Как цифровите близнаци отразяват настоящето — и картографират бъдещето — на нашите градове

Барселона се опитва да създаде свой цифров близнак. След като обикновените въпроси са подредени - как да събираме данни в реално време от сензори из града, как да накараме компютъра да ги разбира, как да анализираме и прогнозираме трафика и използването на енергия с машинно обучение и изкуствен интелект - каква е общата цел?

„Да се ​​изгради оракул“, казва Хорди Сирера Гонзалес, директор на Обществото на знанието към Градския съвет на Барселона и човек, лишен от амбиция. „Като на древните гърци: място, където можете да попитате всичко, което можете да си представите, и е възможно да намерите някакъв отговор.“

Проектът за дигитален близнак на Барселона ще използва мощта на суперкомпютъра на града. Последната му версия, MareNostrum 5, представена през декември, има способността да извършва 314 милиона милиарда изчисления в секунда. Той живее в неосветения параклис Torre Girona, в кампуса на Политехническия университет в Барселона. Докато някога човек можеше да се моли на Бог за отговор, сега отива при компютър.

През последните години цифровото градостроителство се превърна в законна част от градското планиране. Барселона, Кеймбридж и Хелзинки са сред редица европейски градове, които изследват как техните копия могат да се окажат полезни, за да направят изградената им среда по-отчетлива, по-бърза, по-чиста и по-екологична.

Това, което съществува в реалния живот, се превръща в втори път в цифровото пространство: създаване на библиотека от миналото, поглед от орлов поглед към настоящето и, потенциално, визия за бъдещето.

Един от най-забележителните проекти се случва в Украйна, където технологичната компания Skeiron от 2022 г. насам картографира паметниците на страната, заплашени от бомбардировки.

Проектът #SaveUkrainianHeritage записа 60 сгради, от катедралата „Света София“ в Киев и Националния университет в Черновци — и двата обекта на световното наследство на ЮНЕСКО — до дървени църкви в цялата страна, нещо, което съоснователят на Skeiron Юрий Преподобни споменава с гордост. Те са хиляди. „Някои са само 20 или 30 квадратни метра“, казва той. „Но украинските църкви запазват украинската идентичност.“

С лазерни измервания, фотография с дрон и фотограметрия – изкуството на съединяването на снимки заедно – Преподобни и неговият екип могат да създадат много детайлни 3D модели.

Те дори успяха да пресъздадат екстериора на драматичния театър в Мариупол, разрушен в първите дни на войната в Украйна, след като поискаха снимки и кадри с дрон.

Друг проект, в Помпей, беше използвайки подобни цифрови техники за улавяне на еволюцията на разкопките в 3D модел. Проектът Pompeii I. 14, ръководен от Tulane University и Indiana State University, обхваща процеса на разкопаване на сгради в рамките на един блок от Pompeii, Insula 14, и го превръща в цифрово представяне. Използвайки лазерни измервания, iPad Pro, потребителски дрон и ръчни камери, пространството може да бъде измерено с точност до няколко милиметра. Това, което се предава обратно по течението, е визуален запис на това как една стая се променя в продължение на хиляди години, като се разкриват отломките, вулканичните изригвания и слоевете живот, които са съществували преди това.

„Така че можем буквално да превъртим назад време чрез премахване на слоеве, за да покаже какво се е правело на това място преди изригването на Помпей“, казва Стив Олдрич, който е бил професор по география в Държавния университет на Индиана, когато е работил по проекта. Този екип от Помпей би могъл на теория да се върне чак до времето преди началото на човешкото заселване на мястото, след което да покаже процеса на изграждане на града.

Концепцията за дигиталния близнак започнав предцифровата епоха. НАСА използва техниката - тогава наречена огледално отразяване - за да спаси космическия кораб Аполо 13. Преди мисията астронавтите са били обучавани на земята с помощта на симулатори. По-късно, в космоса, когато кислородните резервоари избухнаха, осакатявайки космическия кораб, същите тези симулатори бяха адаптирани да отразяват щетите и да изпробват техники за спасяване.

