08 พ.ค. พลิกโฉมอนาคต! มหาวิทยาลัยเคนตักกี้เปิดตัววิทยาเขตดิจิทัลแห่งแรกของโลกด้วย Digital Twin

เช่นเดียวกับสนามบินและท่าเรือ วิทยาเขตขนาดใหญ่ของมหาวิทยาลัยถือเป็นโซนกึ่งอิสระ ที่ดำเนินการเหมือนเป็นเมืองขนาดย่อม งานบริหารจัดการโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ รวมถึงการดูแลผู้ที่อาศัยและทำงานในพื้นที่ถูกแบ่งหน้าที่ให้กับหลายฝ่าย เปรียบเสมือนกับการบริหารเทศบาลขนาดกลาง

ด้วยความซับซ้อนดังกล่าว ทำให้วิทยาเขตกลายเป็นพื้นที่ทดสอบที่เหมาะสมสำหรับการใช้ Digital Twin เป็นเครื่องมือในการดำเนินงาน และไม่มีที่ใดที่แสดงให้เห็นเป็นตัวอย่างได้ชัดเจนเท่ากับที่ มหาวิทยาลัยเคนตักกี้ สถาบันการศึกษาหลักของรัฐบลูกราสส์แห่งนี้

Digital Twin ของมหาวิทยาลัย สร้างขึ้นโดยใช้เทคโนโลยี Geographic Information System (GIS) เป็นศูนย์กลางการบริหารจัดการดำเนินงานต่างๆ โดยมี Eric Carroll ผู้อำนวยการฝ่ายปฏิบัติการโครงสร้างพื้นฐานของมหาวิทยาลัย เป็นผู้ดูแล ซึ่งการจำลองสิ่งปลูกสร้าง ระบบสาธารณูปโภค และสภาพแวดล้อมธรรมชาติในพื้นที่หลักขนาด 918 เอเคอร์ ณ เมืองเล็กซิงตัน ถูกพัฒนาขึ้นด้วยแพลตฟอร์ม ArcGIS Enterprise จากบริษัท Esri ทั้งสิ้น

โดยทั่วไป Digital Twin มักถูกออกแบบมาเพื่อจำลองการพัฒนาในอนาคต ใช้ข้อมูลปัจจุบันคาดการณ์การเปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป แต่สิ่งที่ Carroll และทีมของเขาสร้างขึ้นเป็น Digital Twin แบบไดนามิกที่สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันได้ทันที ด้วยการใช้ข้อมูลเรียลไทม์จากเซ็นเซอร์ของอุปกรณ์ Internet of Things (IoT) และแหล่งข้อมูลอื่นๆ ซึ่ง Carroll เรียกมันว่า Integrated Operations Management System

“โมเดลเป็นแกนกลางของทุกสิ่ง ซึ่งก็คือ Digital Twin ตัวจริง โดยอาคาร โครงสร้างพื้นฐาน แม้กระทั่งพื้นที่อากาศของเรา ถูกจำลองอยู่ในระบบนี้ทั้งหมด ซึ่งต้องใช้เวลาหลายปีในการศึกษาจนสำเร็จ” Carroll กล่าว

จุดเริ่มต้นจากงานฉุกเฉิน

กว่า 10 ปี Carroll ทำงานในสายงานบริหารสถานการณ์ฉุกเฉิน เริ่มจากการเป็นนักดับเพลิงใน กองทัพนาวิกโยธินสหรัฐฯ นักดับเพลิง/หน่วยแพทย์ฉุกเฉินใน เทศมณฑลไฮแลนด์ รัฐฟลอริดา และต่อมาเป็น ผู้อำนวยการบริการฉุกเฉินของสภากาชาดอเมริกัน เขตฟลอริดากลาง แม้ว่าเขาจะรักงานนี้ แต่การลดขนาดองค์กรและการปรับโครงสร้างในสภากาชาดทำให้เขาต้องเปลี่ยนอาชีพ น่าเสียดายที่อาการบาดเจ็บจากงานดับเพลิงทำให้เขาไม่สามารถกลับไปทำงานภาคสนามได้อีก

ขณะกำลังหางานใหม่ Carroll ได้ใช้ความสัมพันธ์ที่มีกับรองผู้อำนวยการโรงเรียนท้องถิ่น เพื่อพูดคุยและสามารถเข้าไปรับตำแหน่ง นักพัฒนาระบบมือใหม่ในแผนกเทคโนโลยีสารสนเทศ ได้ แม้ว่าเขาจะ ไม่เคยเขียนโค้ดแม้แต่บรรทัดเดียว ก็ตาม

