Bản sao số: tương lai của quy hoạch đô thị

Giống như bất kỳ thành phố nào trên thế giới, thành phố Boston (Mỹ) luôn có những thay đổi. Những tòa nhà cũ xuống cấp, những tòa nhà mới mọc lên. Phương tiện công cộng luôn nhộn nhịp. Trong thành phố còn có các công trình như trường học, cửa hàng tạp hóa hay cây cối.

Trong nhiều năm, Boston đã muốn ghi lại tất cả điều này trong một mô hình 3D kỹ thuật số để có thể đưa ra các quyết định quy hoạch trước khi triển khai trong thế giới thực. Mô hình đó ra đời vào năm 2015, và ba năm sau, thành phố đã cho phép công chúng tiếp cận với mô hình này.

Mô hình được gọi là bản sao số (digital twin) này bao gồm cảnh quan hiện tại của các tòa nhà, phương tiện giao thông, cây cối, ánh sáng ban ngày và bóng tối cũng như các điểm đáng chú ý khác. Bản sao số cũng bao gồm các tòa nhà được đề xuất và đang được xây dựng và là nơi lưu trữ về diện mạo của Boston qua nhiều năm.

Carolyn Bennett, Phó giám đốc phụ trách GIS hay còn gọi là bản đồ hệ thống thông tin địa lý tại Cơ quan phát triển và quy hoạch Boston, cho biết: "Bản sao số giống như một dạng nội dung sống động ở chỗ nó có các tài liệu được lưu trữ từ hiện tại đến tương lai. Các thông tin này là quý giá cho công ty và thành phố Boston nói chung".

Bản sao số, các mô phỏng ảo 3D của một hệ thống, địa điểm hoặc sự vật nhất định, cho phép các thành phố và chủ sở hữu bất động sản thử nghiệm các thay đổi trước khi thực hiện trong thế giới thực. Các thành phố từ Los Angeles đến ven biển Texas và nhiều thành phố nữa đang ngày càng ứng dụng công nghệ này để nghiên cứu tác động của sự phát triển, giao thông, biến đổi khí hậu và nhiều tình huống khác mà một thành phố phải đối mặt.

Ankit Srivastava, Phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không tại Illinois Tech cho biết: "Bạn có thể mô phỏng tác động của các quyết định lên một đối tượng vật lý, trong trường hợp này là thành phố hoặc khuôn viên trường, trước khi thực hiện những thay đổi đó trong thế giới thực".

Lưu lại dữ liệu về thành phố ở dạng số hoá

Carolyn Bennett chia sẻ: Kể từ năm 2005, Boston đã có những thảo luận về cách kết hợp kho dữ liệu của thành phố vào mô hình 3D. Dữ liệu có sẵn bao gồm dữ liệu không gian địa lý về nước, cống rãnh, giao thông vận tải…

Giờ đây, bản sao số của Boston đã có thư viện dữ liệu đó. Thành phố có thể sử dụng bản sao số để xem xét các đề xuất phát triển và tác động của các phát triển đối với khu vực lân cận về nhà ở, quy hoạch và bãi đỗ xe. Các nhà quy hoạch có thể lấy dữ liệu nhiệt độ từ các nguồn khác nhau và sao số dữ liệu đó để hình dung nhiệt độ liên quan đến các tòa nhà, bề mặt không thấm nước và các tán cây.

Theo Bennett, đó là một cách tốt hơn để hình dung những gì chúng ta làm với tư cách là người quy hoạch thành phố. "Chúng tôi quy hoạch ở dạng 3D chứ không phải là 2D truyền thống. Chúng tôi nhìn thế giới ở dạng hiện tại, theo đó, chúng tôi cũng cần phải nhìn thế giới ở dạng 3D".

Thành phố Chattanooga, thuộc tiểu bang Tennessee, cũng đã nhận thấy bản sao số là một công cụ hữu ích để lưu trữ dữ liệu được thu thập.

"Chúng ta có thể đưa tất cả dữ liệu thời gian thực này vào một hệ sinh thái chung, nơi chúng ta có thể có được một bức tranh hoàn hảo về những gì đang xảy ra không?" Jibo Sanyal, người đứng đầu đơn vị nghiên cứu khoa học đô thị tính toán tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge cho biết.

Các nhà nghiên cứu tại Oak Ridge và Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia đã hợp tác với Chattanooga để xây dựng một bản sao số giúp dự báo và giảm bớt tắc nghẽn giao thông.

Theo Sanyal, thông tin từ 500 nguồn khác nhau như camera giao thông, dữ liệu 911, máy dò radar và trạm thời tiết là nguồn vào của bản sao số của Chattanooga. Các thử nghiệm về tắc nghẽn giao thông được thực hiện trong môi trường ảo này đã cho thấy lưu lượng giao thông được cải thiện tới 30%, dẫn đến hiệu quả năng lượng cao hơn.

Các nhà nghiên cứu sử dụng những phát hiện từ các thử nghiệm bản sao số này để tạo ra những thay đổi trong thế giới thực. Ví dụ, các nhà quy hoạch giao thông thường thu thập dữ liệu vào các giờ cao điểm giao thông buổi sáng và buổi chiều. Nhưng khi các nhà nghiên cứu chạy thử nghiệm bản sao số trên đường Shallowford ở Chattanooga thì đã phát hiện ra rằng hơn 90% ô tô bị dừng lại vì đèn đỏ vào giờ cao điểm buổi trưa.