Как картографирането спасява историята на Украйна

Skeiron, технологична компания от Лвов, използва и усъвършенства много от техниките, използвани от градските плановици създаване на цифрови близнаци. Това им позволи да създадат библиотека от 3D модели.

Чрез лазерно сканиране, фотограметрия от земята и от дронове и използването на тотални станции – вид теодолит, който геодезистите използват за измерване на ъгли и разстояние – те са направили пълно изображение на някои от най-важните сгради в Украйна.

Надяваме се получените сканирания да помогнат при възстановяването ако църквите и паметниците бъдат повредени в конфликта.

Огледалните инженерни проблеми се развиват дигитално в началото на 2000-те години и през 2010 г. Джон Викърс от НАСА за първи път кристализира термина „цифров близнак“ в един от докладите за пътна карта на космическата организация .

Те вече се използват за наблюдение на системи в здравеопазването, производствени линии, авиационни двигатели и продуктов дизайн. Но човешката амбиция означава, че в крайна сметка възникна въпросът: може ли тази технология да се приложи в градове?

Симулационната игра за изграждане на град SimCity стартира преди 35 години следващия месец. Работи по предварително програмирани алгоритми. Ако поставите полицейски участък в блок, престъпността намалява и имотите наблизо стават по-ценни.

Предизвикателството за градоустройствените специалисти е да открият основните фактори, които биха довели до задръстване на определена улица или един квартал да стане дисфункционален. Какви са правилата или алгоритмите за това, те не знаят. Но с данни и изчислителна мощност те могат да започнат да работят в обратна посока.

„Благодарение на AI можем да отговорим на въпроси за това какво ще се случи, без да знаем точно закона, който управлява системата,“ казва Сирера . „Но имате нужда от добри данни. Без него не можете да обучите система с изкуствен интелект.“

От гледна точка на града, побратимяването означава пресъздаване на неговите активи – сгради, пътища, дървета – или неговите процеси в цифров формат и след това поддържане на непрекъснато актуализираната връзка между това дигитална версия и физическа, като проекта в Помпей. Ако данните се качват почти в реално време, това ще го направи „истински“ дигитален близнак.

Първите, които започнаха да използват дигитални близнаци, са Хелзинки и Сингапур, които са създали 3D изображения на своите градове със съществуващи данни . Хелзинки моделира своята железопътна гара в 3D през 80-те години. Сегашната му мрежа включва блокови планове и версии за показване на покриви, които биха отговаряли на слънчеви панели, използване на енергия в сградата и дори прави своя градски пейзаж достъпен за разработчиците на видеоигри. Актуализира се редовно с помощта на градски бази данни и е отворен за гледане от обществеността.

Следващият етап от развитието на близнак е разглеждане на това какво може да се направи с динамични данни на живо — опит за улавяне на движението на града, интерпретирайте го, след това моделирайте какво ще се случи след това. Това може да се направи със сензори, които могат да дешифрират визуални данни или потребление на енергия, или чрез прехвърляне на данни, като мобилни телефони, свързващи се с мачти.

Кеймбридж е град, страдащот собствените си успех. Въпреки че има първокласен университет, в основата на който са науките за живота и технологиите, той също има нарастващо население, задръствания и мисия да намали използването на автомобили с 20 процента. Като допълнение към предизвикателствата, през декември министърът на жилищното настаняване на Обединеното кралство Майкъл Гоув обяви 150 000 нови жилища за района на Кеймбридж, за да превърне района в Силиконовата долина на Европа. Сегашното население на град Кеймбридж е само около 150 000 души. Къде може да помогне дигитален близнак?

Трафикът е отправната точка за данните в града. Вече има серия от камери с ниска разделителна способност в целия град, които разграничават хората от камионите. Това се въвежда в табло за транспортни данни, което сега се разработва. „Така че можем да видим, докато прилагаме физически интервенции, как това променя преброяването и броя на хората, които вървят пеша, карат велосипед, използват скутери или шофират“, казва Даниел Кларк, ръководител на технологии и иновации за Greater Cambridge Partnership. Тези интервенции включват нови велосипедни пътеки - като Chisholm Trail от северната страна на Кеймбридж - или когато мостът Mill Road беше затворен за дълго време: как би се отразило това на трафика в района? Оказа се, че не е толкова зле, колкото се опасявахте.

