Para el Dr. Fabian Dembski, que trabaja en la intersección de la arquitectura, planificación de la ciudad, y ciencia computacional, las ciudades son más que los lugares en los que vivimos. Funcionan como organismos vivos, creciendo y cambiando con el tiempo. Desde esta perspectiva, Las decisiones tomadas en la planificación de la ciudad pueden mejorar o degradar la salud de los espacios urbanos.

A medida que las ciudades se han vuelto más grandes y complicadas, y la tecnología ha abierto nuevas formas de observar y simular los procesos dinámicos de las ciudades, los investigadores han intentado encontrar nuevas formas de hacer que las decisiones de planificación de la ciudad sean más eficientes, equitativo, e inclusivo. Al igual que las tomografías computarizadas dieron a los profesionales médicos nuevas formas de observar el cuerpo humano, Los enfoques digitales avanzados que involucran el modelado y la visualización basados ​​en datos ahora ofrecen a los investigadores nuevas formas de comprender cómo funcionan las ciudades y predecir cómo los cambios en su diseño podrían afectar la vida allí.

Junto con investigadores del Instituto Fraunhofer, la Universidad de Stuttgart, y Kommunikationsbüro Ulmer, Dembski y otros investigadores del Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS) han estado desarrollando nuevas aplicaciones de visualización en 3-D para apoyar la planificación urbana. Específicamente, el equipo ha ido adaptando el concepto de "gemelo digital" para las ciudades, utilizando tecnologías de computación de alto rendimiento (HPC) para analizar, integrando, y visualizar datos que describen fenómenos urbanos para simular el complejo, Procesos dinámicos que son importantes a considerar en la planificación urbana.

Durante los últimos años, el equipo ha estado desarrollando un gemelo digital de Herrenberg, una pequeña ciudad en las afueras de Stuttgart. El estudio de Herrenberg ya ha proporcionado información valiosa para los planificadores urbanos y los funcionarios gubernamentales en el estado de Baden-Württemberg. y allana el camino para mejorar el modelo para incluir tipos adicionales de datos. El equipo publicó un informe detallado que describe sus métodos y resultados en la revista. Sustentabilidad .

Acercarse a los doppelgängers digitales

Los gemelos digitales son esencialmente modelos informáticos hiperrealistas de objetos complejos que son capaces de simular su función con un alto nivel de detalle. En el pasado, Los científicos e ingenieros han utilizado HPC para crear gemelos digitales de muchos tipos de objetos, incluyendo edificios, motores, y redes de servicios públicos. Dembski y sus colegas se encuentran entre los primeros en aplicar este concepto al modelado de entornos urbanos completos.

Su enfoque comienza con la idea de que la vida en una ciudad es el resultado de interacciones complejas entre muchos factores. Con la disponibilidad de nuevos sensores y otras herramientas digitales para producir datos de alta calidad, Los investigadores ahora pueden recopilar grandes conjuntos de datos que representan la calidad del aire, flujo de tráfico, y la prevalencia del tráfico peatonal, entre otras dimensiones de la vida urbana. Al fusionar estos grandes conjuntos de datos utilizando supercomputadoras y visualizarlos en realidad virtual, resulta más fácil comprender sus interacciones complejas, por ejemplo, para ver cómo un cambio en los patrones de tráfico o un nuevo edificio podría afectar la calidad del aire.

Para crear tal complejo, modelo multidimensional, Los investigadores primero deben desarrollar una base básica que luego se pueda exponer con conjuntos de datos más detallados. Al construir el gemelo digital de Herrenberg, el equipo comenzó usando un concepto llamado sintaxis espacial. Así como el esqueleto humano proporciona un andamiaje para todos los demás sistemas y funciones del cuerpo humano, la sintaxis espacial produce un esquema 2-D de cuadrículas físicas en una ciudad, ofreciendo un marco para realizar análisis espacial, como predecir los caminos probables que el tráfico de automóviles o peatones podría tomar para moverse de un punto a otro.

Luego, el equipo incorpora los datos del sistema de información geográfica (GIS) y los datos de los sistemas de control de tráfico para incorporar la topografía, geometría de la carretera, y flujos de tráfico realistas con más detalle, agregando otra capa de complejidad. Utilizando el código de dinámica de fluidos de código abierto OpenFOAM, que se usa más a menudo para modelar aerodinámicos de inyectores de combustible o aerodinámica de aviones, por ejemplo, también pueden crear modelos realistas del movimiento del viento y las emisiones a través de la ciudad.

Además de este tipo de modelado físico de alta precisión, El equipo de HLRS también desarrolló una aplicación para invitar a los residentes de Herrenberg a enviar sus respuestas emocionales a diferentes áreas de la ciudad. Los residentes proporcionaron datos cualitativos sobre si ciertas ubicaciones se sienten cómodas, inseguro, o feo, por ejemplo. Como explicó Dembski, "Emociones como la alegría y el miedo, la experiencia estética de los espacios verdes y la arquitectura, y otros factores impulsados ​​por las emociones juegan un papel importante en el éxito del diseño urbano, pero son muy difíciles de representar en modelos arquitectónicos o simulaciones. Nuestro enfoque es un intento inicial de recopilar e incorporar estos conjuntos de datos complicados ".

Usando un escáner láser Faro 3-D, el equipo también creó una visualización en 3-D del centro de la ciudad de Herrenberg. Luego, el equipo podría integrar visualizaciones de sus diversos conjuntos de datos en un modelo de realidad virtual inmersiva, permitiendo a los tomadores de decisiones ver cómo los datos abstractos "cobran vida". Para Dembski y el equipo, este elemento acerca la obra un paso más a visualizar una ciudad de una manera más realista.

Los recursos informáticos de alto rendimiento son necesarios para este trabajo debido a los grandes conjuntos de datos involucrados. Dembski explicó, "En un mundo en el que incluso los objetos singulares, como los edificios, ya son tan complejos, Las simulaciones con supercomputadoras pueden proporcionar un gran apoyo en el proceso de diseño; solo piense en la simulación del flujo del viento o en la física de edificios. Si luego considera ciudades y regiones enteras en toda su complejidad y desea comprender partes de ellas, HPC puede brindar un soporte enorme ".

Al mismo tiempo, Dembski también señaló que la integración de herramientas, pericia, y la convergencia de conjuntos de habilidades y tecnologías dispares también hacen que los centros de HPC sean esenciales para este trabajo. "No se trata solo de supercomputadoras e infraestructuras, ", dijo." Se trata de la variedad de recursos computacionales que tenemos a nuestra disposición, y quizás lo más importante, el interdisciplinario, entorno colaborativo que hace que este trabajo sea exitoso ".

Planificar el futuro

"Las ciudades no son unidimensionales, por lo que no tiene sentido diseñarlos en una hoja de papel, ", Dijo Dembski." La tercera dimensión nos ayuda a comprender las ciudades y su espacialidad. Especialmente en el contexto de la planificación y el desarrollo urbanos convencionales, la "vista, "o la percepción del espacio a escala humana, a menudo se olvida. Mucha gente no puede imaginar una planificación abstracta a escala 1:1, 000 o 1:10, 000. Esto también se aplica a los planificadores, ya que a menudo carecen de la sensibilidad necesaria para la escala humana, por eso sabemos que muchos proyectos de desarrollo urbano no funcionan. Al permitir que los tomadores de decisiones experimenten una vista inmersiva en la realidad virtual, we are helping them experience it more realistically, ultimately helping them better assess and evaluate designs, planes 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."

En la actualidad, 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?" él pide. "Digital tools can help us envision a more equitable and complete way to design cities of the future, but the human factor is irreplaceable."