Per il dottor Fabian Dembski, che lavora all'intersezione dell'architettura, pianificazione della citta, e scienze computazionali, le città non sono solo i luoghi in cui viviamo. Funzionano come organismi viventi, crescere e cambiare nel tempo. Da questa prospettiva, le decisioni prese nella pianificazione urbana possono migliorare o degradare la salute degli spazi urbani.

Poiché le città sono diventate più grandi e più complicate, e la tecnologia ha aperto nuovi modi di osservare e simulare i processi dinamici delle città, i ricercatori hanno cercato di trovare nuovi modi per rendere più efficienti le decisioni urbanistiche, equo, e inclusivo. Proprio come le scansioni TC hanno dato ai professionisti medici nuovi modi di osservare il corpo umano, approcci digitali avanzati che coinvolgono la modellazione e la visualizzazione guidate dai dati offrono ora ai ricercatori nuovi modi per comprendere come funzionano le città e prevedere come i cambiamenti nella loro progettazione potrebbero influenzare la vita lì.

Insieme agli investigatori dell'Istituto Fraunhofer, l'Università di Stoccarda, e Kommunikationsbüro Ulmer, Dembski e altri ricercatori dell'High-Performance Computing Centre Stuttgart (HLRS) hanno sviluppato nuove applicazioni di visualizzazione 3D per supportare la pianificazione urbana. Nello specifico, il team ha adattato il concetto di "gemello digitale" per le città, utilizzando tecnologie di calcolo ad alte prestazioni (HPC) per l'analisi, integrando, e visualizzare i dati che descrivono i fenomeni urbani al fine di simulare il complesso, processi dinamici importanti da considerare nella pianificazione urbana.

Negli ultimi anni, il team ha sviluppato un gemello digitale di Herrenberg, una piccola città appena fuori Stoccarda. Lo studio Herrenberg ha già fornito preziose informazioni per urbanisti e funzionari governativi nello stato del Baden-Württemberg, e apre la strada al miglioramento del modello per includere ulteriori tipi di dati. Il team ha pubblicato un rapporto dettagliato che descrive i suoi metodi e risultati sulla rivista Sostenibilità .

Avvicinarsi ai doppelgänger digitali

I gemelli digitali sono essenzialmente modelli informatici iperrealistici di oggetti complessi in grado di simulare la loro funzione ad un alto livello di dettaglio. Nel passato, scienziati e ingegneri hanno utilizzato l'HPC per creare gemelli digitali di molti tipi di oggetti, compresi gli edifici, motori, e reti di servizi. Dembski ei suoi colleghi sono tra i primi ad applicare questo concetto alla modellazione di interi ambienti urbani.

Il loro approccio parte dall'idea che la vita in una città è il risultato di complesse interazioni tra molti fattori. Con la disponibilità di nuovi sensori e altri strumenti digitali per la produzione di dati di alta qualità, i ricercatori possono ora raccogliere grandi set di dati che rappresentano la qualità dell'aria, flusso di traffico, e la prevalenza del traffico pedonale, tra le altre dimensioni della vita urbana. Unendo questi grandi set di dati utilizzando supercomputer e visualizzandoli nella realtà virtuale, diventa più facile comprendere le loro complesse interazioni, ad esempio per vedere come un cambiamento nei modelli di traffico o un nuovo edificio potrebbe influenzare la qualità dell'aria.

Per creare un tale complesso, modello multidimensionale, i ricercatori devono prima sviluppare una base di base che può poi essere esposta con set di dati più dettagliati. Nella costruzione del gemello digitale di Herrenberg, il team ha iniziato utilizzando un concetto chiamato sintassi spaziale. Proprio come lo scheletro umano fornisce un'impalcatura per tutti gli altri sistemi e funzioni del corpo umano, la sintassi spaziale produce un profilo 2D di griglie fisiche in una città, offrendo un quadro per l'esecuzione di analisi spaziali, come prevedere i probabili percorsi che il traffico automobilistico o pedonale potrebbe seguire per spostarsi da un punto all'altro.

Il team quindi piega i dati del sistema informativo geografico (GIS) e i dati dei sistemi di controllo del traffico per incorporare la topografia, geometria stradale, e flussi di traffico realistici in modo più dettagliato, aggiungendo un altro livello di complessità. Utilizzando il codice fluidodinamico open source OpenFOAM, più spesso utilizzato per la modellazione di spray per iniettori di carburante o aerodinamica di aeroplani, ad esempio, possono anche creare modelli realistici del movimento del vento e delle emissioni attraverso la città.

Oltre a questo tipo di modellazione fisica ad alta precisione, il team di HLRS ha anche sviluppato un'app che invita i residenti di Herrenberg a inviare le proprie risposte emotive a diverse aree della città. I residenti hanno fornito dati qualitativi sul fatto che determinati luoghi si sentono a proprio agio, pericoloso, o brutto, Per esempio. Come ha spiegato Dembski, "Emozioni come gioia e paura, l'esperienza estetica del verde e dell'architettura, e altri fattori guidati dalle emozioni giocano un ruolo importante nel successo della progettazione urbana, ma sono molto difficili da rappresentare in modelli o simulazioni architettoniche. Il nostro approccio è un primo tentativo di raccogliere e incorporare questi complicati set di dati".

Utilizzando uno scanner laser 3D Faro, il team ha anche creato una visualizzazione 3D del centro di Herrenberg. Il team potrebbe quindi integrare le visualizzazioni dei suoi vari set di dati in un modello di realtà virtuale immersiva, consentendo ai decisori di vedere i dati astratti "prendere vita". Per Dembski e il team, questo elemento sposta il lavoro un passo più vicino alla visualizzazione di una città in un modo più realistico.

Per questo lavoro sono necessarie risorse di elaborazione ad alte prestazioni a causa dei grandi set di dati coinvolti. Dembski ha spiegato, "In un mondo in cui anche oggetti singolari come gli edifici sono già così complessi, le simulazioni con i supercomputer possono fornire un ottimo supporto nel processo di progettazione, basti pensare alla simulazione del flusso del vento o alla costruzione di simulazioni fisiche. Se poi consideri intere città e regioni in tutta la loro complessità e vuoi comprenderne parti, HPC può fornire un enorme supporto."

Allo stesso tempo, Dembski ha anche osservato che l'integrazione di strumenti, competenza, e anche la convergenza di competenze e tecnologie disparate rende i centri HPC essenziali per questo lavoro. "Non si tratta solo di supercomputer e infrastrutture, " ha detto. "Si tratta della varietà di risorse computazionali che abbiamo a nostra disposizione, e forse, cosa più importante, l'interdisciplinare, ambiente collaborativo che rende questo lavoro di successo."

Pianificare in anticipo

"Le città non sono unidimensionali, quindi non ha senso progettarli su un pezzo di carta, " Ha detto Dembski. "La terza dimensione ci aiuta a capire le città e la loro spazialità. Soprattutto nel contesto della pianificazione e dello sviluppo urbanistico convenzionali, la "vista, "o la percezione dello spazio a misura d'uomo, viene spesso dimenticato. Molte persone non riescono a immaginare una pianificazione astratta alla scala 1:1, 000 o 1:10, 000. Questo vale anche per i pianificatori, poiché spesso mancano della sensibilità necessaria per la scala umana, ecco perché sappiamo che molti progetti di sviluppo urbano non funzionano. Consentendo ai decisori di sperimentare una visione immersiva 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."

Attualmente, 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

Nel futuro prossimo, 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?" lui chiede. "Digital tools can help us envision a more equitable and complete way to design cities of the future, but the human factor is irreplaceable."