Brug af digitale tvillinger til at designe mere bæredygtige byer

For Dr. Fabian Dembski, der arbejder i skæringspunktet mellem arkitektur, byplanlægning, og beregningsvidenskab, byer er mere end blot de steder, vi bor. De fungerer som levende organismer, vokser og ændrer sig over tid. Fra dette perspektiv, beslutninger, der træffes i byplanlægningen, kan enten forbedre eller forringe byrums sundhed.

Efterhånden som byer er blevet større og mere komplicerede, og teknologien har åbnet op for nye måder at observere og simulere byers dynamiske processer på, forskere har forsøgt at finde nye måder at gøre byplanlægningsbeslutninger mere effektive, retfærdig, og inkluderende. Ligesom CT-scanninger gav læger nye måder at observere den menneskelige krop på, avancerede digitale tilgange, der involverer datadrevet modellering og visualisering, tilbyder nu forskere nye måder at forstå, hvordan byer fungerer på, og forudsige, hvordan ændringer i deres design kan påvirke livet der.

Sammen med efterforskere ved Fraunhofer Institute, universitetet i Stuttgart, og Kommunikationsbüro Ulmer, Dembski og andre forskere ved High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) har udviklet nye applikationer af 3-D visualisering til støtte for byplanlægning. Specifikt, teamet har tilpasset konceptet "den digitale tvilling" til byer, ved hjælp af high-performance computing (HPC) teknologier til at analysere, integrere, og visualisere data, der beskriver byfænomener for at simulere det komplekse, dynamiske processer, som er vigtige at overveje i byplanlægning.

I løbet af de sidste mange år, holdet har udviklet en digital tvilling af Herrenberg, en lille by lige uden for Stuttgart. Herrenberg-undersøgelsen har allerede givet værdifuld information til byplanlæggere og embedsmænd i delstaten Baden-Württemberg, og baner vejen for at forbedre modellen til at inkludere yderligere typer data. Holdet udgav en detaljeret rapport, der beskriver dets metoder og resultater i tidsskriftet Bæredygtighed .

Nærmer sig digitale dobbeltgængere

Digitale tvillinger er i det væsentlige hyperrealistiske computermodeller af komplekse objekter, der er i stand til at simulere deres funktion på et højt detaljeringsniveau. I fortiden, videnskabsmænd og ingeniører har brugt HPC til at skabe digitale tvillinger af mange slags objekter, herunder bygninger, motorer, og forsyningsnetværk. Dembski og hans kolleger er blandt de første til at anvende dette koncept til modellering af hele bymiljøer.

Deres tilgang begynder med ideen om, at livet i en by er resultatet af komplekse interaktioner mellem mange faktorer. Med tilgængeligheden af ​​nye sensorer og andre digitale værktøjer til at producere data af høj kvalitet, forskere kan nu indsamle store datasæt, der repræsenterer luftkvalitet, Trafikstrøm, og udbredelsen af ​​fodgængertrafik, blandt andre dimensioner af bylivet. Ved at flette disse store datasæt ved hjælp af supercomputere og visualisere dem i virtual reality, det bliver lettere at forstå deres komplekse interaktioner – f.eks. for at se, hvordan et ændret trafikmønster eller en ny bygning kan påvirke luftkvaliteten.

For at skabe et sådant kompleks, multidimensionel model, forskerne skal først udvikle et grundlæggende grundlag, som derefter kan uddybes med mere detaljerede datasæt. Ved at bygge Herrenbergs digitale tvilling, holdet begyndte med at bruge et koncept kaldet rumsyntaks. Ligesom det menneskelige skelet udgør et stillads for alle andre systemer og funktioner i den menneskelige krop, rumsyntaks producerer en 2-D-oversigt over fysiske gitre i en by, at tilbyde en ramme for udførelse af rumlig analyse, såsom at forudsige de sandsynlige veje, som bil- eller fodgængertrafik kan tage for at bevæge sig fra et punkt til et andet.

Holdet folder derefter geografisk informationssystem (GIS) data og trafikkontrolsystem data for at inkorporere topografi, vejgeometri, og realistiske trafikstrømme mere detaljeret, tilføjer endnu et lag af kompleksitet. Brug af open source-væskedynamikkoden OpenFOAM - oftere brugt til modellering af brændstofinjektorsprays eller flyaerodynamik, for eksempel – de kan også skabe realistiske modeller for bevægelsen af ​​vind og emissioner gennem byen.

