Même si vous n'êtes pas un joueur passionné, il y a de fortes chances que vous ayez entendu parler de SimCity. Sorti en 1989 et se distinguant par son gameplay ouvert, SimCity a donné à de nombreux joueurs leur premier aperçu du contrôle total du développement d'une ville, cimentant à jamais sa place dans l'histoire du jeu vidéo.

Dans une curieuse tournure de gameplay à l'adaptation dans la vie réelle, les simulations de villes virtuelles permettent désormais aux urbanistes de se faire une idée des résultats de leurs décisions sans avoir à construire une seule structure physique. À une époque où le monde est profondément remodelé par le changement climatique, La modélisation des paysages urbains basée sur les données est également extrêmement utile pour les gouvernements afin de préparer leurs villes aux pires scénarios provoqués par le réchauffement climatique et l'élévation du niveau de la mer.

"Singapour, étant une île de faible altitude avec une superficie limitée, est particulièrement vulnérable au changement climatique, " a déclaré Hee Joo Poh, un scientifique principal à l'Institute of High Performance Computing (IHPC), UNE ÉTOILE, citant la hausse des températures et l'urbanisation continue comme des menaces pour l'habitabilité de la ville du Lion.

Mais tout n'est pas perdu. « En optimisant les facteurs environnementaux, Les urbanistes de Singapour peuvent concevoir des logements et des infrastructures qui maximisent le confort et le bien-être des citoyens malgré le changement climatique, ", a-t-il plaisanté.

Une vue plongeante sur une ville virtuelle

Bien qu'il soit plus facile de penser que le climat est uniforme dans tout Singapour, le fait est que les différentes parties de la cité-État ont leurs profils climatiques distincts, appelés microclimats. Le microclimat d'une région est affecté par une confluence de facteurs, allant de facteurs naturels comme le vent, la lumière du soleil et la végétation aux éléments artificiels comme la densité des bâtiments et la circulation automobile.

La prise en compte de tous ces facteurs environnementaux dans l'urbanisme est une affaire délicate, mais le groupe de recherche de Poh a créé un outil numérique appelé le modeleur environnemental intégré (IEM) pour faire exactement cela. Développé en collaboration avec des collègues de l'Institute for Infocomm Research (I2R) d'A*STAR et du Building &Research Institute, Conseil du logement et du développement (HDB), Singapour, l'IEM exploite plusieurs sources de données pour recréer et simuler des scénarios de microclimat à Singapour. Cela le distingue des autres modélisateurs environnementaux sur le marché qui n'évaluent généralement qu'un seul facteur environnemental à la fois.

« La lacune la plus importante que l'IEM comble est l'intégration, " a partagé Poh. "C'est le premier outil intégré et évolutif à coupler tous les facteurs clés de la physique de l'environnement et leurs interactions complexes en une seule plate-forme unifiée."

Pour créer l'IEM, les chercheurs ont reçu des données géométriques 3D complexes de Singapour par leurs collaborateurs du HDB. L'équipe a ensuite développé un module capable d'analyser les données géométriques 3D pour les transformer en une simulation 3D très réaliste du pays. À la fois, 43 capteurs environnementaux ont été déployés dans la moitié est de Singapour. Alimenté par le soleil, ces capteurs ont collecté des données sur différents paramètres tels que l'irradiance solaire, vent et température, transmettre sans fil les données aux chercheurs en temps réel.

Avec de grandes quantités de données en main, les chercheurs ont ensuite effectué le travail minutieux consistant à combiner tous les différents paramètres dans ce qui allait devenir l'IEM. Données sur la dynamique du flux d'air, le chemin de la chaleur solaire et de la propagation du bruit ont été superposés sur la simulation 3D de Singapour, à une résolution horizontale de dix mètres. Cette, admis Poh, était la partie la plus difficile du projet.

"Ce que nous avons créé n'est pas une intégration de logiciels existants, mais un système construit sur une architecture informatique évolutive utilisant des mesures en temps réel, " il a dit.

Quand le numérique devient physique

La valeur d'un outil réside dans le problème qu'il résout pour son utilisateur. Dans le cas de l'IEM, le premier problème que l'équipe de Poh a cherché à résoudre était un phénomène de microclimat connu sous le nom d'effet d'îlot de chaleur urbain, qui est responsable de la forte différence de température entre les zones boisées et urbanisées.

