پیش‌بینی می‌شود که جمعیت شهری جهان تا سال ۲۰۴۵ به ۶ میلیارد نفر افزایش یابد، به همین دلیل ضروری است که مقامات شهری به سرعت برای این رشد گسترده برنامه‌ریزی کنند و از دسترسی مداوم همه شهروندان به خدمات اولیه و مسکن مقرون‌به‌صرفه همراه با رسیدگی به زیرساخت‌های قدیمی اطمینان حاصل کنند. آنها باید علاوه بر مراقبت از زیرساخت‌های موجود، برنامه‌هایی برای بهبود و ایجاد زیرساخت‌های جدید در آینده نیز انجام دهند. نوسازی و دیجیتالی کردن تمام این فعالیت‌ها با استفاده از دوقلوهای دیجیتال، مسیری مناسب را از طریق تکرار، شبیه‌سازی و تجزیه‌وتحلیل سیستم‌های دنیای واقعی در فضای مجازی برای اقدامات شهری فراهم می‌کند.

آشنایی با دوقلوهای دیجیتال

دوقلوی دیجیتال یک شهر، یک ماکت مجازی است که ویژگی‌ها و مشخصات موجود در ساختار آن شهر را در بر دارد و از آن در فرایندهای برنامه‌ریزی، طراحی، ساخت و بهره‌برداری استفاده می‌شود. در واقع دوقلوی دیجیتال (DT) به عنوان راهی برای ارائه یک کپی مجازی از یک محصول، یک خدمت یا حتی یک فرآیند شهری ظهور کرد. درحالی‌که بعضی منابع به دوقلوی دیجیتال به عنوان یک مدل سه‌بعدی ساده نگاه می‌کنند اما یک دوقلوی دیجیتال واقعی چندین فناوری پیشرفته موجود را گرد هم می‌آورد و بینش بی‌سابقه و اطلاعات کاربردی مهمی را در اختیار شهرها قرار می‌دهد و جامع‌ترین تصویر را برای حل چالش‌های آینده و ایجاد ارزش واقعی برای مسئولان و ساکنان شهر ارائه می‌دهد. برنامه‌ریزان شهری می‌توانند از DT‌ها برای شبیه‌سازی و ارزیابی سناریوهای مختلف توسعه استفاده کنند و تصمیم‌گیری آگاهانه‌ای برای مدیریت زیرساخت‌ها مانند جاده‌ها، حمل‌ونقل و خدمات عمومی، شبکه‌های انرژی هوشمند، شبکه‌های آب و گاز و تخصیص منابع داشته باشند و در نتیجه محیط‌های شهری پایدارتر و کارآمدتری به وجود آورند. بنابراین می‌توان گفت دوقلوی دیجیتال شهری می‌تواند به عنوان ابزاری دگرگون کننده عمل کند و آینده شهر را با افزایش و بهبود عملکرد، پایداری و زیست‌پذیری آن شکل دهد. مرکز تحقیقاتی ABI در سال ۲۰۲۱ طی گزارشی اعلام کرد که شهرها می‌توانند تا سال ۲۰۳۰ با استفاده از دوقلوهای دیجیتال برای برنامه‌ریزی شهری کارآمدتر، ۲۸۰ میلیارد دلار صرفه‌جویی کنند.

اکثر DTها علاوه بر داده‌های هندسی ثابت که شامل ویژگی‌ها و ساختار ظاهری شهر است، به داده‌های پویا نیز نیاز دارند. تلفیقی از مجموعه داده‌های مختلف که در فرکانس‌های مختلف (به عنوان مثال سالانه، روزانه یا حداکثر هر دقیقه) ضبط می‌شوند، برای ارائه اطلاعات به‌روز در برنامه‌های مختلف مورد نیاز است. یک DT شهری از چندین سطح تشکیل می‌شود؛ سطح اول یک نمایش پویا از دارایی‌های شهر با وضعیت گذشته، فعلی و آینده است. در سطح بعدی یک کپی دیجیتالی از شهر وجود دارد که داده‌های دریافتی از حسگرها و سایر دستگاه‌ها در آنجا ذخیره می‌شود. سپس در سطح بعدی، هوش مصنوعی فعالیت خود را برای تحلیل داده‌ها و شبیه‌سازی و پیش‌بینی آغاز می‌کند و آخرین سطح مربوط به پشتیبانی از تصمیم‌گیری‌های آگاهانه و راه حل‌های شخصی می‌شود.