Ud over denne form for fysisk modellering med høj præcision, HLRS-teamet udviklede også en app, der inviterede Herrenberg-beboere til at sende deres følelsesmæssige svar til forskellige områder i byen. Beboerne leverede kvalitative data om, hvorvidt bestemte steder føler sig godt tilpas, usikker, eller grim, for eksempel. Som Dembski forklarede, "Følelser som glæde og frygt, den æstetiske oplevelse af grønne områder og arkitektur, og andre følelsesdrevne faktorer spiller en stor rolle i bydesignets succes, men er meget svære at repræsentere i arkitektoniske modeller eller simuleringer. Vores tilgang er et tidligt forsøg på at indsamle og inkorporere disse komplicerede datasæt."

Ved hjælp af en Faro 3-D laserscanner, holdet skabte også en 3-D visualisering af Herrenbergs bymidte. Teamet kunne derefter integrere visualiseringer af dets forskellige datasæt i en fordybende virtual reality -model, gør det muligt for beslutningstagere at se abstrakte data "komme til live." For Dembski og holdet, dette element flytter værket et skridt tættere på at visualisere en by på en mere realistisk måde.

Højtydende computerressourcer er nødvendige for dette arbejde på grund af de store datasæt, der er involveret. Dembski forklarede, "I en verden, hvor selv enkeltstående genstande såsom bygninger allerede er så komplekse, simuleringer med supercomputere kan give stor støtte i designprocessen - tænk bare på vindstrømssimulering eller bygningsfysiske simuleringer. Hvis man så betragter hele byer og regioner i al deres kompleksitet og ønsker at forstå dele af dem, HPC kan yde enorm støtte."

På samme tid, Dembski bemærkede også, at integrationen af ​​værktøjer, ekspertise, og konvergensen af ​​forskellige færdighedssæt og teknologier gør også HPC-centre afgørende for dette arbejde. "Det handler ikke kun om supercomputere og infrastrukturer, " sagde han. "Det handler om de mange forskellige beregningsressourcer, vi har til vores rådighed, og måske vigtigst af alt, det tværfaglige, samarbejdsmiljø, der gør dette arbejde vellykket."

Planlægning fremad

"Byer er ikke endimensionelle, så det giver ikke mening at designe dem på et stykke papir, " sagde Dembski. "Den tredje dimension hjælper os med at forstå byer og deres rumlighed. Især i forbindelse med konventionel byplanlægning og udvikling, "udsigten, "eller rumopfattelsen i menneskelig skala, bliver ofte glemt. Mange mennesker kan ikke forestille sig abstrakt planlægning i skalaen 1:1, 000 eller 1:10, 000. Det gælder også planlæggere, da de ofte mangler den nødvendige følsomhed for den menneskelige skala, which is why we know many urban development projects don't work. By allowing decision makers to experience an immersive vista in VR, we are helping them experience it more realistically, ultimately helping them better assess and evaluate designs, plans, or other scenarios."

The team shared its digital twin with Herrenberg city officials and has presented its model at several public events there to encourage public participation in city planning. The response thus far has been very positive.

"When we demonstrated a mobile 3-D version of our digital twin using a rear-projection VR environment, it was very well received by the public, " Dembski commented. "It was exciting to see groups taking part in a discussion about city planning who would be difficult or impossible to attract in any other format. There is also great interest in the opportunities that digital twins could open up among planners and decision-makers."

I øjeblikket, HLRS is working with a small group of partners in the context of the International Building Exhibition Stuttgart (IBA'27), a major upcoming architectural event. The collaboration will focus on opportunities offered by digital technologies for city planning processes.

Artificial intelligence to support city planning

In the near future, the team will also be exploring how artificial intelligence (AI) applications could be used to better represent the myriad factors affecting how residents emotionally experience their home cities.

"We would like to start including larger-scale, more dynamic phenomena in our model, " Dembski said. "This could include factors like regional migration, the effects of gentrification, and the growth, shrinkage, settlement patterns, and overall social and economic resilience of cities. Considering the complex data sets needed to quantify such activities we will need even more computational support, and we think that artificial intelligence applications could also help."

Although Dembski is excited about the opportunities that digital twins offer for city planning, he acknowledges that even with the arrival of more powerful computing systems there will always be limitations in using computers to fully understand such a complex, "living" structure as a city. "What brings individual people joy? How do unplanned things enrich a built environment?" han spørger. "Digital tools can help us envision a more equitable and complete way to design cities of the future, but the human factor is irreplaceable."