со стороны иностранных государств, связанную с возможным захватом технологического контроля над стратегическими отраслями, поскольку «двойники» формируются и обрабатываются на иностранных технологических площадках, а операторы добывающих компаний управляют оборудованием через их посредничество.

Специфику обеспечения информационной безопасности в условиях применения технологии цифровых двойников следует связывать с необходимостью решения ряда технологических вопросов, связанных с применением имитационного моделирования, что основано на использовании характеристик каждого элемента системы (количество, скорость, мощность, длительность и т.д.) и разработке логики процессов на базе реального объекта с необходимым уровнем детализации решения конкретной задачи.

На этом уровне угрозы могут создавать дефект логики процессов, построение некорректной логики модели, нарушения визуализации моделируемых процессов в 2D или 3D, умышленное искажение характеристик с целью демонстрации повышения показателей, искажение параметров при решении задачи оптимизации путем подбора соотношения характеристик элементов системы, которыми можно балансировать при поиске решения.

Дополнительная сложность связана с тем, что не всегда возможно объяснить в человеческих терминах решения, принимаемые алгоритмами. При этом следует выделять основные алгоритмы принимаемых решений и осуществлять контроль выполнения этих алгоритмов.

В случае применения технологии цифровых двойников следует четко определить разумное соответствие между признаками проблемы и оптимальный механизм их решения, разработать инфраструктуру для интероперабельных подходов к решению проблем.

Широкое применение технологии цифровых двойников остро ставит вопрос о сущности и содержании общественных отношений на стыке реального объекта и его виртуального представления, получаемого на основе бизнес-данных, контекстных данных и данных с датчиков. Остро встает ряд вопросов о необходимости правового регулирования данной сферы, о месте и роли цифровых двойников, совокупности прав, обязанностей и ответственности в данной сфере. Уже сейчас возникает острая необходимость выработки принципиально новых подходов к правовому регулированию сферы цифровых двойников.

По мере развития информационных технологий следует уделять большее внимание угрозе вредоносного воздействия сетецентрических технологий на участников информационных отношений, в результате которых причиняется вред личности, обществу и государству. В нашей стране принят ряд стратегических документов, регулирующих отношения в сфере создания, развития и учета умных систем и сервисов. Однако для создания и дальнейшего функционирования системы цифрового государственного регулирования необходимо решить совокупность правовых и технико-технологических проблем – это отсутствие удобных высокоуровневых инструментов разработки приложений; ряд технических проблем и ограничений, связанных с су- ществующими техническими решениями для построения высокопроизводительных систем обработки данных; отсутствие стандартов и методологий разработки и моделирования как основных средств построения распределенных систем; обеспечение безопасности данных; описание общественных отношений и возможностей их правового регулирования.