El Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS) en Alemania, utiliza supercomputación y visualización para desarrollar modelos integrales de entornos urbanos. Con esta tecnología ya se apoya un piloto de planificación urbana en la ciudad alemana de Herrenberg.
Para el Doctor Fabian Dembski, que trabaja en la intersección entre la arquitectura, la planificación urbana y la ciencia computacional, las ciudades son más que solo los lugares donde vivimos. Funcionan como organismos vivos, creciendo y cambiando con el tiempo. Desde esta perspectiva, las decisiones tomadas en la planificación de la ciudad pueden mejorar o degradar la salud de los espacios urbanos.
A medida que las ciudades se han vuelto más grandes y más complicadas, y la tecnología ha abierto nuevas formas de observar y simular sus procesos dinámicos, los investigadores han tratado de encontrar mejores maneras para hacer que las decisiones de planificación urbana sean más eficientes, equitativas e inclusivas.
Al igual que las tomografías computarizadas les dieron a los profesionales médicos nuevas maneras de observar el cuerpo humano, los enfoques digitales avanzados que incluyen modelos y visualización basados en datos ahora ofrecen a los investigadores novedosas formas de comprender cómo funcionan las ciudades y predecir cómo los cambios en su diseño podrían afectar la vida en ellas.
Junto con investigadores del Instituto Fraunhofer, la Universidad de Stuttgart, y Kommunikationsbüro Ulmer, el profesor Dembski y otros investigadores del Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS), han estado desarrollando nuevas aplicaciones de visualización 3D para apoyar la planificación urbana.
Específicamente, el equipo ha estado adaptando el concepto del «gemelo digital» para las ciudades, utilizando tecnologías de computación de alto rendimiento (HPC, por su sigla en inglés) para analizar, integrar y visualizar datos que describen fenómenos urbanos para simular los procesos complejos y dinámicos que son importantes para tener en cuenta en la planificación urbana.
En los últimos años, el equipo ha estado desarrollando un gemelo digital de Herrenberg, una pequeña ciudad a las afueras de Stuttgart. El estudio de Herrenberg ya ha proporcionado información valiosa para los planificadores de la ciudad y los funcionarios del gobierno en el estado de Baden-Württemberg, y allana el camino para mejorar el modelo para incluir tipos adicionales de datos.
¿Qué son los ‘gemelos digitales’?
Los gemelos digitales son esencialmente modelos informáticos hiperrealistas de objetos complejos que son capaces de simular su función con un alto nivel de detalle. En el pasado, los científicos e ingenieros han utilizado computación de alto rendimiento para crear ‘gemelos digitales’ de muchos tipos de objetos, incluidos edificios, motores y redes de servicios públicos. Dembski y sus colegas están entre los primeros en aplicar este concepto al modelado de entornos urbanos completos.
Su enfoque comienza con la idea de que la vida en una ciudad es el resultado de interacciones complejas entre muchos factores. Con la disponibilidad de nuevos sensores y otras herramientas digitales para producir datos de alta calidad, los investigadores ahora pueden recopilar grandes conjuntos de datos que representan la calidad del aire, el flujo de tráfico y la prevalencia del tráfico de peatones, entre otras dimensiones de la vida urbana. Al fusionar estos grandes conjuntos de datos utilizando supercomputadoras y visualizarlos en realidad virtual, resulta más fácil comprender sus complejas interacciones, por ejemplo, ver cómo un cambio en los patrones de tráfico o un nuevo edificio podría afectar la calidad del aire.
Para crear un modelo tan complejo y multidimensional, los investigadores primero deben desarrollar una base que luego pueda exponerse con conjuntos de datos más detallados. Al construir el ‘gemelo digital’ de Herrenberg, el equipo comenzó utilizando un concepto llamado sintaxis espacial. Así como el esqueleto humano proporciona un andamiaje para todos los demás sistemas y funciones del cuerpo humano, la sintaxis espacial produce un esquema 2D de cuadrículas físicas en una ciudad, ofreciendo un marco para realizar análisis espaciales, como predecir los caminos probables de ese automóvil. o el tráfico de peatones puede tomar para moverse de un punto a otro.
Luego, el equipo incorpora los datos del sistema de información geográfica (SIG) y los datos de los sistemas de control de tráfico para incorporar la topografía, la geometría de la carretera y los flujos de tráfico realistas con más detalle, agregando otra capa de complejidad. Utilizando el código de dinámica de fluidos de código abierto OpenFOAM, que se usa con más frecuencia para modelar aerosoles de inyectores de combustible o aerodinámica de aviones, por ejemplo, también pueden crear modelos realistas del movimiento del viento y las emisiones a través de la ciudad.
