Цифров двойник на града

Текстът е публикуван в бр. 5 (45) на сп. Business Global.

Проф. Десислава Петрова-Антонова, институт GATE                                         Проф. Десислава Петрова-Антонова е ръководител на изследователската област „Управление на данни“ и приложната област „Градове на бъдещето“ в институт GATE. Тя ръководи пилотния проект „Цифров двойник на града“, в рамките на който се разработват анализи, симулации и визуализации на градските среда и процеси. Завършва Техническия университет – София, през 2000 г. като инженер по компютърни системи и технологии и защитава докторска дисертация в областта на компютърните науки. Професор в катедра „Софтуерни технологии“ във Факултета по математика и информатика на СУ „Св. Климент Охридски“.


Четири милиарда души, или половината от световното население (по данни към ноември 2022 г.) живее в градски райони. До 2050 г. се очаква урбанизацията да достигне до 70% от населението на земята заедно с проблемите, свързани с качеството на атмосферния въздух, транспорта, достъпа до публични услуги и пространства, ръст в бедността и социалните неравенства и др.

Затова не е случайно, че една от Целите за устойчиво развитие на ООН е за постигане на приобщаващи, безопасни, адаптивни и устойчиви градове. Тя е свързана с прилагането на разнообразни мерки и политики, като инвестиране в обществен транспорт, преход към възобновяеми енергийни източници, подобряване на енергийната ефективност на сградите, създаване на зелени пространства и устойчиво управление на отпадъците. Тези и други инициативи не само помагат за намаляване на негативните екологични въздействия на градовете, но също така могат да създадат нови възможности за икономически растеж, като се създаде пазар за зелени технологии и услуги. 

Предизвикателствата


Промяната на градовете идва заедно с редица предизвикателства:

• Финансиране: Финансирането на устойчивите проекти и инфраструктури често е едно от най-големите предизвикателства. Много градове се нуждаят от допълнителни инвестиции, за да реализират устойчиви инициативи.

• Липса на осведоменост и ангажираност: За да се подкрепи приемането и изпълнението на устойчиви инициативи, обществото трябва да е осведомено и ангажирано. В градските процеси участват множество и различни заинтересовани страни, всяка с различен опит, възможност и капацитет, и така градът става средище за раждането на иновативни партньорства и идеи.

• Политическа воля: За успешното изпълнение на устойчиви стратегии от съществено значение е наличието на политическа воля както от местните, така и от централните власти. В този контекст е актуално т.нар. интерактивното управление, което предполага наличието на хоризонтални взаимодействия, чрез които различни публични и частни заинтересовани страни координират своите действия и решения, за да осъществяват успешни публични политики и да предоставят качествени обществени услуги.

• Технологични предизвикателства: Внедряването на нови технологии, които да подкрепят устойчивото развитие на градовете, може да се сблъска с предизвикателства, породени от необходимостта за интегриране и последващ анализ на данни с различна времева и пространствена резолюция. Моделирането и анализът на данни от разнородни източници предполага използване на методи от изкуствения интелект, което от своя страна води до етични и правни въпроси, свързани със защитата на личните данни и прозрачността на алгоритмите. Увеличаването на броя на свързаните устройства и интелигентните системи в градовете прави киберсигурността все по-важна, изисквайки постоянно подобряване на технологиите за сигурност.

• Социални и икономически неравенства: Устойчивото развитие означава и намаляване на социалните или икономическите неравенства в градските общности. Градът трябва да бъде място за всички – място, където живеещите имат еднакъв достъп до качествен живот и работна среда (безопасност, чиста вода, достъпна енергия, канализация, чиста среда), до качествени услуги – образование, транспорт, здравеопазване и др.

Като изследователски институт, GATE идентифицира три ключови елемента, които допринасят за създаването на устойчиви градове:

1. Данните са ключови за разбиране на проблемите и нуждите на градовете и за вземане на информирани решения за подобряване на различни аспекти от градския живот, като оптимизирано използване на ресурсите, справяне с трафика и замърсяването на въздуха.

2. Технологиите са инструмент както за осигуряване на данни за градските процеси и явления, така и за тяхното превръщане в ново знание, което обяснява какво се случва, предсказва какво може да се случи, или препоръчва какво да се случи.

3. Екосистема от заинтересовани страни, включваща не само общината и компаниите, предоставящи услуги на нейната територия, но бизнеса като цяло, академичната общност – университети и изследователски организации, и не на последно място, гражданите.

В тази посока GATE работи върху две иновативни и допълващи се технологични решения – цифрови градски двойници и пространства за данни.


3D семантичен модел 

Цифровият двойник свързва реалния и виртуалния град чрез непрекъснато събиране на данни в реално време от налични сензори,  устройства и системи в града, интегрирайки ги с данни, описващи градската инфраструктура. Данните се използват за изследване и симулиране на различни процеси и явления във виртуалния град, с което се проверява как тяхното протичане би променило реалността около нас. Полученото ново знание се използва за вземане на информирани решения за оптимизиране на градските процеси и подобряване на качеството на живот на гражданите.

