smart city robotyzacja technologia Innowacje digital win

Cyfrowe bliźniaki miast - jak je wykorzystywać?

PFR dla Miast
Cyfrowe bliźniaki miast - jak je wykorzystywać?

Koncepcja cyfrowych bliźniaków 

Miasta na całym świecie coraz częściej sięgają po technologię digital twin. Zaczerpnięte z języka angielskiego określenie digital twin oznacza dosłownie cyfrowego bliźniaka. Koncepcja digital twin polega na stworzeniu cyfrowego modelu rzeczywistego obiektu lub systemu. Tak powstały model pozwala na przeprowadzanie testów i symulacji, które w rzeczywistości byłyby trudne i kosztowne do wykonania. Początkowo, koncepcja digital twin znalazła zastosowanie wśród specjalistów z branży kosmicznej oraz lotniczej, gdzie nadrzędną rolę odgrywa bezpieczeństwo oraz niezwykła precyzja działania[1]. Z uwagi na wysokie koszty przeprowadzania testów na rzeczywistych urządzeniach, zastosowanie symulacji cyfrowych stanowiło optymalne rozwiązanie umożliwiające prowadzenie badań i wykonywanie testów prototypów[2].  

Korzyści z cyfrowych bliźniaków dla miast  

Przed opisem szczegółów, warto zaznaczyć jaki wiele korzyści wdrożenie digital twin miast może przynieść, zarówno dla mieszkańców, jak i dla samych władz miejskich oraz organizacji działających na rzecz rozwoju urbanistycznego. Oto kilka korzyści, jakie miasta mogą osiągnąć dzięki digital twin: 

Optymalizacja planowania rozwoju miasta: Digital twin umożliwia prowadzenie symulacji różnych scenariuszy rozwoju miasta, co pozwala na lepsze zrozumienie potencjalnych konsekwencji i efektów działań urbanistycznych. Dzięki temu miasta mogą podejmować bardziej świadome i efektywne decyzje dotyczące infrastruktury, transportu, zielonych obszarów i innych aspektów rozwoju. 

Poprawa efektywności energetycznej: Digital twin pozwala na analizę zużycia energii przez różne typy budynków i infrastrukturę miejską. Dzięki symulacjom możliwe jest zidentyfikowanie obszarów, gdzie zużycie energii jest szczególnie wysokie i wymaga optymalizacji, co przyczynia się do transformacji energetycznej miast. 

Monitorowanie i zarządzanie środowiskiem: Dzięki digital twin miasta mogą śledzić i analizować różnorodne dane dotyczące środowiska, takie jak emisja zanieczyszczeń powietrza czy jakość wody. To pozwala na podejmowanie skutecznych działań mających na celu ochronę środowiska naturalnego i poprawę jakości życia mieszkańców. 

Lepsza infrastruktura miejska: Digital twin umożliwia dokładną analizę infrastruktury miejskiej, co pozwala na identyfikację obszarów wymagających modernizacji lub naprawy. Dzięki temu możliwe jest zapewnienie lepszej jakości infrastruktury, co przekłada się na wygodę i bezpieczeństwo mieszkańców. 

Partycypacja społeczna: Poprzez udostępnienie danych i narzędzi digital twin, miasta mogą angażować mieszkańców w proces planowania przestrzennego i podejmowania decyzji dotyczących rozwoju miejskiego. To sprzyja większej transparentności i partycypacji społecznej, co prowadzi do lepszego zrozumienia potrzeb lokalnej społeczności i dostosowania działań do ich oczekiwań. 

Zwiększenie bezpieczeństwa i przygotowanie do sytuacji kryzysowych: Digital twin umożliwia przeprowadzanie symulacji różnych scenariuszy, w tym sytuacji kryzysowych, takich jak klęski naturalne, wypadki drogowe czy ataki terrorystyczne. Dzięki temu miasta mogą lepiej przygotować się do potencjalnych zagrożeń i opracować skuteczniejsze strategie reagowania w razie wystąpienia sytuacji awaryjnych. Monitorowanie i analiza danych w czasie rzeczywistym pozwala również na szybszą reakcję na zmieniające się warunki i minimalizację negatywnych skutków sytuacji kryzysowych. 

