Pour le Dr Fabian Dembski, qui travaille au carrefour de l'architecture, aménagement de la ville, et informatique, les villes sont plus que des lieux où nous vivons. Ils fonctionnent comme des organismes vivants, grandir et changer au fil du temps. De cette perspective, les décisions prises en matière d'urbanisme peuvent soit améliorer soit dégrader la santé des espaces urbains.

Alors que les villes sont devenues plus grandes et plus compliquées, et la technologie a ouvert de nouvelles façons d'observer et de simuler les processus dynamiques des villes, les chercheurs ont essayé de trouver de nouvelles façons de rendre les décisions d'urbanisme plus efficaces, équitable, et inclusif. Tout comme les tomodensitogrammes ont donné aux professionnels de la santé de nouvelles façons d'observer le corps humain, Les approches numériques avancées impliquant la modélisation et la visualisation basées sur les données offrent désormais aux chercheurs de nouvelles façons de comprendre le fonctionnement des villes et de prédire comment les changements dans leur conception pourraient affecter la vie là-bas.

En collaboration avec des chercheurs de l'Institut Fraunhofer, l'Université de Stuttgart, et Kommunikationsbüro Ulmer, Dembski et d'autres chercheurs du High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) ont développé de nouvelles applications de visualisation 3D pour soutenir la planification urbaine. Spécifiquement, l'équipe a adapté le concept du « jumeau numérique » pour les villes, l'utilisation de technologies de calcul haute performance (HPC) pour l'analyse, en intégrant, et visualiser des données décrivant des phénomènes urbains afin de simuler le complexe, dynamiques qu'il est important de prendre en compte dans la planification urbaine.

Au cours des dernières années, l'équipe a développé un jumeau numérique de Herrenberg, une petite ville juste à l'extérieur de Stuttgart. L'étude Herrenberg a déjà fourni des informations précieuses aux urbanistes et aux responsables gouvernementaux du Land de Bade-Wurtemberg, et ouvre la voie à l'amélioration du modèle pour inclure d'autres types de données. L'équipe a publié un rapport détaillé décrivant ses méthodes et ses résultats dans la revue Durabilité .

Approche des sosies numériques

Les jumeaux numériques sont essentiellement des modèles informatiques hyperréalistes d'objets complexes capables de simuler leur fonction à un niveau de détail élevé. Autrefois, les scientifiques et les ingénieurs ont utilisé le HPC pour créer des jumeaux numériques de nombreux types d'objets, y compris les bâtiments, moteurs, et les réseaux de distribution. Dembski et ses collègues sont parmi les premiers à appliquer ce concept à la modélisation d'environnements urbains entiers.

Leur approche part de l'idée que la vie dans une ville est le résultat d'interactions complexes entre de nombreux facteurs. Avec la disponibilité de nouveaux capteurs et autres outils numériques pour produire des données de haute qualité, les chercheurs peuvent désormais collecter de grands ensembles de données représentant la qualité de l'air, flux de circulation, et la prévalence de la circulation piétonnière, entre autres dimensions de la vie urbaine. En fusionnant ces grands ensembles de données à l'aide de supercalculateurs et en les visualisant en réalité virtuelle, il devient plus facile de comprendre leurs interactions complexes, par exemple, pour voir comment un changement dans les schémas de circulation ou un nouveau bâtiment pourrait affecter la qualité de l'air.

Pour créer un tel complexe, modèle multidimensionnel, les chercheurs doivent d'abord développer une base de base qui peut ensuite être expliquée avec des ensembles de données plus détaillés. En construisant le jumeau numérique de Herrenberg, l'équipe a commencé par utiliser un concept appelé syntaxe spatiale. Tout comme le squelette humain fournit un échafaudage pour tous les autres systèmes et fonctions du corps humain, la syntaxe spatiale produit un contour 2-D des grilles physiques dans une ville, offrir un cadre pour effectuer une analyse spatiale, comme la prévision des chemins probables que la circulation automobile ou piétonne pourrait emprunter pour se déplacer d'un point à un autre.

L'équipe intègre ensuite les données du système d'information géographique (SIG) et les données des systèmes de contrôle du trafic afin d'intégrer la topographie, géométrie de la route, et des flux de trafic réalistes plus en détail, ajoutant une autre couche de complexité. En utilisant le code open source de dynamique des fluides OpenFOAM, plus souvent utilisé pour modéliser les pulvérisations d'injecteurs de carburant ou l'aérodynamique des avions, par exemple, ils peuvent également créer des modèles réalistes du mouvement du vent et des émissions à travers la ville.

En plus de ce type de modélisation physique de haute précision, l'équipe HLRS a également développé une application invitant les habitants de Herrenberg à soumettre leurs réponses émotionnelles à différents quartiers de la ville. Les résidents ont fourni des données qualitatives pour savoir si certains endroits se sentent à l'aise, peu sûr, ou laid, par exemple. Comme Dembski l'a expliqué, "Les émotions comme la joie et la peur, l'expérience esthétique des espaces verts et de l'architecture, et d'autres facteurs émotionnels jouent un rôle majeur dans le succès du design urbain, mais sont très difficiles à représenter dans des modèles architecturaux ou des simulations. Notre approche est une première tentative de collecte et d'intégration de ces ensembles de données complexes."

À l'aide d'un scanner laser 3D Faro, l'équipe a également créé une visualisation 3D du centre-ville de Herrenberg. L'équipe pourrait ensuite intégrer des visualisations de ses différents ensembles de données dans un modèle de réalité virtuelle immersif, permettant aux décideurs de voir des données abstraites « prendre vie ». Pour Dembski et l'équipe, cet élément rapproche le travail de la visualisation d'une ville d'une manière plus réaliste.

Des ressources de calcul haute performance sont nécessaires pour ce travail en raison des grands ensembles de données impliqués. Dembski a expliqué, « Dans un monde où même les objets singuliers comme les bâtiments sont déjà si complexes, les simulations avec des superordinateurs peuvent apporter une aide précieuse dans le processus de conception - pensez simplement à la simulation de l'écoulement du vent ou aux simulations de physique du bâtiment. Si vous considérez ensuite des villes et des régions entières dans toute leur complexité et que vous voulez en comprendre certaines parties, HPC peut fournir un soutien énorme. »

À la fois, Dembski a également noté que l'intégration d'outils, compétence, et la convergence d'ensembles de compétences et de technologies disparates rend également les centres HPC essentiels pour ce travail. « Il ne s'agit pas que de supercalculateurs et d'infrastructures, " Il a dit. " Il s'agit de la variété des ressources informatiques dont nous disposons, et peut-être le plus important, l'interdisciplinaire, environnement collaboratif qui fait la réussite de ce travail."

Planifier à l'avance

« Les villes ne sont pas unidimensionnelles, cela n'a donc pas de sens de les concevoir sur un morceau de papier, " a déclaré Dembski. " La troisième dimension nous aide à comprendre les villes et leur spatialité. Notamment dans le cadre de l'urbanisme et de l'aménagement conventionnels, la "vue, " ou la perception de l'espace à l'échelle humaine, est souvent oublié. Beaucoup de gens ne peuvent pas imaginer une planification abstraite à l'échelle 1:1, 000 ou 1:10, 000. Ceci s'applique également aux planificateurs, car ils manquent souvent de la sensibilité nécessaire à l'échelle humaine, c'est pourquoi nous savons que de nombreux projets de développement urbain ne fonctionnent pas. 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."

Currently, 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 the near future, 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?" il demande. "Digital tools can help us envision a more equitable and complete way to design cities of the future, but the human factor is irreplaceable."