Использование цифровых двойников для проектирования более устойчивых городов
Для доктора Фабиана Дембски, работающего на стыке архитектуры, градостроительства и вычислительной науки, города — это больше, чем просто места проживания. Они функционируют как живые организмы, растут и меняются со временем. С этой точки зрения, решения в области градостроительства могут как улучшать, так и ухудшать «здоровье» городских пространств.
Исследователи из Высокопроизводительного вычислительного центра Штутгарта (HLRS) совместно с коллегами из Института Фраунгофера, Университета Штутгарта и Kommunikationsbüro Ulmer разрабатывают новые приложения 3D-визуализации для поддержки городского планирования. Команда адаптирует концепцию «цифрового двойника» для городов, используя технологии высокопроизводительных вычислений (HPC) для анализа, интеграции и визуализации данных, описывающих городские явления, чтобы моделировать сложные динамические процессы, важные для градостроительства.
В течение последних нескольких лет команда создавала цифрового двойника Херренберга — небольшого города недалеко от Штутгарта. Это исследование уже предоставило ценную информацию для городских планировщиков и правительственных чиновников земли Баден-Вюртемберг. Подробный отчет о методах и результатах был опубликован в журнале Sustainability.
Многомерное моделирование городской среды
Подход команды начинается с идеи, что жизнь в городе — результат сложного взаимодействия множества факторов. Используя новые датчики и цифровые инструменты, исследователи собирают большие наборы данных о качестве воздуха, транспортных потоках, пешеходной активности и других аспектах. Объединяя эти массивы данных с помощью суперкомпьютеров и визуализируя их в виртуальной реальности, становится проще понять их взаимодействие — например, как изменение транспортных схем или новое здание могут повлиять на качество воздуха.
При создании цифрового двойника Херренберга команда использовала концепцию синтаксиса пространства для создания 2D-каркаса городской сетки. Затем добавлялись данные географических информационных систем (GIS), информация о системе управления дорожным движением для учета топографии и реалистичных транспортных потоков. С помощью открытого кода вычислительной гидродинамики OpenFOAM моделировалось движение ветра и выбросов в городе.
Кроме точного физического моделирования, команда HLRS разработала приложение, с помощью которого жители Херренберга могли сообщать о своих эмоциональных реакциях на разные районы города, предоставляя качественные данные о комфортности, безопасности или эстетическом восприятии мест. «Эмоции, эстетический опыт — эти факторы играют важную роль в успехе городского дизайна, но их очень сложно представить в моделях. Наш подход — это ранняя попытка собрать и включить такие сложные наборы данных», — пояснил Дембски.
С помощью 3D-лазерного сканера Faro была создана детальная 3D-визуализация центра Херренберга. Интеграция различных наборов данных в иммерсивную VR-модель позволяет лицам, принимающим решения, увидеть абстрактные данные «ожившими».
Визуализация для принятия решений
«Города не одномерны, поэтому проектировать их на листе бумаги бессмысленно. Третье измерение помогает понять города и их пространственность», — отметил Дембски. Он подчеркнул, что в традиционном планировании часто забывается «виста» — восприятие пространства в человеческом масштабе. Иммерсивная VR-визуализация помогает планировщикам и гражданам более реалистично оценивать проекты и сценарии.
Цифровой двойник был представлен властям Херренберга и на публичных мероприятиях для поощрения участия общественности в планировании. Реакция была очень положительной. В настоящее время HLRS сотрудничает с небольшой группой партнеров в рамках предстоящей Международной строительной выставки в Штутгарте (IBA'27), фокусируясь на возможностях цифровых технологий для городского планирования.
Будущее: искусственный интеллект и пределы моделирования
В ближайшем будущем команда планирует исследовать, как приложения искусственного интеллекта (ИИ) могут помочь лучше представить множество факторов, влияющих на эмоциональное восприятие города жителями. Это может включать моделирование таких крупномасштабных динамических явлений, как региональная миграция, эффекты джентрификации, рост или сокращение городов и их социально-экономическая устойчивость.
Несмотря на возможности, которые открывают цифровые двойники, Дембски признает, что у компьютерного моделирования всегда будут ограничения в понимании такой сложной, «живой» структуры, как город. «Что приносит радость отдельным людям? Как незапланированные вещи обогащают среду? Цифровые инструменты могут помочь нам представить более справедливый и комплексный способ проектирования городов будущего, но человеческий фактор незаменим», — заключает ученый.