Mesmo que você não seja um jogador ávido, provavelmente você já ouviu falar do SimCity. Lançado em 1989 e distinguido por sua jogabilidade aberta, SimCity deu a muitos jogadores o primeiro gostinho de controle total sobre o desenvolvimento de uma cidade, cimentando para sempre seu lugar na história dos videogames.

Em uma reviravolta curiosa da jogabilidade para a adaptação à vida real, as simulações de cidades virtuais agora permitem que os planejadores urbanos tenham uma noção dos resultados de suas decisões sem ter que construir uma única estrutura física. Em um momento em que o mundo está sendo dramaticamente remodelado pelas mudanças climáticas, a modelagem de paisagens urbanas baseada em dados também é imensamente útil para os governos prepararem suas cidades para os piores cenários provocados pelo aquecimento global e pela elevação do nível do mar.

"Cingapura, sendo uma ilha baixa com área de terra limitada, é especialmente vulnerável às mudanças climáticas, "disse Hee Joo Poh, um cientista sênior do Institute of High Performance Computing (IHPC), UMA ESTRELA, citando o aumento das temperaturas e a urbanização contínua como ameaças à qualidade de vida da Lion City.

Mas tudo não está perdido. “Ao otimizar os fatores ambientais, Os planejadores da cidade de Cingapura podem projetar moradias e infraestrutura que maximizem o conforto e o bem-estar dos cidadãos, apesar das mudanças climáticas, "ele brincou.

Uma visão aérea de uma cidade virtual

Embora seja mais fácil pensar no clima como sendo uniforme em toda Cingapura, o fato é que diferentes partes da cidade-estado têm seus perfis climáticos distintos - conhecidos como microclimas. O microclima de uma área é afetado por uma confluência de fatores, variando de fatores naturais como vento, luz solar e vegetação a elementos feitos pelo homem, como densidade de edifícios e tráfego de veículos.

Levar em conta todos esses fatores ambientais no planejamento urbano é uma tarefa complicada, mas o grupo de pesquisa de Poh criou uma ferramenta digital chamada Modelador Ambiental Integrado (IEM) para fazer exatamente isso. Desenvolvido em colaboração com colegas do A * STAR's Institute for Infocomm Research (I2R) e do Building &Research Institute, Conselho de Habitação e Desenvolvimento (HDB), Cingapura, o IEM aproveita várias fontes de dados para recriar e simular cenários de microclima em Cingapura. Isso o diferencia de outros modeladores ambientais no mercado que normalmente avaliam apenas um fator ambiental por vez.

"A lacuna mais significativa que o IEM preenche é a integração, "Poh compartilhado." É a primeira ferramenta integrada e escalonável a acoplar todos os principais fatores da física ambiental e suas complexas interações em uma única plataforma unificada. "

Para criar o IEM, os pesquisadores receberam intrincados dados geométricos 3D de Cingapura por seus colaboradores no HDB. A equipe desenvolveu então um módulo que poderia processar os dados geométricos 3-D para transformá-los em uma simulação 3-D altamente realista do país. Ao mesmo tempo, 43 sensores ambientais foram implantados na metade oriental de Cingapura. Alimentado pelo sol, esses sensores coletaram dados sobre diferentes parâmetros, como irradiância solar, vento e temperatura, transmitindo sem fio os dados de volta para os pesquisadores em tempo real.

Com grandes quantidades de dados em mãos, os pesquisadores então passaram a realizar o trabalho meticuloso de combinar todos os vários parâmetros no que se tornaria o IEM. Dados sobre a dinâmica do fluxo de ar, o caminho do calor solar e a propagação do ruído foram sobrepostos na simulação 3-D de Cingapura, em uma resolução horizontal de dez metros. Esse, admitiu Poh, foi a parte mais desafiadora do projeto.

"O que criamos não é uma integração de software existente, mas um sistema construído em uma arquitetura de computação escalável usando medições em tempo real, " ele disse.

Quando o digital fica físico

O valor de uma ferramenta está no problema que ela resolve para seu usuário. No caso do IEM, o primeiro problema que a equipe de Poh procurou resolver foi um fenômeno microclima conhecido como efeito de ilha de calor urbana, que é responsável pela grande diferença de temperatura entre áreas florestadas e urbanizadas.