Además de este tipo de modelado físico de alta precisión, el equipo de HLRS también desarrolló una aplicación que invitó a los residentes de Herrenberg a enviar sus respuestas emocionales sobre diferentes áreas de la ciudad. Los residentes proporcionaron datos cualitativos sobre si ciertas ubicaciones les parecen cómodas, inseguras o feas, por ejemplo. Como explicó Dembski, «Las emociones como la alegría y el miedo, la experiencia estética de los espacios verdes y la arquitectura, y otros factores impulsados por las emociones juegan un papel importante en el éxito del diseño urbano, pero son muy difíciles de representar en modelos arquitectónicos o simulaciones. este enfoque es un intento temprano de reunir e incorporar estos conjuntos de datos complicados «.
Usando un escáner láser 3D Faro, el equipo también creó una visualización en 3D del centro de la ciudad de Herrenberg. El equipo podría integrar las visualizaciones de sus diversos conjuntos de datos en un modelo de realidad virtual inmersivo, permitiendo a los tomadores de decisiones ver «cobrar vida» a los datos abstractos. Para Dembski y el equipo, este elemento lleva el trabajo un paso más cerca de visualizar una ciudad de una manera más realista.
Planificar el futuro
«Las ciudades no son unidimensionales, por lo que no tiene sentido diseñarlas en una hoja de papel», dijo Dembski. «La tercera dimensión nos ayuda a comprender las ciudades y su espacialidad. Especialmente en el contexto de la planificación y el desarrollo urbanos convencionales, la «vista», o la percepción del espacio a escala humana, a menudo se olvida. Muchas personas no pueden imaginar una planificación abstracta en el futuro. Esto también se aplica a los planificadores, ya que a menudo carecen de la sensibilidad necesaria para la escala humana, es por eso por lo que sabemos que muchos proyectos de desarrollo urbano no funcionan. Al permitir que los tomadores de decisiones tengan una experiencia inmersiva vista en realidad virtual, les estamos ayudando a experimentarlo de manera más realista, en última instancia ayudándoles a evaluar y evaluar mejor los diseños, planes u otros escenarios».
El equipo compartió su gemelo digital con funcionarios de la ciudad de Herrenberg y ha presentado su modelo en varios eventos públicos allí para alentar la participación pública en la planificación de la ciudad. La respuesta hasta ahora ha sido muy positiva.
«Cuando demostramos una versión móvil en 3D de nuestro ‘gemelo digital’ usando un entorno de realidad virtual de proyección trasera, fue muy bien recibido por el público», comentó Dembski. «Fue emocionante ver grupos que participaban en una discusión sobre planificación urbana que sería difícil o imposible atraer en cualquier otro formato. También hay un gran interés en las oportunidades que los gemelos digitales podrían abrir entre los planificadores y los tomadores de decisiones».
Inteligencia artificial para apoyar la planificación de la ciudad.
En el futuro cercano, el equipo también explorará cómo las aplicaciones de inteligencia artificial (IA) podrían usarse para representar mejor los innumerables factores que afectan la forma en que los residentes experimentan emocionalmente sus ciudades.
«Nos gustaría comenzar a incluir fenómenos más dinámicos y de mayor escala en nuestro modelo», dijo Dembski. «Esto podría incluir factores como la migración regional, los efectos de la gentrificación y el crecimiento, la contracción, los patrones de asentamiento y la resiliencia social y económica general de las ciudades. Teniendo en cuenta los complejos conjuntos de datos necesarios para cuantificar tales actividades, necesitaremos aún más apoyo computacional, y creemos que las aplicaciones de inteligencia artificial también podrían ayudar».
Aunque Dembski está entusiasmado con las oportunidades que ofrecen los ‘gemelos digitales’ para la planificación de la ciudad, reconoce que incluso con la llegada de sistemas informáticos más potentes siempre habrá limitaciones en el uso de las computadoras para comprender completamente una estructura tan compleja y «viva» como una ciudad. «¿Qué da alegría a las personas? ¿Cómo las cosas no planificadas enriquecen un entorno construido?» se pregunta. «Las herramientas digitales pueden ayudarnos a imaginar una forma más equitativa y completa de diseñar ciudades del futuro, pero el factor humano es insustituible», sentenció.
*Con información del Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS)
