För Dr. Fabian Dembski, som arbetar i skärningspunkten mellan arkitektur, stadsplanering, och beräkningsvetenskap, städer är mer än bara de platser vi bor. De fungerar som levande organismer, växer och förändras med tiden. Ur detta perspektiv, beslut som fattas i stadsplanering kan antingen förbättra eller försämra hälsan i stadsrummen.

När städerna har blivit större och mer komplicerade och tekniken har öppnat nya sätt att observera och simulera städernas dynamiska processer, forskare har försökt hitta nya sätt att effektivisera stadsplaneringsbeslut, rättvis, och inkluderande. Ungefär som CT -skanningar gav läkare nya sätt att observera människokroppen, avancerade digitala tillvägagångssätt som involverar datadriven modellering och visualisering erbjuder nu forskare nya sätt att förstå hur städer fungerar och förutsäga hur förändringar i deras design kan påverka livet där.

Tillsammans med utredare vid Fraunhofer Institute, universitetet i Stuttgart, och Kommunikationsbüro Ulmer, Dembski och andra forskare vid High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) har utvecklat nya tillämpningar av 3D-visualisering för att stödja stadsplanering. Specifikt, laget har anpassat begreppet "digital tvilling" för städer, använder högpresterande datorteknik (HPC) för analys, integrera, och visualisera data som beskriver urbana fenomen för att simulera komplexet, dynamiska processer som är viktiga att tänka på i stadsplanering.

Under de senaste åren har laget har utvecklat en digital tvilling av Herrenberg, en liten stad strax utanför Stuttgart. Herrenbergstudien har redan gett värdefull information till stadsplanerare och regeringstjänstemän i delstaten Baden-Württemberg, och banar väg för att förbättra modellen för att inkludera ytterligare typer av data. Teamet publicerade en detaljerad rapport som beskriver dess metoder och resultat i tidskriften Hållbarhet .

Närmar sig digitala dubbelgängare

Digitala tvillingar är i huvudsak hyperrealistiska datormodeller av komplexa objekt som kan simulera deras funktion med hög detaljnivå. Förr, forskare och ingenjörer har använt HPC för att skapa digitala tvillingar av många olika föremål, inklusive byggnader, motorer, och verktygsnätverk. Dembski och hans kollegor är bland de första att tillämpa detta koncept på modellering av hela stadsmiljöer.

Deras tillvägagångssätt börjar med tanken att livet i en stad är resultatet av komplexa interaktioner mellan många faktorer. Med tillgången till nya sensorer och andra digitala verktyg för att producera data av hög kvalitet, forskare kan nu samla stora datamängder som representerar luftkvalitet, trafikflöde, och förekomsten av gångtrafik, bland andra dimensioner av stadslivet. Genom att slå samman dessa stora datamängder med hjälp av superdatorer och visualisera dem i virtual reality, blir det lättare att förstå deras komplexa interaktioner - till exempel för att se hur en förändring av trafikmönster eller en ny byggnad kan påverka luftkvaliteten.

För att skapa ett sådant komplex, flerdimensionell modell, forskarna måste först utveckla en grundläggande grund som sedan kan beskrivas med mer detaljerade datamängder. Vid byggandet av den digitala tvillingen till Herrenberg, laget började med att använda ett koncept som heter rymdsyntax. Precis som det mänskliga skelettet tillhandahåller en byggnadsställning för alla andra system och funktioner i människokroppen, rymdsyntax ger en 2-D kontur av fysiska nät i en stad, erbjuder en ram för att utföra rumslig analys, som att förutsäga de troliga vägar som bil- eller gångtrafik kan ta för att flytta från en punkt till en annan.

Teamet viker sedan in data från geografiskt informationssystem (GIS) och trafikstyrsystem för att införliva topografi, väggeometri, och realistiska trafikflöden mer detaljerat, lägga till ytterligare ett lager av komplexitet. Med hjälp av den öppna källvätskedynamikkoden OpenFOAM-används oftare för modellering av bränsleinsprutare eller flygplanets aerodynamik, till exempel - de kan också skapa realistiska modeller för rörelse av vind och utsläpp genom staden.

Förutom denna typ av högprecision fysisk modellering, HLRS -teamet utvecklade också en app som uppmanade Herrenbergs invånare att lämna sina känslomässiga svar till olika områden i staden. Invånarna lämnade kvalitativa uppgifter om huruvida vissa platser känns bekväma, osäker, eller ful, till exempel. Som Dembski förklarade, "Känslor som glädje och rädsla, den estetiska upplevelsen av grönt utrymme och arkitektur, och andra känslomässiga faktorer spelar en stor roll för framgången för stadsdesign, men är mycket svåra att representera i arkitektoniska modeller eller simuleringar. Vår strategi är ett tidigt försök att samla in och införliva dessa komplicerade datamängder. "

Med en Faro 3D-laserskanner, laget skapade också en 3D-visualisering av Herrenbergs centrum. Teamet kunde sedan integrera visualiseringar av sina olika datamängder i en uppslukande virtual reality -modell, gör det möjligt för beslutsfattare att se abstrakta data "komma till liv". För Dembski och teamet, detta element flyttar arbetet ett steg närmare att visualisera en stad på ett mer realistiskt sätt.

Högpresterande datorresurser är nödvändiga för detta arbete på grund av de stora datamängderna som är inblandade. Dembski förklarade, "I en värld där även enstaka föremål som byggnader redan är så komplexa, simuleringar med superdatorer kan ge stort stöd i designprocessen - tänk bara på vindflödessimulering eller bygga fysiksimuleringar. Om du sedan betraktar hela städer och regioner i all sin komplexitet och vill förstå delar av dem, HPC kan ge enormt stöd. "

På samma gång, Dembski noterade också att integrationen av verktyg, expertis, och konvergensen mellan olika färdigheter och tekniker gör också HPC -center avgörande för detta arbete. "Det handlar inte bara om superdatorer och infrastrukturer, "sa han." Det handlar om de olika beräkningsresurser vi har till vårt förfogande, och kanske viktigast av allt, det tvärvetenskapliga, samarbetsmiljö som gör detta arbete framgångsrikt. "

Planera i förväg

"Städer är inte endimensionella, så det är inte vettigt att designa dem på ett papper, "Sade Dembski." Den tredje dimensionen hjälper oss att förstå städer och deras spatialitet. Speciellt i samband med konventionell stadsplanering och utveckling, "vista, "eller uppfattningen av rymden i mänsklig skala, glöms ofta bort. Många människor kan inte föreställa sig abstrakt planering i skala 1:1, 000 eller 1:10, 000. Detta gäller även planerare, eftersom de ofta saknar den nödvändiga känsligheten för den mänskliga skalan, det är därför vi vet att många stadsutvecklingsprojekt inte fungerar. 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."

För närvarande, 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

Inom en snar framtid, 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?" han frågar. "Digital tools can help us envision a more equitable and complete way to design cities of the future, but the human factor is irreplaceable."