Zelfs als je geen fervent gamer bent, de kans is groot dat je wel eens van SimCity hebt gehoord. Uitgebracht in 1989 en gekenmerkt door zijn open gameplay, SimCity gaf veel spelers voor het eerst de volledige controle over de ontwikkeling van een stad, voor altijd zijn plaats in de geschiedenis van videogames versterken.

In een merkwaardige draai van gameplay naar real-life aanpassing, virtuele stadssimulaties stellen stadsplanners nu in staat een idee te krijgen van de resultaten van hun beslissingen zonder een enkele fysieke structuur te hoeven bouwen. In een tijd waarin de wereld drastisch wordt hervormd door klimaatverandering, gegevensgestuurde modellering van stadsgezichten is ook enorm nuttig voor regeringen om hun steden schrap te zetten voor de worstcasescenario's die worden veroorzaakt door de opwarming van de aarde en de stijgende zeespiegel.

"Singapore, omdat het een laaggelegen eiland is met een beperkt landoppervlak, is bijzonder kwetsbaar voor klimaatverandering, " zei Hee Joo Poh, een Senior Scientist bij het Institute of High Performance Computing (IHPC), EEN STER, daarbij verwijzend naar stijgende temperaturen en aanhoudende verstedelijking als bedreigingen voor de leefbaarheid van de Lion City.

Maar niet alles is verloren. "Door omgevingsfactoren te optimaliseren, De stadsplanners van Singapore kunnen woningen en infrastructuur ontwerpen die het comfort en het welzijn van de burgers maximaliseren, ondanks klimaatverandering, ’ grapte hij.

Een vogelperspectief van een virtuele stad

Hoewel het gemakkelijker is om het klimaat in heel Singapore als uniform te beschouwen, het feit is dat verschillende delen van de stadstaat hun verschillende klimaatprofielen hebben - bekend als microklimaten. Het microklimaat van een gebied wordt beïnvloed door een samenloop van factoren, variërend van natuurlijke factoren zoals wind, zonlicht en vegetatie tot door de mens veroorzaakte elementen zoals bebouwingsdichtheid en autoverkeer.

Rekening houden met al deze omgevingsfactoren in stadsplanning is een lastige aangelegenheid, maar de onderzoeksgroep van Poh heeft daarvoor een digitale tool ontwikkeld, de Integrated Environmental Modeler (IEM). Ontwikkeld in samenwerking met collega's van A*STAR's Institute for Infocomm Research (I2R) en het Building &Research Institute, Raad voor Huisvesting en Ontwikkeling (HDB), Singapore, de IEM maakt gebruik van meerdere gegevensbronnen om microklimaatscenario's in Singapore na te bootsen en te simuleren. Dit onderscheidt het van andere milieumodelbouwers op de markt die doorgaans slechts één omgevingsfactor tegelijk beoordelen.

"De belangrijkste leemte die de IEM opvult, is integratie, "Deelde Poh. "Het is de eerste geïntegreerde en schaalbare tool die alle belangrijke omgevingsfysische factoren en hun complexe interacties in één enkel platform koppelt."

Om de IEM te maken, de onderzoekers kregen van hun medewerkers bij HDB ingewikkelde 3D geometrische gegevens van Singapore. Het team ontwikkelde vervolgens een module die de geometrische 3D-gegevens kon kraken om deze om te zetten in een zeer realistische 3D-simulatie van het land. Tegelijkertijd, In de oostelijke helft van Singapore werden 43 omgevingssensoren ingezet. Aangedreven door de zon, deze sensoren verzamelden gegevens over verschillende parameters zoals zonnestraling, wind en temperatuur, de gegevens draadloos in realtime terugsturen naar de onderzoekers.

Met enorme hoeveelheden gegevens in de hand, de onderzoekers gingen vervolgens door met het moeizame werk van het combineren van alle verschillende parameters in wat de IEM zou worden. Gegevens over luchtstroomdynamiek, het pad van zonnewarmte en geluidsvoortplanting werden over de 3D-simulatie van Singapore gelegd, met een horizontale resolutie van tien meter. Dit, toegegeven Poh, was het meest uitdagende onderdeel van het project.

"Wat we hebben gecreëerd is geen integratie van bestaande software, maar een systeem gebouwd op een schaalbare computerarchitectuur met behulp van realtime metingen, " hij zei.

Wanneer digitaal fysiek wordt

De waarde van een tool ligt in het probleem dat het voor de gebruiker oplost. In het geval van de IEM, het eerste probleem dat Poh's team probeerde aan te pakken, was een microklimaatfenomeen dat bekend staat als het stedelijk hitte-eilandeffect, die verantwoordelijk is voor het grote temperatuurverschil tussen beboste en verstedelijkte gebieden.