ในปีแรก เขาทำงานเกี่ยวกับ ระบบข้อมูลนักเรียน ช่วยสร้างรายงาน และดูแลระบบการดำเนินงานในห้องเรียน ร่วมกับทีมงานอัจฉริยะวัย 20 ต้นๆ ซึ่งหนึ่งในทีมงานใช้ GIS ซึ่งตอนนั้น Carroll ไม่เคยได้ยินมาก่อนเลย

ภายในห้องทำงาน เพื่อนร่วมงานคนนั้นได้ปิดล้อมผนังด้วย แผนที่ความสัมพันธ์ของออบเจ็กต์ (Object Relationship Map) ที่แสดงความเชื่อมโยงระหว่างคลาสข้อมูลในฐานข้อมูลเพื่อการเปรียบเทียบ ทำให้ Caroll เกิดความสนใจมาก ทำให้เขาศึกษาอยู่ตลอด 6 วัน จนลืมวันลืมคืน และภายใน 6 สัปดาห์ เขาสามารถ เขียนแอปพลิเคชัน GIS ตัวแรกได้สำเร็จ

เบื้องหลังแผนที่

แม้ GIS มักถูกมองว่าเป็นเครื่องมือทำแผนที่ แต่ Carroll มองเห็นอะไรมากกว่านั้น เขาชื่นชอบความสามารถในการเก็บข้อมูล และการแสดงข้อมูลในรูปแบบกราฟิก เพราะโลกนี้ขับเคลื่อนด้วยฐานข้อมูล

“ภาพกราฟิกที่เราเห็นมันยอดเยี่ยม แต่ความลึกและความร่ำรวยของ GIS มันมีมากกว่าการทำแผนที่” Carroll กล่าว

ในช่วงเวลาเดียวกัน Carroll ยังได้รู้จักกับ ระบบการจัดการสถานที่ทำงานแบบบูรณาการ (Integrated Workplace Management Systems) ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์ที่เชื่อมโยงข้อมูลแอปพลิเคชันต่างๆ หรือข้อมูลหน่วยงานในองค์กรเข้าด้วยกัน เช่นหากมีโครงการก่อสร้าง ระบบนี้จะเข้ามามีส่วนตั้งแต่การวางแผน การก่อสร้าง การดำเนินงาน และการบำรุงรักษา

“เมื่อผมได้ยินเรื่องนี้ ผมคิดทันทีว่า GIS ก็ทำได้ เพราะมันขับเคลื่อนด้วยฐานข้อมูล” Carroll กล่าว พื้นฐานเหล่านี้ทำให้เขาสามารถนำมาต่อยอดพัฒนาจนเป็น Digital Twin ได้ในที่สุด

มิติใหม่ของการจัดการโครงสร้างพื้นฐาน

ในปี 2561 มหาวิทยาลัยเคนตักกี้ ได้จ้าง Carroll เข้ามาเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิคประจำโครงการ เพื่อทำแผนที่ระบบสาธารณูปโภคของวิทยาเขต โครงการนี้ต้องทำการตรวจสอบทรัพย์สินและสิ่งปลูกสร้างอย่างละเอียด โดยใช้แผนผังบนกระดาษ เป็นเบาะแสในการระบุตำแหน่ง ทีมของ Carroll ใช้ ระบบ GIS แบบครบวงจร ที่เข้าผ่านอุปกรณ์พกพาได้ ซึ่งจะช่วยให้ทีมติดตาม และเก็บข้อมูล ในระหว่างอยู่ภาคสนามได้สะดวกยิ่งขึ้น

Carroll ให้ทีมของเขามุ่งเน้นไปที่โครงสร้างพื้นฐาน และในไม่ช้าแผนที่ก็เริ่มเต็มไปด้วยสายเคเบิล สายไฟ และท่อจำนวนมาก แต่ยังมีบางอย่างขาดหายไป เพราะแผนที่ยังเป็นเพียงเอกสารสองมิติเท่านั้น

ทีมสามารถทำแผนที่พื้นแต่ละชั้นของอาคารหลายชั้นได้สำเร็จ และยังใช้ โดรน, LiDAR, และ การถ่ายภาพแบบ Photogrammetry (เทคนิคที่ใช้ภาพ 2 มิติสร้างเป็นโครงสร้างภาพ 3 มิติ) เพื่อระบุตำแหน่งโครงสร้างพื้นฐานใต้ดิน รวมถึงความลึก ซึ่งความแม่นยำอยู่ที่ 2 เซนติเมตร