Част от проблема с разработването на близнак за градове е, че той включва местни власти, демократична отчетност и многопластови цели, което означава, че мнозина са заседнали в ранна фаза. Данните са налице, но какъв е въпросът, на който искате да отговорите? И правилният въпрос ли е? Например, ако сте фокусирани върху намаляването на трафика, трябва ли да гледате повече от видовете транспорт?

„Ако разбирате склонността на хората в даден район да работят от вкъщи, но всъщност те не работите от вкъщи, това проблем със свързаността ли е?“ казва Кларк за сценария на Кеймбридж. „Ако подобрим широколентовия достъп в тази област, това ще означава ли по-малко пътуващи хора?“

Entopy, базирана близо до Кеймбридж, се управлява от Toby Mills. Той изгражда платформи, които пресичат силози от информация и свързват различни части от данни заедно. Онтология — философската концепция, датираща от Аристотел, която пита: „Каква е природата на едно нещо и каква е връзката му с друго?“ — се върна в езика на технологичната общност на цифровите близнаци.

„На своя краен етап [дигиталният близнак] трябва да бъде усъвършенстван, използвайки моделиране, изкуствен интелект, машинно обучение чак до визуализация на данни , виртуална и разширена реалност“, казва Милс. „Тук идва терминът онтология. Представете си, че се опитвате да получите 20, 30 или 40 различни системи, които не са проектирани да работят заедно, за да се интегрират по начин, от който можете да получите значима интелигентност. [Това] е доста сложно нещо за правене.“

Там, където дигиталните близнаци имат по-солиден напредък, е когато има конкретен въпрос, на който трябва да се отговори. Един от проектите на Entopy беше за голямо британско пристанище (което Милс отказва да назове), което в резултат на Brexit щеше да бъде подложено на значително повишен стрес. Може ли трафикът му да бъде предвиден?

Използвайки данни за времето, сезонни промени, видеонаблюдение, действие на живо и AI, екипът създаде истински цифров близнак, който позволява на пристанището да се подготви за вариации в пристигащите. „Те моделират обема на трафика, който се предвижда за период от около 15 дни“, казва Милс. Прогнозите за времето са като цяло надеждни за приблизително същия период от време.

Друг пример от Entopy беше хранителен пазар с 25 концесии, търговски проект и такъв, който се стреми да разбере поведението на хората. Използвана е комбинация от данни от точките на продажба, видеонаблюдение и WiFi маяци, за да се открие кой е местен клиент, постоянен клиент, обемът на продажбите и къде хората обичат да „живеят“ — да се мотаят — на пазара и дали пренаселеността се отрази на продажбите. Неговата визуализация беше карта с горещи точки. Резултатите от него: управление на опашка, насочена реклама към местна или туристическа аудитория и съветване на търговците на дребно относно поръчката и приготвянето на храна. „Това е част от инфраструктурата на пазара, която започва да се поддава повече на градовете“, казва Милс.

Описание на видеоклип

Видеоклип на работата на Skeiron в картографирането на историческите църкви и паметници на Украйна

И двата примера демонстрират, че един близнак може да надхвърли простото измерване какво става. С достатъчно данни и разбиране между различните компоненти на системата и достатъчна изчислителна мощност, тя може да започне да предоставя информация за това как най-добре да действаме в бъдеще. Ако се случи X, тогава трябва да направим Y. Ако трябва да построим нови жилища в северния квартал на града, трябва да преработим този пътен възел и тук ще е необходимо ново училище.

Но има друга грижа. „Ние живеем в много сложни общества и понякога наистина имаме супер поляризирани мнения за това какво трябва да се направи“, казва Стефания Паолаци, политически съветник в Болоня, която работи по свой собствен проект за дигитален близнак. Проблемите с ограниченията на трафика, например, също са свързани със свободата. Болоня наскоро въведе в целия град зона от 30 км/ч, което беше посрещнато с някои местни вълнения. Един от начините за противопоставяне на противоречията може да е бил да се покаже какво ще се случи, след като политиката бъде приета, в достъпен визуален формат. „Може да е инструмент за транспа

Последвайте ни в