Trong thế giới thực, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thông tin từ những thử nghiệm đó để thiết lập lại thời gian tín hiệu đèn giao thông dọc theo đường Shallowford nhằm giảm tắc nghẽn.

Chattanooga có một trong những hành lang vận chuyển hàng hóa nhộn nhịp nhất nước Mỹ, vì vậy, bản sao số cũng cho phép đưa ra các quyết định mang tính dài hạn hơn. Ví dụ, thành phố muốn biết có những thời điểm nhất định trong ngày khi người lái xe sử dụng lề đường như là làn đường đi lại là hợp lý hay không? Sanyal cho biết việc sử dụng bản sao số cho công việc này giúp giảm các chi phí đánh giá.

Sanyal thông tin: "Chattanooga thật tuyệt vời khi thành phố này cho phép chúng tôi tham gia và cùng làm việc cùng để thay đổi các cài đặt về đèn giao thông, thay đổi thiết lập cấu hình nếu cần và chạy các thử nghiệm này trong thế giới thực. Và tiếp theo chúng tôi quan sát trước và sau đó để quyết định kiểu cải tiến nào mà chúng tôi có thể thực hiện".

Mặc dù các nhà nghiên cứu hiện chỉ kiểm soát các tín hiệu dọc theo hành lang vận chuyển, nhưng Sanyal cho biết ông hy vọng sẽ kiểm soát khoảng 100 tín hiệu trong vòng một năm, khắp trung tâm thành phố Chattanooga và các khu vực giao thông cao khác của thành phố.

Giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng của các tòa nhà

Bản sao số cũng có thể giúp các thành phố và chủ sở hữu bất động sản giảm tiêu thụ năng lượng. Các thành phố hiện tạo ra khoảng 75% lượng khí thải nhà kính trên thế giới. Để giảm thiểu ô nhiễm này, các thành phố như New York, Boston và Washington đã tạo ra các mục tiêu cho một tương lai nơi các tòa nhà có lượng khí thải carbon ròng bằng "0".

Nhưng việc khử carbon trong một tòa nhà đòi hỏi phải phân tích và triển khai các hệ thống quản lý năng lượng và các chiến lược tái tạo, bên cạnh việc mua bù đắp lượng carbon (carbon offset) (được hiểu là khi một cá nhân hay tổ chức nào đó triển khai một dự án như năng lượng tái tạo, sử dụng năng lượng hiệu quả hoặc tái sinh, và chỉ ra được dự án của mình đã giảm phát thải một cách hiệu quả, như vậy họ đã tạo ra các tín chỉ carbon (carbon credit). Cityzenith là một trong những công ty tập trung vào việc phát triển các bản sao số đô thị để giúp thực hiện điều đó.

Giám đốc điều hành Michael Jansen cho biết, mô hình này có thể bắt đầu với ít nhất là 2 - 5 tòa nhà. Các chủ sở hữu bất động sản này nhập dữ liệu của họ bằng cách sử dụng một mẫu và kết quả là bản sao số giúp họ chạy và tối ưu hóa mô phỏng dựa trên các yếu tố như tuổi, hiện trạng và mục đích của tòa nhà. Mục tiêu là có nhiều tòa nhà tiết kiệm năng lượng hơn.

Las Vegas và New York đã áp dụng công nghệ này, trong khi Phoenix và các thành phố khác của Mỹ và Châu Âu dự kiến sẽ áp dụng. Cityzenith có kế hoạch chuyển giao công nghệ này cho tổng cộng 10 thành phố vào dịp Giáng sinh năm nay và tổng cộng 100 thành phố vào năm 2024, Jansen cho biết.

Những thách thức khi xây dựng các bản sao số

Jansen nói, một trong những rào cản chính để triển khai bản sao số là đảm bảo tất cả các dữ liệu cần thiết có sẵn để xây dựng mô hình. "Các bản sao số không thể mua được mà phải xây dựng", Jasen cho biết.

Mohammad Heidarinejad, trợ lý giáo sư kỹ thuật kiến trúc tại Illinois Tech cho biết, do lượng dữ liệu mà các thành phố lớn đã có, dự kiến sẽ có nhiều thành phố sử dụng bản sao số hơn. Ông nói thêm rằng trong 5 - 10 năm nữa, những mô hình này cũng có thể đến với được nhiều thành phố nhỏ hơn.

Nhưng các thành phố và chủ sở hữu bất động sản sẽ phải đối mặt với những trở ngại trên hành trình. Heidarinejad cho biết, việc chụp ảnh thực tế bằng máy bay không người lái hoặc máy quét đòi hỏi nhiều dung lượng lưu trữ, cộng với bản sao số thay đổi theo thời gian khi mọi thứ trong thế giới thực thay đổi. Boston cập nhật mô hình của mình hai lần một năm.

Theo một báo cáo mới từ ABI Research, các thành phố ở Mỹ có thể tiết kiệm được 280 tỷ USD vào năm 2030 với việc triển khai và sử dụng các bản sao số.

Bản sao số cho phép các thành phố thiết kế các tòa nhà chính xác hơn để tránh những sửa đổi tốn kém sau khi xây dựng ban đầu, tìm ra những cách linh hoạt hơn để cải thiện cơ sở hạ tầng vật chất nhằm giảm chi phí ứng phó khẩn cấp và kết hợp các lựa chọn thiết kế xanh để tiết kiệm năng lượng lâu dài./.