کاربرد دوقلوهای دیجیتال در برنامه‌ریزی شهری

در مواجهه با چالش‌های قابل‌توجه رشد جمعیت، دوقلوهای دیجیتال شهری به برنامه‌ریزان شهری کمک می‌کنند تا مشکلات و مسائل بالقوه را پیش از آنکه در دنیای واقعی رخ دهند شناسایی کنند و با ارزیابی گزینه‌های مختلف بهترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین راه‌حل‌ها را برای آن مشکلات ارائه دهند و از این طریق پایداری و انعطاف‌پذیری کلی شهر را افزایش دهند.

این موضوع در مورد چالش‌های تغییرات آب‌وهوایی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است به‌ویژه وقتی صحبت از زیرساخت‌ها می‌شود. دوقلوهای دیجیتال می‌توانند با استفاده از تصاویر ماهواره‌ای، نشتی‌ها و خرابی‌های احتمالی در سیستم‌های فاضلاب قدیمی را قبل از وقوع شناسایی کنند، همچنین این داده‌های ماهواره‌ای می‌تواند روند جابجایی زمین را تحت نظر گرفته و از آسیب‌های احتمالی به شبکه‌های آب و گاز شهری ناشی از رانش زمین جلوگیری کنند. هوش مصنوعی DTها می‌تواند بخش‌هایی از زمین را که احتمال شکست به دلیل حرکات صفحات زمین در مقیاس میلیمتری دارد به سرعت شناسایی کند تا اپراتورها به مکان‌های موردنظر رفته و بر اساس آن اطلاعات جلوی خرابی‌های خطرناک را بگیرند.

تقویت تعاملات شهری

دوقلوهای دیجیتال شهری نه تنها مکانیزم کلی ساختار یک شهر را بهبود می‌دهند، بلکه بر نحوه تعامل دولت و برنامه‌ریزان شهری با شهروندان نیز تأثیر مثبتی می‌گذارند. از ایجاد برنامه‌های حمل‌ونقل هوشمند و افزایش پایداری زیست‌محیطی گرفته تا تلاش‌های سبز شهری و کاهش آلودگی، دوقلوهای دیجیتالی می‌توانند به همه این فعالیت‌ها در راستای بهبود زندگی شهروندی سرعت ببخشند. آنها با ارائه یک مدل دیجیتال از یک ساختمان جدید، یک طرح زیربنایی، پروژه پایداری و حمل‌ونقل، فرصتی را برای به اشتراک گذاشتن طرح‌های دیجیتال با شهروندان، صاحبان مشاغل محلی و سایر ذی‌نفعان فراهم می‌کنند تا کلیت موضوع برای همه افراد و مسئولان دخیل در اجرای طرح‌ها شفاف‌سازی شده و مشارکت عمومی و همکاری در آن پروژه‌ها افزایش یابد.

در حال حاضر بسیاری از شهرهای جهان از دوقلوهای دیجیتالی برای ارتقای پایداری و افزایش کیفیت کلی زندگی برای شهروندان استقبال می‌کنند. به عنوان مثال، مقامات اسپانیا در حال ساخت اولین دوقلوی دیجیتالی این کشور در یک منطقه ساحلی طبیعی در مورسیا هستند که قرار است پس از تکمیل، تغییرات آب‌وهوا، پوشش گیاهی و محیط زیست را در طول زمان مقایسه کنند و شبیه‌سازی‌هایی را برای پیش‌بینی و پیشگیری از سیل و آلودگی انجام دهند.