Les îlots de chaleur urbains résultent de la construction de structures urbaines denses – pensez aux gratte-ciel et aux centres commerciaux – qui piègent la chaleur le long de rues relativement étroites. Couplé à un manque de végétation ombragée et à la chaleur de la circulation automobile, les températures dans ces îlots de chaleur peuvent atteindre des niveaux insupportables.

Sans surprise, les données satellitaires ont révélé que les îlots de chaleur urbains sont plus apparents dans le sud très urbanisé de Singapour. Des zones comme le parc industriel de Tuas et l'aéroport de Changi sont également particulièrement chaudes en raison des vastes étendues de béton et de métal exposés trouvés sur ces sites. Pendant ce temps, le nord boisé est comparativement plus frais pendant la journée - les chercheurs ont signalé une différence de température de 4 °C entre les zones bien plantées et le quartier central des affaires de Singapour.

En combinant ces différences de température en tandem avec des simulations de dynamique des fluides numériques (CFD) de la vitesse et de la direction du vent, ainsi que la présence ou l'absence de végétation et de plans d'eau dans une zone, les chercheurs ont pu identifier des emplacements optimaux pour construire des équipements tels que des terrains de jeux dans des développements existants ou nouveaux. Par ailleurs, en tenant compte des données de bruit, les chercheurs ont pu identifier un lien entre la répartition de la chaleur et la propagation du bruit en milieu urbain.

"Le son voyage plus vite dans l'air plus chaud, Ainsi, lorsque l'air au-dessus de la terre est plus chaud que l'air à la surface, l'onde sonore se replie vers la terre, " Expliqua Poh. " Dans de telles circonstances, la réfraction vers le bas peut permettre au son de traverser des obstacles tels que des murs antibruit et de se propager davantage. »

De telles informations pourraient être utiles aux urbanistes de Singapour, car de plus en plus d'immeubles de grande hauteur sont construits à proximité des autoroutes pour maximiser l'utilisation des terres. La hauteur et l'emplacement des murs antibruit peuvent également devoir être ajustés pour limiter l'ampleur des nuisances sonores subies par les habitants des bâtiments.

Bâtir sur une base solide

Analogue à la façon dont la ligne d'horizon de Singapour est en constante évolution, l'IEM reste un travail en cours alors que Poh et ses collègues continuent d'apporter des améliorations aux simulations.

"La vision à long terme de l'outil IEM est de le transformer en un modèle "Digital Twin" très précis pour une utilisation avec n'importe quelle zone urbanisée, capable de rendre compte de divers facteurs affectant les environnements urbains, " a déclaré Poh. " Cela réduit le risque d'essais et d'erreurs physiques coûteux et permet aux plans de développement d'être testés informatiquement avant la mise en œuvre réelle. "

Même les caractéristiques des bâtiments individuels peuvent être évaluées in silico à l'aide de l'IEM, Poh ajouté, soulignant comment il a travaillé avec la Building and Construction Authority (BCA) de Singapour pendant plus d'une décennie sur la conception de bâtiments sensibles au climat, apportant son expertise sur les simulations CFD.

"En 2008, BCA a inclus CFD dans son initiative (le BCA Green Mark Scheme) pour conduire l'industrie de la construction de Singapour vers des bâtiments plus respectueux de l'environnement, et j'ai été engagé en tant qu'évaluateur externe pour des projets dans le cadre de l'initiative, " dit-il. Puis en 2012, il a également collaboré avec BCA pour développer une méthodologie de simulation CFD et des paramètres d'évaluation pour la modélisation des espaces naturellement ventilés dans les bâtiments non résidentiels selon les critères de la marque verte.

Pour sa contribution au domaine de l'habitabilité et de la durabilité urbaines à Singapour, Poh a été honoré par le ministère du Développement national (MDN) en tant que jeune leader du Sommet mondial des villes en 2014. Plus récemment, en 2019, Poh, avec Wee Shing Koh de l'IHPC, Fachmin Folianto de I2R et Sze Tiong Tan de HDB, ont reçu le President's Technology Award 2019, le prix scientifique et technologique le plus prestigieux de Singapour, pour leurs travaux sur l'IEM.

"Notre recherche contribue à apporter des solutions innovantes pour la planification et la conception de villes durables, mais au-delà du domaine de l'urbanisme, les climatologues et les chercheurs en environnement pourraient également utiliser l'IEM pour simuler et étudier les effets localisés du futur changement climatique mondial, " dit Poh.

« Les résultats de ces études seraient utiles aux agences gouvernementales pour formuler des politiques et mettre en place des mesures pour atténuer les menaces liées au climat, " a-t-il conclu.