CALL TO ACTION  

Jeśli chciałbyś zastosować taką technologię w swoim mieście, zachęcamy do wypełnienia ankiety, która pozwoli nam na budowę sieci polskich samorządów zainteresowanych wdrożeniem technologii cyfrowego bliźniaka Twojego miasta w ramach projektu Interreg Baltic. Szczegóły projektu zostaną przedstawione na podstawie deklaracji z badania ankietowego.

Przejdź do badania

Budowanie modelu digital twin od podstaw 

W koncepcji digital twin kluczowe znaczenie ma nie tylko jak najwierniejsze odwzorowanie rzeczywistych obiektów, ale również stała aktualizacja cyfrowego modelu w oparciu o bieżące dane. Zastosowanie koncepcji digital twin w kontekście planowania rozwoju miast stało się możliwe dzięki rozwinięciu idei smart city oraz coraz większej popularności technologii Internetu Rzeczy.  

W porównaniu do tradycyjnych symulacji, które najczęściej są wykorzystywane na etapie projektowania, digital twin dostarcza informacji o działaniu już istniejącego systemu[3]. Digital twin jest bardziej skomplikowany, ponieważ wymaga integracji z danymi IoT i uwzględnienia szerokiego zakresu czynników wpływających na obiekt w środowisku rzeczywistym, dzięki czemu może on dostarczać bardziej realistyczne i precyzyjne wyniki, co pozwala na lepsze zrozumienie, optymalizację i doskonalenie danego obiektu lub systemu[4].  

Dla wielu miast, model 3D stanowi pierwszy krok w fascynującym procesie tworzenia cyfrowego bliźniaka. Jak zauważa Andres Maremäe, specjalista GIS z Tallinna, model 3D stanowi wizualną część cyfrowego bliźniaka i choć do wizualizacji używana jest tylko część dostępnych danych, pomaga on łatwiej zrozumieć samą koncepcję[5]. Przygotowanie precyzyjnego modelu 3D, który oddaje strukturę miasta i jego otoczenie, jest symbolem postępu technologicznego, otwierającego włodarzom i mieszkańcom zupełnie nową perspektywę postrzegania miasta. Dzięki tej innowacji miasta mają możliwość w pełni odtworzyć przestrzenie, budynki i małą architekturę, zachowując wszystkie detale i elementy architektoniczne. 

Wczesne modele 3D miast charakteryzowały się uproszczonymi geometriami i stanowiły istotne uproszczenie w porównaniu do pełnego odwzorowania rzeczywistości. Przeważnie miały one głównie funkcję wizualną, umożliwiając użytkownikom oglądanie i eksplorację miasta w wirtualnym środowisku. Ograniczenie do prostych geometrii było związane z technicznymi i obliczeniowymi wyzwaniami związanymi z tworzeniem pełniejszych i bardziej złożonych modeli. Pomimo ich uproszczonej natury, te wczesne modele stanowiły ważne narzędzie do wizualizacji i wstępnej analizy przestrzeni miejskiej. 

Analogicznie do procesu konstruowania różnych obiektów za pomocą klocków Lego, cyfrowy bliźniak i jego interfejs 3D oferują elastyczność, pozwalając na dodawanie nowych elementów, modyfikację istniejących oraz udoskonalanie poszczególnych warstw. Taka funkcjonalność przyczynia się do osiągnięcia bardziej zaawansowanego i precyzyjnego odwzorowania rzeczywistości, co z kolei stwarza możliwość pogłębionej analizy i podejmowania strategicznych decyzji opartych na wiarygodnych informacjach. Dzięki tej dynamicznej naturze cyfrowego bliźniaka, użytkownicy mają możliwość ciągłego doskonalenia i rozbudowywania modelu miasta w taki sposób, aby uzyskać coraz bardziej kompleksowe oraz użyteczne narzędzie do przeprowadzania różnych analiz i planowania przyszłych działań. 

Jednym z istotnych wyzwań i warunków, które należy spełnić przy konstruowaniu cyfrowego bliźniaka, jest stworzenie modelu terenu. Dokładne odzwierciedlenie terenu w modelach 3D stanowi znaczne wyzwanie ze względu na jego złożoność i nieregularność. Istnieje konieczność uwzględnienia zarówno ukształtowania powierzchni, jak i zróżnicowanych wysokości terenu, aby uzyskać realistyczne i dokładne odwzorowanie. Ponadto, integracja warstwy terenu z innymi elementami, takimi jak budynki czy infrastruktura, wymaga precyzyjnego określenia punktów przecięcia i wyznaczenia prawidłowych zależności przestrzennych. Przy uwzględnianiu warstwy terenu w modelach 3D istnieje potrzeba korzystania z odpowiednich danych, narzędzi i metod, aby efektywnie i poprawnie odwzorować tę istotną składową przestrzeni miejskiej. 