ข้อมูลมากมายที่เกี่ยวกับสิ่งที่อยู่เหนือพื้นดินและใต้พื้นดินทั้งหมดนี้ แสดงให้เห็นถึงความจำเป็นในการเพิ่มมิติที่สาม ซึ่ง GIS ในยุคปัจจุบันสามารถทำได้ ด้วยความช่วยเหลือจาก เครื่องมือ GIS Reality Capture แผนที่จึงกลายเป็น โมเดล 3 มิติ ( 3D Map Model ) และเมื่อเชื่อมต่อกับฐานข้อมูลและเซ็นเซอร์ มันก็กลายเป็น Digital Twin อย่างสมบูรณ์

ในขณะที่ โมเดล 3 มิติคือภาพนิ่ง และ Digital Twin คือระบบที่มีความยืดหยุ่น ด้วยการใช้ ArcGIS Velocity ซึ่งเป็นความสามารถเสริมของ ArcGIS Online ที่สามารถผสานข้อมูลขนาดใหญ่แบบสตรีมเข้าสู่ระบบ GIS ได้อย่างเรียลไทม์ มหาวิทยาลัยสามารถทำให้ Digital Twin มีความสามารถในการแสดงข้อมูลตามบริบทได้แบบทันที

หลังจากความสำเร็จของโครงการวิจัยและการจัดทำแผนที่ Digital Twin มหาวิทยาลัยได้แต่งตั้ง Carroll เป็นผู้อำนวยการฝ่ายโครงสร้างพื้นฐาน อย่างเป็นทางการ

มุมมองใหม่ที่ไม่เคยมีมาก่อน

เมื่อมีบางอย่างเกิดขึ้น — หรือกำลังจะเกิดขึ้น — กับโครงสร้างพื้นฐานของมหาวิทยาลัยเคนตักกี้ Digital Twin จะรับรู้ก่อนเป็นอันดับแรก และไม่นานผู้ที่เกี่ยวข้องก็จะทราบเช่นกัน

Carroll ได้สาธิตพื้นฐานการทำงานของระบบให้ดู เขาแสดงภาพส่วนหนึ่งของวิทยาเขตบนหน้าจอคอมพิวเตอร์ พร้อมกับแดชบอร์ดที่แสดงรายการเหตุการณ์และสัญญาณเตือนต่างๆ หนึ่งในนั้นแจ้งว่าเกิดปัญหาแบตเตอรี่ ที่แจ้งเตือนจากเครือข่ายเซ็นเซอร์ที่ใช้ตรวจสอบสถานะ ความพร้อมใช้งาน และประสิทธิภาพของ ระบบไฟฟ้าสำรอง (UPS) ของมหาวิทยาลัย

เครือข่ายควบคุมอาคาร ซึ่งเชื่อมต่อกับ Digital Twin มีหลายหน้าที่ เช่น ตรวจจับอุณหภูมิ ความดันบรรยากาศ หรือแม้แต่น้ำรั่วในห้องที่มีระบบโครงสร้างพื้นฐานสำคัญ

“น้ำกับระบบไฟฟ้าไม่ถูกกันแน่นอน ดังนั้นระบบจะแจ้งเตือนฉุกเฉินทันทีถ้ามีอะไรแบบนี้เกิดขึ้น” — Carroll กล่าว

เมื่อมีปัญหาด้านบำรุงรักษาเกิดขึ้น ระบบ UPS จะ สร้างใบสั่งงาน (Work Order) โดยอัตโนมัติ พร้อมนำทางเจ้าหน้าที่ไปยังจุดที่ต้องซ่อม และเมื่อแก้ไขเสร็จแล้ว เจ้าหน้าที่สามารถใช้อุปกรณ์พกพาเพื่อปิดงานในระบบได้เลย สิ่งที่ Digital Twin มอบให้คือบริบทที่มีคุณค่าอย่างมากซึ่งเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในการบริหารจัดการมหาวิทยาลัย

“สิ่งที่เราทำได้ตอนนี้ และคงทำไม่ได้หากไม่มี GIS คือการมองเห็นความสัมพันธ์ของปัญหา” Carroll กล่าว
“เช่น ถ้าเรามีอาคารสองหลังที่อยู่ติดกันแล้วไฟดับ เราจะสามารถระบุได้ว่าปัญหานั้นเชื่อมโยงกันอย่างไร เพราะ GIS บอกตำแหน่งที่แน่นอน ถ้าเป็นปัญหาทางไฟฟ้า เราจะมองเห็นการไฟดับทั้งหมดอย่างครบถ้วนและเชื่อมโยงกันในภาพรวมได้ รวมถึงประวัติการเกิดเหตุที่ผ่านมา” ภาพรวมแบบครบวงจรนี้ช่วยลดความซับซ้อนของการตรวจสอบอย่างมาก แก้ปัญหาได้เร็วขึ้นหลายเท่าเมื่อเทียบกับวิธีเดิม” Carroll กล่าว