اشتوتگارت آلمان نیز در حال توسعه یک پلتفرم دیجیتالی دوقلو است که داده‌های حسگرهای اینترنت اشیا را در سراسر شهر تجسم و تجزیه‌وتحلیل می‌کند تا پایداری و کیفیت زندگی را برای صدها هزار شهروند خود افزایش دهد. این شهر از دوقلوی دیجیتال خود برای نظارت بر کیفیت آب، اشغال فضای پارکینگ و سطح سیلاب استفاده می‌کند تا با بهینه سازی فعالیت‌های خود تصمیمات آگاهانه‌ای برای آینده بگیرد.

چالش‌های پیاده‌سازی دوقلوهای دیجیتال شهری

در منظر شهری به سرعت در حال تحول امروزی، رفتار محیط‌های شهری سطح قابل توجهی از پویایی را نشان می‌دهد. برای درک واقعی و هدایت این پیچیدگی‌ها، یک رویکرد چندوجهی مورد نیاز است که حجم عظیمی از اطلاعات مکانی، زمانی و معنایی را در بر گیرد. مجموعه متنوعی از منابع داده، از تصاویر لیدار (Lidar) و هوایی گرفته تا داده‌های زمینی و ماهواره‌ای و همچنین جریان مداوم اطلاعات از حسگرهای IoT در این فرایند استفاده می‌شوند. این منابع، وقتی با هم ترکیب شوند، به عنوان اجزای اساسی تشکیل DT عمل می‌کنند. علاوه بر این، یک زیرساخت داده‌های جغرافیایی سازماندهی شده در پایگاه‌های داده مکانی نیز مورد نیاز است که به عنوان ستون فقرات ماکت مجازی عمل می‌کند و نمایش دقیق DT و ارتباط آن با دنیای واقعی را تضمین می‌کند.

برای روبه‌رویی با این محیط غنی از داده، یک زیرساخت محاسباتی قوی مورد نیاز است. علاوه بر این، اتوماسیون پیشرفته و تجزیه‌وتحلیل‌های هوشمند برای ایجاد یک انتقال بی‌وقفه از مدل‌سازی ساختمان‌های منفرد نیز یک الزام است. توجه به این نکته مهم است که قابلیت همکاری سطح‌های مختلف DT همچنان یک چالش است که باید به آن پرداخته شود. برای اینکه DT‌ها به پتانسیل کامل خود دست یابند، تبادل داده باید از استانداردهای مشترک پیروی کند تا به سیستم‌های مختلف اجازه دهد به طور یکپارچه با هم ارتباط برقرار کنند و بینش‌های مهم را به اشتراک بگذارند.

در چارچوب این پروژه بلندپروازانه، ملاحظات مربوط به هزینه و سرمایه‌گذاری را نباید نادیده گرفت. سخت‌افزار، نرم‌افزار، سیستم‌های مدیریت داده و ابزارهای تحلیلی همگی نیاز به سرمایه گذاری‌های هنگفت دارند.

علاوه بر این، نگرانی برای حفظ حریم خصوصی، امنیت و حاکمیت داده‌ها جزو لاینفک پروژه دوقلوی دیجیتال است. حفاظت از اطلاعات حساس در هنگام کار با DT‌ها بسیار مهم است و به اقدامات قوی برای اطمینان از یکپارچگی و محرمانه بودن داده‌ها نیاز دارد.

در پایان با سه نمونه از برنامه‌های کاربردی دوقلوی دیجیتال شهری که به صورت موفقیت‌آمیز اجرا شده‌اند آشنا می‌شویم.