As ilhas de calor urbano resultam da construção de estruturas urbanas densas - pense em arranha-céus e shoppings - que retêm o calor ao longo de ruas relativamente estreitas. Juntamente com a falta de vegetação que forneça sombra e calor do tráfego de veículos, as temperaturas nessas ilhas de calor podem atingir níveis insuportáveis.

Sem surpresa, dados de satélite revelaram que as ilhas de calor urbanas são mais aparentes no sul altamente urbanizado de Cingapura. Áreas como o Parque Industrial de Tuas e o Aeroporto de Changi também são particularmente quentes devido às grandes faixas de concreto exposto e metal encontrados nesses locais. Enquanto isso, a floresta ao norte é comparativamente mais fria durante o dia - os pesquisadores relataram uma diferença de temperatura de 4 ° C entre as áreas bem plantadas e o Distrito Central de Negócios de Cingapura.

Ao combinar essas diferenças de temperatura em conjunto com simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) de velocidade e direção do vento, bem como a presença ou ausência de vegetação e corpos d'água em uma área, os pesquisadores foram capazes de identificar locais ideais para construir amenidades, como playgrounds em empreendimentos existentes ou novos. Além disso, levando em consideração os dados de ruído, os pesquisadores foram capazes de identificar uma ligação entre a distribuição de calor e a propagação do ruído em ambientes urbanos.

"O som viaja mais rápido no ar mais quente, então, quando o ar acima da terra é mais quente do que o ar na superfície, a onda sonora se curva em direção à terra, "Poh explicou." Nessas circunstâncias, a refração para baixo pode permitir que o som atravesse obstáculos, como barreiras de ruído, e se propague ainda mais. "

Essas percepções podem ser úteis para os planejadores urbanos de Cingapura, já que mais prédios altos estão sendo construídos perto de vias expressas para maximizar o uso do solo. A altura e a localização das barreiras acústicas também podem ter que ser ajustadas para limitar a extensão da poluição sonora experimentada pelos habitantes dos edifícios.

Construindo em uma base sólida

Semelhante a como o horizonte de Cingapura está em um estado de fluxo constante, o IEM continua sendo um trabalho em andamento, pois Poh e seus colegas continuam a fazer melhorias nas simulações.

"A visão de longo prazo para a ferramenta IEM é transformá-la em um modelo" Digital Twin "altamente preciso para uso em qualquer área urbanizada, capaz de responder por vários fatores que afetam os ambientes urbanos, "disse Poh." Isso reduz o risco de tentativa e erro física dispendiosa e permite que os planos de desenvolvimento sejam testados computacionalmente antes da implementação real. "

Mesmo as características de edifícios individuais podem ser avaliadas in silico usando o IEM, Poh adicionado, destacando como ele trabalhou com a Autoridade de Construção e Construção (BCA) de Cingapura por mais de uma década em projetos de construção sensíveis ao clima, contribuindo com sua experiência em simulações de CFD.

"Em 2008, O BCA incluiu CFD em sua iniciativa (o Esquema de Marca Verde BCA) para conduzir a indústria de construção de Cingapura em direção a edifícios mais ecológicos, e fui contratado como um avaliador externo para projetos no âmbito da iniciativa, "disse ele. Então, em 2012, ele também colaborou com a BCA para desenvolver metodologia de simulação CFD e parâmetros de avaliação para modelagem de espaços ventilados naturalmente em edifícios não residenciais de acordo com os critérios da Marca Verde.

Por sua contribuição para o campo da habitabilidade urbana e sustentabilidade em Cingapura, Poh foi homenageado pelo Ministério do Desenvolvimento Nacional (MND) como Jovem Líder da Cúpula Mundial das Cidades em 2014. Mais recentemente, em 2019, Poh, junto com Wee Shing Koh do IHPC, Fachmin Folianto da I2R e Sze Tiong Tan da HDB, foram premiados com o President's Technology Award 2019 - o prêmio de ciência e tecnologia de maior prestígio de Cingapura - por seu trabalho no IEM.

"Nossa pesquisa ajuda a trazer soluções inovadoras para o planejamento e design de cidades sustentáveis, mas além do campo do planejamento urbano, cientistas do clima e pesquisadores ambientais também podem usar o IEM para simular e estudar os efeitos localizados das futuras mudanças climáticas globais, "Poh disse.

“Os resultados de tais estudos seriam úteis para as agências governamentais formularem políticas e colocarem em prática medidas para mitigar as ameaças relacionadas ao clima, "concluiu.