เครือข่ายควบคุมอาคารยังขยายไปถึง ระบบบำบัดน้ำเสียของมหาวิทยาลัย เซ็นเซอร์ที่ติดตั้งบนฝาท่อสามารถตรวจจับปัญหาน้ำล้น ตรวจสอบว่าปั๊มน้ำสำรองทำงานหรือไม่ และระบุว่าต้องการให้เจ้าหน้าที่เข้าไปดำเนินการหรือไม่

ชีวิตใต้ดิน (Life Underground)

Digital Twin แสดง โครงสร้างพื้นฐานใต้ดินทั้งหมดของมหาวิทยาลัยเคนตักกี้ ซึ่งรวมถึง ท่อแก๊ส สายไฟฟ้า ระบบระบายน้ำ และท่อน้ำประปา ทั้งหมดนี้ดูราวกับแผนที่รถไฟใต้ดินลอนดอนที่มีการเพิ่มเส้นทางอย่างต่อเนื่องตลอดหลายศตวรรษ

ความเร็วในการสร้างระบบนี้น่าทึ่งมาก Carroll เริ่มสร้างตั้งแต่ปี 2561 ทั้งหมด และความพยายามยังคงดำเนินต่อไป — ทุกครั้งที่มีไซต์ก่อสร้างเริ่มงานในมหาวิทยาลัย ทีมของ Carroll จะบิน โดรน เหนือพื้นที่เพื่อวิเคราะห์ โครงสร้างพื้นฐานใต้ดินที่สำคัญ

นอกจากนี้อินเทอร์เน็ตความเร็วสูงทั่วทั้งวิทยาเขตใช้ เครือข่ายใยแก้วนำแสง (Fiber-Optic) ที่ซับซ้อน โดยสายเคเบิลใยแก้วนำแสงสามารถส่งข้อมูลด้วยคลื่นแสงที่เดินทางผ่านเส้นใยแก้วบางๆได้ แต่ละเส้นมีหลายแกน  โดยจุดวงกลมที่แสดงบนแผนที่จะ คือ จุดเชื่อมต่อวงจร (Circuits) ซึ่งแสดงตำแหน่งที่เส้นใยในสายเคเบิลหนึ่งส่งต่อข้อมูลไปยังอีกสายหนึ่ง

“เราต้องใช้ข้อมูลพวกนี้ทุกวัน” Carroll กล่าว กระบวนการทำงานคือต้องตรวจสอบว่าเสมอว่ามีเส้นใยว่างพอสำหรับรองรับช่องความถี่ของคลื่นวิทยุหรือไม่ และวิธีเดียวที่จะรู้ได้คือต้องดูแผนที่ GIS นี้

ที่มหาวิทยาลัยเคนตักกี้ซึ่งเป็นสถาบันวิจัยขนาดใหญ่ มีคำขอเชื่อมต่อคลื่นถี่ใหม่ๆ เข้ามาเสมอ สำหรับการเชื่อมต่อแต่ละครั้ง วิศวกรจะวางเส้นทางเฉพาะในเครือข่าย จากจุดเชื่อมต่อหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่ง

Carroll เลือกเส้นทางบนแผนที่ ซึ่งเส้นทางนั้นจะเห็นเป็นเส้นเชื่อมต่ออย่างชัดเจนบนแดชบอร์ด แสดงทีละช่วงเส้นทาง เช่น สายเคเบิล FC-488 ยังมีเส้นใยว่างอีก 6 เส้น และเราต้องใช้การเชื่อมต่อวงจรอีก 3 จุด (Circuit Connections)

เปรียบเหมือนการดูแผนที่รถไฟฟ้าเพื่อหาเส้นทางที่เปลี่ยนขบวนน้อยที่สุด วิศวกรจะเลือกเส้นทางที่มี “จุดเชื่อมน้อยที่สุด” เพราะทุกครั้งที่เชื่อมต่อสายเคเบิล จะเกิดการสูญเสียแสง (Light Loss) ซึ่งกระทบต่อการคำนวนคลื่นการเชื่อมต่อ

Carroll กล่าว่า นี่คือวิทยาเขตเดียวในสหรัฐอเมริกาที่ทำสิ่งนี้ โดยได้พัฒนาแอปพลิเคชันขึ้นเองทั้งหมด มีทั้งตรรกะ (Logic), เวิร์กโฟลว์, ความสามารถในการเชื่อมต่อ และการป้อนข้อมูลจากหลายแหล่ง รวมถึงสามารถใช้งานสิ่งนี้ได้ทั้งภาคสนาม, บนคอมพิวเตอร์ตั้งโต๊ะ หรือแม้กระทั่งผ่านมือถือ แพลตฟอร์มนี้รวมทุกอย่างไว้ในที่เดียว