۱. دوقلوی دیجیتال برای نظارت و کنترل سطح آب زیرزمینی (GWT)

مدیریت آب‌های زیرزمینی در شهرها به دلیل نوسانات ناشی از تغییرات آب‌وهوایی در سطح آب‌های زیرزمینی به طور فزاینده‌ای چالش برانگیز است. راه‌حل توسعه‌یافته شامل یک مدل DT بر اساس یک بازی کامپیوتری است که داده‌های بلادرنگ را از حسگرهای توزیع شده در سطح شهر دریافت می‌کند و آنها را به کمک مدل‌های پیش‌بینی و اتصال به ماشین‌های پمپاژ در یک مدل سه بعدی پویا ادغام می‌کند. پس از آن الگوریتمی برای پیش‌بینی سطح آب زیرزمینی بر اساس داده‌های بارندگی با ترکیبی از پروتکل‌های اینترنت اشیا تهیه می‌کند و از آن به عنوان محرکی برای غیرفعال کردن پمپ آب در دنیای واقعی استفاده می‌کند. این مدل همچنین از داده‌های تاریخی بارندگی نیز برای آموزش موتور هوشمند استفاده می‌کند. در نهایت راه‌حل تصویری تعاملی GWT، با شناسایی مناطقی که نیاز به تخلیه خودکار پمپ آب دارند، به تصمیم‌گیرندگان کمک می‌کند تا شیوه‌های بهتری برای مدیریت آب پیاده سازی کنند.

۲. دوقلوی دیجیتال برای محاسبه دمای معادل فیزیولوژیکی (PET)

افزایش شهرنشینی، تغییرات آب‌وهوایی و اثر جزیره گرمایی شهری نیاز به ارزیابی دقیق درجه حرارت را ایجاد کرده است. PET ابزار جامعی برای تعیین کمیت اثرات ترکیبی دمای هوا، رطوبت، سرعت باد و تابش خورشیدی بر درک انسان از شرایط حرارتی ارائه می‌دهد و با ارائه معیاری که چندین متغیر محیطی را ادغام می‌کند، به برنامه‌ریزان شهری، معماران و فعالان محیط زیست کمک می‌کند که در طراحی فضاهای شهری آسایش و سلامت انسان را در اولویت قرار دهند. بنابراین، یک مدل مبتنی بر دوقلوی دیجیتال برای محاسبه PET برای شناسایی اثر افزودن (یا حذف) درختان، ساختمان‌ها، سازه‌های آبی و مناطق سبز ایجاد شده است که با ترکیب داده‌های تجربی هواشناسی و GIS، یک رویکرد مقرون‌به‌صرفه و عملی برای تولید نقشه‌های حرارتی ارائه می‌دهد. هدف اصلی این دوقلوی دیجیتالی کاهش دما در نواحی کلیدی شهری است و به برنامه‌ریزان شهری و تصمیم‌گیرندگان این امکان را می‌دهد تا تغییرات تأثیرگذار را بدون نیاز به سرمایه‌گذاری در راه‌حل‌های آزمایش‌نشده شناسایی کنند.

۳. دوقلو دیجیتال برای مدیریت زباله جامد

سالانه حجم عظیمی از زباله جامد که بیش از دو میلیارد تن است در سراسر جهان تولید می‌شود و شهرداری‌ها با چالش مدیریت این مشکل دست‌وپنجه نرم می‌کنند. به همین دلیل، یک نمونه اولیه دوقلوی دیجیتال مدیریت زباله ساخته شد که شامل اولویت‌بندی مناطق، مشارکت شهروندان برای مکان‌یابی، شبیه‌سازی تولید زباله، بهینه‌سازی مسیر جمع‌آوری زباله و داشبورد کنترلی است. این برنامه، تلاش برای پر کردن شکاف‌هایی در شبکه جمع‌آوری زباله به‌ویژه در پارک‌ها را آشکار کرد. عکس‌های جمع‌آوری شده به شناسایی مشکل کمک می‌کنند و مشارکت شهروندان دقت و کارایی را بهبود می‌بخشد. شبیه‌سازی محل‌های تولید زباله بینش‌هایی را در مورد مکان‌های نصب سطل زباله و مسیر حرکت کانتینرهای حمل زباله با هدف کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه‌ای ارائه می‌کنند.