Voor Dr. Fabian Dembski, die werkt op het snijvlak van architectuur, stadsplanning, en computationele wetenschap, steden zijn meer dan alleen de plaatsen waar we wonen. Ze functioneren als levende organismen, groeien en veranderen in de tijd. Van dit perspectief, beslissingen die in stadsplanning worden genomen, kunnen de gezondheid van stedelijke ruimten verbeteren of verslechteren.

Nu steden groter en ingewikkelder zijn geworden, en technologie heeft nieuwe manieren geopend om de dynamische processen van steden te observeren en te simuleren, onderzoekers hebben geprobeerd nieuwe manieren te vinden om stadsplanningsbeslissingen efficiënter te maken, billijk, en inclusief. Net zoals CT-scans medische professionals nieuwe manieren gaven om het menselijk lichaam te observeren, geavanceerde digitale benaderingen met gegevensgestuurde modellering en visualisatie bieden onderzoekers nu nieuwe manieren om te begrijpen hoe steden functioneren en te voorspellen hoe veranderingen in hun ontwerp het leven daar kunnen beïnvloeden.

Samen met onderzoekers van het Fraunhofer Instituut, de universiteit van Stuttgart, en Kommunikationsbüro Ulmer, Dembski en andere onderzoekers van het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) hebben nieuwe toepassingen van 3D-visualisatie ontwikkeld ter ondersteuning van stadsplanning. specifiek, het team heeft het concept van de "digitale tweeling" voor steden aangepast, het gebruik van high-performance computing (HPC)-technologieën voor het analyseren, integreren, en visualiseren van gegevens die stedelijke fenomenen beschrijven om de complexe, dynamische processen die belangrijk zijn om rekening mee te houden in de stedenbouw.

In de afgelopen jaren, het team heeft een digitale tweeling van Herrenberg ontwikkeld, een kleine stad net buiten Stuttgart. De Herrenberg-studie heeft al waardevolle informatie opgeleverd voor stadsplanners en regeringsfunctionarissen in de deelstaat Baden-Württemberg, en maakt de weg vrij voor het verbeteren van het model om extra soorten gegevens op te nemen. Het team publiceerde een gedetailleerd rapport met een beschrijving van de methoden en resultaten in het tijdschrift Duurzaamheid .

Digitale dubbelgangers naderen

Digital twins zijn in wezen hyperrealistische computermodellen van complexe objecten die hun functie op een hoog detailniveau kunnen simuleren. Vroeger, wetenschappers en ingenieurs hebben HPC gebruikt om digitale tweelingen te maken van vele soorten objecten, inclusief gebouwen, motoren, en nutsnetwerken. Dembski en zijn collega's behoren tot de eersten die dit concept toepassen op het modelleren van complete stedelijke omgevingen.

Hun benadering begint met het idee dat het leven in een stad het resultaat is van complexe interacties tussen vele factoren. Met de beschikbaarheid van nieuwe sensoren en andere digitale tools voor het produceren van hoogwaardige data, onderzoekers kunnen nu grote datasets verzamelen die de luchtkwaliteit vertegenwoordigen, verkeersstroom, en de prevalentie van voetgangersverkeer, onder andere dimensies van het stadsleven. Door deze grote datasets met behulp van supercomputers samen te voegen en te visualiseren in virtual reality, het wordt gemakkelijker om hun complexe interacties te begrijpen, bijvoorbeeld om te zien hoe een verandering in verkeerspatronen of een nieuw gebouw de luchtkwaliteit kan beïnvloeden.

Om zo'n complex te maken, multidimensionaal model, de onderzoekers moeten eerst een basisfundament ontwikkelen dat vervolgens kan worden toegelicht met meer gedetailleerde datasets. Bij het bouwen van de digitale tweeling van Herrenberg, het team begon met het gebruik van een concept genaamd ruimtesyntaxis. Net zoals het menselijk skelet een steiger vormt voor alle andere systemen en functies van het menselijk lichaam, ruimtesyntaxis produceert een 2D-overzicht van fysieke rasters in een stad, een raamwerk bieden voor het uitvoeren van ruimtelijke analyse, zoals het voorspellen van de waarschijnlijke paden die auto- of voetgangersverkeer zou kunnen nemen om van het ene punt naar het andere te gaan.