Gdynia, Polska 

 

Kolejną, po opisanej w poprzednim akapicie warstwie terenu, jest warstwa informacji o budynkach (ang. Building Information Modelling, BIM) i to ona stanowi szkielet gdańskiego bliźniaka. W porównaniu do przywołanych przykładów zagranicznych, polski bliźniak jest skromny zarówno pod względem zasięgu terytorialnego i objętości jak również różnorodności wykorzystywanych danych. Co charakterystyczne dla nowych technologii, ich absorbcja często następuje poprzez pilotaże, w tym przypadku firma PRE FASADA zaprosiła miasto do udziału w europejskim projekcie badawczym ASHVIN, finansowanego w ramach „Horyzont 2020”[6]. Model digital twin został wykonany dla pojedynczego budynku, będącego w zasobie komunalnym miasta. Model BIM pozwolił na dokonanie precyzyjnej inwentaryzacji materiałów z jakich wykonany jest budynek. Pozyskane informacje zostaną wykorzystane jako diagnostyka przed rozpoczęciem procesu termomodernizacji. Na koniec w obiekcie zamontowano czujniki jakości powietrza, które pozwolą ocenić skuteczność przeprowadzonych działań.  

Wrocław, Polska 

 

Cyfrowy bliźniak miasta. Jak wpłynie na transformację energetyczną? - Jedynka - polskieradio.pl 

Z kolei miasto Wrocław pracuje w tej chwili nad cyfrowym bliźniakiem, który wspierałby funkcjonowanie dystryktów dodatnych energetycznie (ang. positive energy districts). Cyfrowy bliźniak miasta, czyli projekt DigiTwins4PEDs, pełnić będzie szereg istotnych funkcji, które mają zasadniczy wpływ na transformację energetyczną. Jedną z kluczowych zadań projektu będzie symulacja zużycia energii przez różne typy budynków, grupy budynków, instytucje oraz fabryki. Dzięki tej symulacji możliwe będzie zidentyfikowanie obszarów, gdzie zużycie energii jest szczególnie wysokie i wymaga optymalizacji. 

Barcelona, Hiszpania   

Digital twin w Barcelonie wyróżnia się dzięki zastosowaniu potężnego superkomputera o nazwie MareNostrum[7]. Ten superkomputer, znajdujący się w dekonsekrowanej kaplicy Torre Girona, jest jednym z najpotężniejszych procesorów danych na świecie[8]. Dzięki wykorzystaniu tego superkomputera możliwe jest przeprowadzanie kompleksowych i zaawansowanych analiz.  

Zastosowanie superkomputera w ramach digital twin umożliwia wykorzystanie ogromnej mocy obliczeniowej do przetwarzania dużych ilości danych w czasie rzeczywistym. To pozwala na symulację różnych scenariuszy i dokładne modelowanie procesów miejskich. Superkomputer MareNostrum jest w stanie analizować dane z różnych źródeł, takich jak dane demograficzne, dane dotyczące transportu, środowiska czy infrastruktury miejskiej. 

Dzięki temu superkomputerowi, Barcelona może dokładnie analizować wpływ planowanych projektów miejskich na miasto. Można symulować różne rozwiązania urbanistyczne, oceniać ich skuteczność i prognozować potencjalne konsekwencje. Na przykład, przed wdrożeniem programu tzw. superbloków, miasto skorzystało z analizy przeprowadzonej przez Barcelona Supercomputing Center (BSC), aby ocenić wpływ tych rozwiązań na emisję zanieczyszczeń powietrza. Dzięki temu można było wyciągnąć wnioski na temat efektywności tego programu i podjąć odpowiednie działania w celu poprawy jakości powietrza. 

Superkomputer MareNostrum umożliwia również bardziej kompleksową analizę danych, takich jak trendy w zakresie gentryfikacji, dostępność usług publicznych czy występowanie infrastruktury potrzebnej dla osób starszych lub niepełnosprawnych. Dzięki dużej mocy obliczeniowej i szybkości przetwarzania danych, można badać te zagadnienia na szerszą skalę i z większą dokładnością.