Stedelijke hitte-eilanden zijn het gevolg van de constructie van dichte stedelijke structuren - denk aan wolkenkrabbers en winkelcentra - die warmte vasthouden langs relatief smalle straten. In combinatie met een gebrek aan schaduwgevende vegetatie en hitte van het autoverkeer, temperaturen in deze hitte-eilanden kunnen tot ondraaglijke niveaus stijgen.

Niet verrassend, Uit satellietgegevens blijkt dat stedelijke hitte-eilanden meer voorkomen in het sterk verstedelijkte zuiden van Singapore. Gebieden zoals het Tuas Industrial Park en Changi Airport zijn ook bijzonder warm vanwege de grote stukken zichtbaar beton en metaal die op deze locaties te vinden zijn. In de tussentijd, het beboste noorden is overdag relatief koeler - de onderzoekers rapporteerden een temperatuurverschil van 4°C tussen goed beplante gebieden en het Central Business District van Singapore.

Door deze temperatuurverschillen te combineren met computational fluid dynamics (CFD) simulaties van windsnelheid en -richting, evenals de aan- of afwezigheid van vegetatie en waterlichamen in een gebied, de onderzoekers waren in staat om optimale locaties te identificeren om voorzieningen zoals speeltuinen te bouwen in bestaande of nieuwe ontwikkelingen. Verder, door rekening te houden met geluidsgegevens, de onderzoekers konden een verband identificeren tussen warmtedistributie en geluidsvoortplanting in stedelijke omgevingen.

"Geluid reist sneller in warmere lucht, dus als de lucht boven de aarde warmer is dan de lucht aan de oppervlakte, de geluidsgolf buigt terug naar de aarde, " legde Poh uit. "Onder zulke omstandigheden, door de neerwaartse breking kan geluid over obstakels zoals geluidsschermen reizen en zich verder voortplanten."

Dergelijke inzichten kunnen nuttig zijn voor de stedenbouwkundigen van Singapore, aangezien er meer hoogbouw wordt gebouwd in de buurt van snelwegen om het landgebruik te maximaliseren. Ook kan het nodig zijn de hoogte en plaatsing van geluidsschermen aan te passen om de mate van geluidsoverlast door de bewoners van de gebouwen te beperken.

Voortbouwen op een sterk fundament

Analoog aan hoe de skyline van Singapore constant in beweging is, de IEM blijft een werk in uitvoering, aangezien Poh en collega's verbeteringen aan de simulaties blijven aanbrengen.

"De langetermijnvisie voor de IEM-tool is om deze om te vormen tot een zeer nauwkeurig 'Digital Twin'-model voor gebruik in elk verstedelijkt gebied, in staat om rekening te houden met verschillende factoren die stedelijke omgevingen beïnvloeden, "zei Poh. "Dit vermindert het risico van kostbare fysieke trial-and-error en maakt het mogelijk om ontwikkelingsplannen rekenkundig te testen voordat ze daadwerkelijk worden geïmplementeerd."

Zelfs de kenmerken van individuele gebouwen kunnen in silico worden beoordeeld met behulp van de IEM, Poh heeft toegevoegd, benadrukken hoe hij al meer dan een decennium samenwerkt met de Building and Construction Authority (BCA) van Singapore aan klimaatvriendelijk gebouwontwerp, het bijdragen van zijn expertise op het gebied van CFD-simulaties.

"In 2008, BCA nam CFD op in haar initiatief (het BCA Green Mark Scheme) om de bouwsector in Singapore te stimuleren naar milieuvriendelijkere gebouwen, en ik werd ingeschakeld als externe beoordelaar voor projecten in het kader van het initiatief, " zei hij. Toen, in 2012, hij werkte verder samen met BCA om CFD-simulatiemethodologie en evaluatieparameters te ontwikkelen voor het modelleren van natuurlijk geventileerde ruimtes in niet-residentiële gebouwen volgens de Green Mark-criteria.

Voor zijn bijdrage op het gebied van stedelijke leefbaarheid en duurzaamheid in Singapore, Poh werd in 2014 door het Ministerie van Nationale Ontwikkeling (MND) geëerd als World Cities Summit Young Leader. in 2019, poeh, samen met Wee Shing Koh van IHPC, Fachmin Folianto van I2R en Sze Tiong Tan van HDB, ontvingen de President's Technology Award 2019 - de meest prestigieuze wetenschap en technologieprijs van Singapore - voor hun werk aan de IEM.

"Ons onderzoek helpt bij het brengen van innovatieve oplossingen voor de planning en het ontwerp van duurzame steden, maar buiten het gebied van stadsplanning, klimaatwetenschappers en milieuonderzoekers zouden de IEM ook kunnen gebruiken om de gelokaliseerde effecten van toekomstige wereldwijde klimaatverandering te simuleren en te bestuderen, ' zei Po.

"De bevindingen van dergelijke studies zouden nuttig zijn voor overheidsinstanties om beleid te formuleren en maatregelen te nemen om klimaatgerelateerde bedreigingen te verminderen, " concludeerde hij.