Het team vouwt vervolgens gegevens van het geografische informatiesysteem (GIS) en verkeersregelsystemen in om topografie, weggeometrie, en realistische verkeersstromen in meer detail, het toevoegen van een nieuwe laag van complexiteit. Met behulp van de open-source vloeistofdynamica-code OpenFOAM - vaker gebruikt voor het modelleren van brandstofinjectorsprays of vliegtuigaerodynamica, ze kunnen bijvoorbeeld ook realistische modellen maken van de beweging van wind en emissies door de stad.

Naast dit soort uiterst nauwkeurige fysieke modellering, het HLRS-team ontwikkelde ook een app die inwoners van Herrenberg uitnodigt om hun emotionele reacties op verschillende gebieden in de stad in te dienen. Bewoners gaven kwalitatieve gegevens over of bepaalde locaties zich prettig voelen, onveilig, of lelijk, bijvoorbeeld. Zoals Dembski uitlegde, "Emoties zoals vreugde en angst, de esthetische beleving van groen en architectuur, en andere emotiegedreven factoren spelen een grote rol in het succes van stedenbouw, maar zijn zeer moeilijk weer te geven in architecturale modellen of simulaties. Onze aanpak is een vroege poging om deze gecompliceerde datasets te verzamelen en op te nemen."

Met behulp van een Faro 3D-laserscanner, het team maakte ook een 3D-visualisatie van het stadscentrum van Herrenberg. Het team zou vervolgens visualisaties van zijn verschillende datasets kunnen integreren in een meeslepend virtual reality-model, waardoor besluitvormers abstracte gegevens 'tot leven kunnen zien komen'. Voor Dembski en het team, dit element brengt het werk een stap dichter bij het op een meer realistische manier visualiseren van een stad.

Voor dit werk zijn krachtige computerbronnen nodig vanwege de grote datasets die ermee gemoeid zijn. Dembski legde uit, "In een wereld waarin zelfs enkelvoudige objecten zoals gebouwen al zo complex zijn, simulaties met supercomputers kunnen geweldige ondersteuning bieden in het ontwerpproces, denk maar aan windstromingssimulatie of bouwfysica-simulaties. Als je dan hele steden en regio's in al hun complexiteit beschouwt en delen ervan wilt begrijpen, HPC kan een enorme ondersteuning bieden."

Tegelijkertijd, Dembski merkte ook op dat de integratie van tools, expertise, en de convergentie van uiteenlopende vaardigheden en technologieën maken HPC-centra ook essentieel voor dit werk. "Het gaat niet alleen om supercomputers en infrastructuren, " zei hij. "Het gaat over de verscheidenheid aan computerbronnen die we tot onze beschikking hebben, en misschien wel het belangrijkste, het interdisciplinaire, samenwerkingsomgeving die dit werk tot een succes maakt."

Vooruit plannen

"Steden zijn niet eendimensionaal, dus het heeft geen zin om ze op een stuk papier te ontwerpen, " zei Dembski. "De derde dimensie helpt ons steden en hun ruimtelijkheid te begrijpen. Vooral in de context van conventionele stadsplanning en ontwikkeling, het "uitzicht, " of de perceptie van ruimte op menselijke schaal, wordt vaak vergeten. Veel mensen kunnen zich geen abstracte planning op de schaal van 1:1 voorstellen. 000 of 1:10, 000. Dit geldt ook voor planners, omdat ze vaak de nodige gevoeligheid voor de menselijke maat missen, which is why we know many urban development projects don't work. 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."

Momenteel, 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

In de nabije toekomst, 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?" hij vraagt. "Digital tools can help us envision a more equitable and complete way to design cities of the future, but the human factor is irreplaceable."