Създаването на цифровия двойник е съпроводено с изграждането на 3D семантичен модел на града, представящ геометрията на обектите в него – сгради, пътна инфраструктура, зелени площи, релеф – следвайки утвърден стандарт като CityGML. Обектите се описват с различните им характеристики, като например за сградите това са предназначение, етажност, година на построяване, конструкция и др. 

3D моделът е визуализиран в уеб интерфейс, който позволява взаимодействие на потребителя с него, например филтриране на сгради по височина, визуализиране на сгради в зависимост от избран сценарий (напр. енергийна консумация или остров на топлина), получаване на семантична информация за сграда, включваща етажност, функция, клас, индекс на пешеходна достъпност, диапазон на енергийна консумация и т.н. 


Симулация на движението на въздушни маси

В комбинация с термофлуидната динамика 3D моделът на цифровия двойник дава възможност за симулация на вятъра и движението на въздушните маси и по този начин се изследва разпространението на замърсителите на въздуха в зависимост от посоката и скоростта на вятъра и геометрията на сградите. Симулирането на вятъра позволява още да се изследва пешеходният комфорт, като се анализират рисковете от пешеходни инциденти и се идентифицират местата в града, където пешеходната инфраструктура трябва да бъде подобрена. Заедно с това могат да бъдат оценени ефектите от различни градски промени, свързани с нови строителни проекти, реконструкции на улици и др. 

Не на последно място, подобни симулации позволяват анализиране на проблеми, свързани с опазването на културно-историческото наследство. Съвместно с партньорите ни от Университета Чалмърс, Швеция, например разработихме CFD симулация на вятъра около крепостта Митилини на гръцкия остров Лесбос (виж фигура 1). Симулацията показва не само посоката и скоростта на вятъра, но и какво напрежение оказва върху фасадата, което има неблагоприятно въздействие, особено при наличие на ерозия, солени и пясъчни частици във въздуха.

Соларен потенциал


Анализът на соларния потенциал и ослънчаването на сградите също е във фокуса на проекта за градския цифров двойник. Той позволява да се идентифицират покриви на сгради с най-голям потенциал за поставяне на фотоволтаици, както и фасади на сгради с най-високо или най-ниско ослънчаване. Важен резултат от анализа е оценката на влиянието върху енергийната консумация на дадена сграда на заобикалящите я обекти. 

Анализът включва 27 611 многофамилни жилищни сгради в София, като са взети предвид климатични данни, данни за релефа (включително планините край столицата), както и геометрията на сградите. Резултатите показват, че 2417 сгради са изложени на слънчево греене 2 часа по-малко съгласно европейския стандарт (EN 17037:2018+A1:20212), което е индикатор за потенциален недостиг на светлина. И обратното, 550 сгради се ослънчават над 8 часа на ден, което е индикатор за потенциално прегряване (виж фигура 2). 

15-минутен град 


Следвайки концепцията на 15-минутния град, GATE разработи инструмент за оценка на пешеходната достъпност на жилищните сгради до различни градски услуги и обекти, като училища, зелени площи, медицински центрове, транспорт, спортни съоръжения и др. Събрахме набор от данни от над 27 хил. обекта и въз основа на 15-минутния достъп до тях е изчислен индексът на пешеходна достъпност на територията на софийския район „Лозенец“. Извършеният анализ подпомага вземането на решения за планирането на нова инфраструктура, с която да намалеят трафикът и задръстванията, да се  понижат въглеродните емисии и като цяло да се подобри качеството на живот в града.

Опитът, който натрупахме, и разработените инструменти и анализи ще бъдат приложени в Европейски проект за внедряване на пространство от данни в сферата на мобилността и транспорта. Проектът обединява усилията на повече от 40 партньори в посока споделяне на данни и създаване на нови бизнес модели и услуги в градската мобилност. 

GATE е локален технологичен партньор в София и заедно със Столичната община и Центъра за градска мобилност ще създаде нови приложения, подпомагащи придвижването на столичани с градски транспорт и с т.нар. „зелени средства“, като скутери, споделени велосипеди и автомобили, както и приложения, свързани с паркирането и пешеходното придвижване.

Разработките на института, свързани с анализ на качеството на атмосферния въздух и микроанализ на трафика в едно от натоварените кръстовища в София, ще бъдат приложени и надградени в европейски проект за създаване на платформа за управление и обработка на данни (INTEND). Концепцията на проекта е в синхрон с Европейската стратегия да направи изкуствения интелект надежден и ориентиран към човека. В него участват 16 партньори от 13 държави – Норвегия, Италия, Австрия, Корея, Германия, Ирландия, Швеция, Румъния, Португалия, Нидерландия и България.

Всички изследвания и резултатите от тях, свързани с Градовете на бъдещето, са част от цялостната научноизследователска стратегия на Институт GATE  за развитие и прилагане на големите данни и изкуствения интелект. Като разширява изследователската мрежа и установява дългосрочни партньорства с водещи световни организации, GATE развива научноизследователски капацитет, формирайки следващото поколение водещи учени.  И заедно с това  създава нови възможности за бизнес и обществено въздействие – в България и в Европа.