Помислете си само колко различен и по-добър би бил животът ни, ако имахме информация, която ни помага да вземаме по-бързо и лесно решения в ежедневието си. Така както прогнозата за времето ни ориентира – от това дали просто имаме нужда от чадър до това как да планираме различни дейности, зависими от атмосферните условия, така бихме могли да знаем каква е реалната картина на трафика в София например (градски транспорт, ремонти, автомобилен трафик, таксита).

Това е само една малка част от примерите в полза на създаването на градски цифрови двойници, които биха допринесли за това да живеем по-добре и по-качествено. Неслучайно такива цифрови двойници с различно приложение имат градове като Xeлзинĸи, Bиeнa, Бepлин, Cингaпyp и Hю Йopĸ.

Федерирани цифрови градски двойници, опериращи върху система от системи

В София също се работи по такъв проект. Използвайки потенциала на изкуствения интелект, институт GATE се фокусира върху създаването на цифров двойник на града  и пространство за данни като допълващи се технологии за иновации. Те подпомагат интелигентното споделяне на данни, анализите и симулациите, свързани с изследване на качеството на въздуха, градското планиране и проектиране, пешеходната достъпност, комфорта на градската среда.

Концепция за "Цифров двойник на града"

Качество на въздуха

Наблюдението на качеството на въздуха е важен аспект от управлението на градовете. Високите концентрации на замърсители имат директно влияние върху човешкото здраве и стандарта на живот в градските райони. Съществуващите станции за мониторинг на атмосферния въздух обаче измерват концентрацията на замърсители в отделни изолирани точки и предоставят данни с различна честота и качество. Предвид този проблем GATE разработва платформа за пространствено-времеви анализ на качеството на въздуха в София. Тя предсказва качеството на въздуха в реално време на произволно местоположение чрез използване на методи, базирани на времеви и пространствени вероятностни и статистически анализи. Прогнозите за концентрацията на различни замърсители интегрират данни от различни сензорни станции, като по този начин предоставят цялостна картина за градския въздух.

Изследователските дейности са подкрепени от Лабораторията за градска среда, изградена на територията на столичния район „Лозенец“. Тя e оборудвана с 12 станции за измерване на качеството на атмосферния въздух, включващи нива на серен диоксид, азотен диоксид, фини прахови частици (10 и 2,5), въглероден диоксид, озон, както и климатични данни за температура, налягане, влажност, скорост и посока на вятъра, нива на валежи и ниво на шум. В допълнение, 60 напълно автономни сензора следят нивата и посоката на шума. Разположени са и 50 сензора за преброяване на преминаващите пешеходци, отчитащи посоката на преминаване. Разнородният характер на данните, които се събират, позволява да се извършват по-прецизни анализи на градската среда и препоръка на по-адекватни мерки за подобряването ѝ. На кръстовището на бул. „Черни връх“ и ул. „Хенрих Ибсен“ е разположена и високотехнологична сензорна система с 6 сензора за лазерно сканиране, които автоматично разпознават преминаващите през кръстовището обекти – пешеходци и типове превозни средства. Благодарение на лазерната технология данните, които се събират, не нарушават изискванията за поверителност. Тези данни са солидна основа за микромоделиране на трафика през кръстовището и извличане на закономерности, които биха подпомогнали вземането на решения за справяне със задръстванията в пиковите часове. В допълнение, лабораторията е оборудвана с дрон, който осигурява допълнително събиране на данни за градската среда.

Проучванията на качеството на въздуха, освен че подпомагат вземането на информирани решения, имат и обществена значимост. Знаем, че високите концентрации на замърсители имат директно влияние върху здравето на гражданите и стандарта на живот в града.

Острови на топлина

Изследванията и данните през последните години показват, че температурата в централните части на София се повишава с непрекъснати темпове, което е свързано с появата на т.нар. острови на топлина. Основните фактори, които предизвикват тяхната проява, са генерираната от човешката дейност топлина, увеличената консумация на енергия, трафикът, презастрояването, намаляването на зелените зони и паркове, липсата на водни басейни и презаселването. Локалният климат и релеф също влияят съществено върху появата на този феномен. В контекста на този проблем GATE изследва островите на топлина в София, базирайки се на изчислителния модел за предсказване Weather Research and Forecasting (WRF) и наличните данни в града за потреблението на електроенергия, трафик и др. Изследването се извършва под ръководството на д-р инж. Лидия Витанова, като резултат от нейната работа е първият енергиен атлас на София, базиран на доверителния интервал за енергийна консумация по функции на сгради.

Нискоенергиен сценарий на енергиен атлас на София. Червените и жълтите цветове показват районите с повишена консумация на енергия

Източник: Vitanova et al. 2023

15-минутен град

Параметричното градско планиране е мощен инструмент за подобряване на градската инфраструктура. В това направление GATE в сътрудничество със Столична община и „Софияплан“ разработва модели и анализи в контекста на 15-минутния град. Например местоположението на детските градини в Столична община не е разпределено по начин, който да удовлетворява нуждите на гражданите. Съществуващата мрежа от детски заведения е не само с недостатъчен капацитет, но и териториално неравномерно разпределена от гледна точка на местоживеене и възможност за пешеходна достъпност. Записването на децата в детски заведения извън границите на кварталите води до негативни ефекти като например натоварване на иначе балансирана социална инфраструктура в съседни квартали и създаване на допълнителен автомобилен трафик. Адресирайки този проблем, се разработва инструмент за автоматизирано определяне на недостига на публичните детски заведения и препоръчване на оптимално разположение на нови такива. Инструментът интегрира демографски данни, кадастрални данни за жилищните сгради, детските градини и ясли, данни за имотите и пешеходната мрежа, като отчита правилата и нормативите за устройство на отделните видове територии и устройствени зони. Подходът, който реализира, е приложим и за друга социална инфраструктура като училища, здравни центрове, спирки на градски транспорт, както и за различни търговски обекти и бизнес услуги.

Индекс на пешеходна достъпност в район „Лозенец“. Червеният цвят съответства на нисък индекс на пешеходна достъпност, а синият – на висок

Следвайки концепцията на 15-минутния град, институтът разработи инструмент за оценка на пешеходната достъпност на жилищните сгради до различни градски услуги и обекти като училища, зелени площи, медицински центрове, транспорт, спортни съоръжения и др. Събраният набор от данни от над 27 хил. обекта от интерес в София и въз основа на 15-минутния достъп до тях е изчислен индексът на пешеходна достъпност на територията на район „Лозенец“. Извършеният анализ подпомага вземането на решения относно планирането на нова инфраструктура, с която да се задоволят нуждите на гражданите на пешеходно разстояние, водещо до намаляване на трафика и задръстванията, понижаване на въглеродните емисии и като цяло подобряването на качеството на живот в града.

Опитът, който натрупахме, и разработените инструменти и анализи ще бъдат приложени в Европейски проект за внедряване на пространство от данни в сферата на мобилността и транспорта. Проектът обединява усилията на повече от 40 партньора в посока споделяне на данни и създаване на нови бизнес модели и услуги в градската мобилност. Институт GATE като хъб на Международната асоциация за пространства от данни, е локален технологичен партньор в София. Сред българските партньори са Столична община и Центърът за градска мобилност, с които заедно GATE ще създаде нови приложения, подпомагащи придвижването на гражданите с градски транспорт и т.нар. „зелени средства“ като скутери, електрически велосипеди и автомобили, както и такива, свързани с паркирането и пешеходното придвижване.