Para o Dr. Fabian Dembski, quem trabalha na intersecção da arquitetura, planejamento urbano, e ciência computacional, as cidades são mais do que apenas os lugares em que vivemos. Eles funcionam como organismos vivos, crescendo e mudando ao longo do tempo. Desta perspectiva, as decisões tomadas no planejamento da cidade podem melhorar ou degradar a saúde dos espaços urbanos.

À medida que as cidades se tornaram maiores e mais complicadas, e a tecnologia abriu novas maneiras de observar e simular os processos dinâmicos das cidades, pesquisadores tentaram encontrar novas maneiras de tornar as decisões de planejamento urbano mais eficientes, equitativo, e inclusivo. Muito parecido com a tomografia computadorizada deu aos profissionais médicos novas maneiras de observar o corpo humano, Abordagens digitais avançadas que envolvem modelagem e visualização baseadas em dados agora oferecem aos pesquisadores novas maneiras de entender como as cidades funcionam e de prever como as mudanças em seu design podem afetar a vida nelas.

Juntamente com os investigadores do Instituto Fraunhofer, a Universidade de Stuttgart, e Kommunikationsbüro Ulmer, Dembski e outros pesquisadores do High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) têm desenvolvido novos aplicativos de visualização 3-D para apoiar o planejamento urbano. Especificamente, a equipe vem adaptando o conceito de "gêmeo digital" para as cidades, usando tecnologias de computação de alto desempenho (HPC) para análise, integrando, e visualizar dados que descrevem fenômenos urbanos, a fim de simular o complexo, processos dinâmicos que são importantes a considerar no planejamento urbano.

Nos últimos anos, a equipe está desenvolvendo um gêmeo digital de Herrenberg, uma pequena cidade nos arredores de Stuttgart. O estudo de Herrenberg já forneceu informações valiosas para planejadores de cidades e funcionários do governo no estado de Baden-Württemberg, e abre caminho para o aprimoramento do modelo para incluir tipos adicionais de dados. A equipe publicou um relatório detalhado descrevendo seus métodos e resultados na revista Sustentabilidade .

Aproximando-se de doppelgängers digitais

Os gêmeos digitais são essencialmente modelos de computador hiper-realistas de objetos complexos que são capazes de simular sua função em um alto nível de detalhe. No passado, cientistas e engenheiros usaram HPC para criar gêmeos digitais de muitos tipos de objetos, incluindo edifícios, motores, e redes de serviços públicos. Dembski e seus colegas estão entre os primeiros a aplicar esse conceito à modelagem de ambientes urbanos inteiros.

Sua abordagem começa com a ideia de que a vida em uma cidade é o resultado de interações complexas entre muitos fatores. Com a disponibilidade de novos sensores e outras ferramentas digitais para a produção de dados de alta qualidade, os pesquisadores agora podem coletar grandes conjuntos de dados que representam a qualidade do ar, fluxo de tráfego, e a prevalência do tráfego de pedestres, entre outras dimensões da vida urbana. Ao mesclar esses grandes conjuntos de dados usando supercomputadores e visualizá-los em realidade virtual, torna-se mais fácil entender suas interações complexas, por exemplo, para ver como uma mudança nos padrões de tráfego ou um novo edifício pode afetar a qualidade do ar.

Para criar tal complexo, modelo multidimensional, os pesquisadores devem primeiro desenvolver uma base básica que pode então ser exposta com conjuntos de dados mais detalhados. Ao construir o gêmeo digital de Herrenberg, a equipe começou usando um conceito chamado sintaxe de espaço. Assim como o esqueleto humano fornece uma estrutura para todos os outros sistemas e funções do corpo humano, a sintaxe do espaço produz um esboço 2-D de grades físicas em uma cidade, oferecendo uma estrutura para a realização de análises espaciais, como prever os caminhos prováveis ​​que o tráfego de carros ou pedestres pode seguir para ir de um ponto a outro.

A equipe, então, dobra os dados do sistema de informações geográficas (GIS) e os dados dos sistemas de controle de tráfego para incorporar a topografia, geometria da estrada, e fluxos de tráfego realistas em mais detalhes, adicionando outra camada de complexidade. Usando o código aberto de dinâmica de fluidos OpenFOAM - mais frequentemente usado para modelar sprays injetores de combustível ou aerodinâmica de aviões, por exemplo - eles também podem criar modelos realistas do movimento do vento e das emissões pela cidade.

Além desse tipo de modelagem física de alta precisão, a equipe do HLRS também desenvolveu um aplicativo convidando os residentes de Herrenberg a enviar suas respostas emocionais a diferentes áreas da cidade. Os residentes forneceram dados qualitativos sobre se certos locais são confortáveis, inseguro, ou feio, por exemplo. Como explicou Dembski, "Emoções como alegria e medo, a experiência estética de espaços verdes e arquitetura, e outros fatores impulsionados pela emoção desempenham um papel importante no sucesso do design urbano, mas são muito difíceis de representar em modelos ou simulações arquitetônicas. Nossa abordagem é uma tentativa inicial de reunir e incorporar esses conjuntos de dados complicados. "

Usando um scanner a laser Faro 3-D, a equipe também criou uma visualização 3D do centro da cidade de Herrenberg. A equipe poderia então integrar visualizações de seus vários conjuntos de dados em um modelo de realidade virtual imersivo, permitindo que os tomadores de decisão vejam os dados abstratos "ganhando vida". Para Dembski e a equipe, este elemento move o trabalho um passo mais perto de visualizar uma cidade de uma forma mais realista.

Recursos de computação de alto desempenho são necessários para este trabalho devido aos grandes conjuntos de dados envolvidos. Dembski explicou, "Em um mundo em que até objetos singulares, como edifícios, já são tão complexos, simulações com supercomputadores podem fornecer grande suporte no processo de design - basta pensar na simulação de fluxo de vento ou em simulações físicas de edifícios. Se você considerar cidades e regiões inteiras em toda a sua complexidade e quiser entender partes delas, HPC pode fornecer um suporte enorme. "

Ao mesmo tempo, Dembski também observou que a integração de ferramentas, perícia, e a convergência de conjuntos de habilidades e tecnologias díspares também tornam os centros de HPC essenciais para esse trabalho. “Não se trata apenas de supercomputadores e infraestruturas, "disse ele." É sobre a variedade de recursos computacionais que temos à nossa disposição, e talvez o mais importante, o interdisciplinar, ambiente colaborativo que torna este trabalho um sucesso. "

Planejando à frente

"As cidades não são unidimensionais, então não faz sentido desenhá-los em um pedaço de papel, "Dembski disse." A terceira dimensão nos ajuda a entender as cidades e sua espacialidade. Especialmente no contexto de planejamento e desenvolvimento urbano convencional, a "vista, "ou a percepção do espaço na escala humana, é frequentemente esquecido. Muitas pessoas não conseguem imaginar um planejamento abstrato na escala de 1:1, 000 ou 1:10, 000. Isso também se aplica aos planejadores, já que muitas vezes não têm a sensibilidade necessária para a escala humana, É por isso que sabemos que muitos projetos de desenvolvimento urbano não funcionam. 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."

Atualmente, 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

No futuro próximo, 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?" ele pergunta. "Digital tools can help us envision a more equitable and complete way to design cities of the future, but the human factor is irreplaceable."