Giới thiệu

Bản sao kỹ thuật số - Digital Twin (DT) là bản sao ảo của một quá trình vật lý, nó có thể là dây chuyền sản xuất, một nhà máy, một cảng biển hay thậm chí là một thành phố hoặc trái đất…, phản ánh chính xác hoạt động của nó thông qua dữ liệu không gian được cập nhật liên tục. Đối với một thành phố - không gian đô thị, thông qua tích hợp dữ liệu thời gian thực, các mô hình Bản sao kỹ thuật số cung cấp cho chính quyền thành phố một công cụ để giám sát cơ sở hạ tầng, đánh giá rủi ro môi trường, ứng phó với các trường hợp khẩn cấp,... cho phép họ đưa ra quyết định sáng suốt vào những thời điểm quan trọng.

Từ góc độ công nghệ, DT được định nghĩa là “môi trường ảo mô phỏng” nơi mà thông qua tích hợp, trao đổi dữ liệu cho phép các thành phố được thể hiện với không gian ba chiều. Trong đó, DT kết hợp dữ liệu và công nghệ Trí tuệ nhân tạo (AI) để nắm bắt, đánh giá các thể vật lý và cung cấp một giao diện cho phép người dùng có thể quan sát quá khứ, hiện tại và tương lai của thành phố. Ngoài ra, DT có thể được sử dụng để “ra quyết định thông minh về các vấn đề đô thị”, giúp các thành phố có khả năng phục hồi tốt hơn.

Bài viết này thông qua thu thập, lược dịch các tài liệu có liên quan đến DT có tiềm năng cải thiện quy hoạch đô thị và đóng góp vào khả năng các thành phố trở nên thông minh hơn.

Bản sao kỹ thuật số Digital Twin (DT) thường được tạo ra từ các tập dữ liệu không gian thời gian thực được thu thập từ nhiều cảm biến, bao gồm các thiết bị IoT, nhận dạng tần số vô tuyến, điện thoại thông minh và các công cụ dữ liệu không gian địa lý… Khoa học máy tính và kỹ thuật phần mềm đóng vai trò quan trọng, cung cấp các nền tảng tích hợp, xử lý – tích hợp dữ liệu, thuật toán và mô hình. Học máy (ML) và AI cho phép các DT dự đoán trạng thái tương lai và phát hiện các điểm bất thường trong hiện tại. Trong lĩnh vực qui hoạch đô thị, cho phép DT được sử dụng để mô phỏng, đánh giá các tác động môi trường, giao thông, mật độ dân cư… của các tòa nhà trước khi được cấp phép và xây dựng.

Ngày nay, 58% dân số thế giới sống ở các thành phố, và con số này dự kiến sẽ đạt 70% vào năm 2050. Cư dân thành thị đang tạo ra nguồn dữ liệu với tốc độ cao từ các thiết bị cá nhân như: điện thoại thông minh hay đồng hồ thông minh, hoặc từ những camera ở các góc phố, cảm biến… Tất cả những dữ liệu này có thể được tích hợp vào DT cho phép tạo ra các DT mới phù hợp với từng khía cạnh trong không gian đa dạng của một đô thị.

Ứng dụng DT trong quy hoạch và phát triển đô thị

Ấn Độ là một trong những quốc gia đứng đầu về công nghệ ICT, có tiềm năng rất lớn về DT. Trong lĩnh vực quy hoạch và phát triển đô thị, Thủ đô mới Amaravati đã được quy hoạch tổng thể của bang Andhra Pradesh vẫn còn chưa được xây dựng, nhưng nó đã tự hào có một DT được triển khai cho thấy tiềm năng rất lớn của công nghệ để định hình qui hoạch, môi trường, công trình xây dựng… trước khi xây dựng. Ở đó, mọi thứ xảy ra sẽ được lập kịch bản trước để tối ưu hóa kết quả. Chính điều này thể hiện một bước tiến vượt bậc cho các thành phố ở cách chúng được thiết kế, xây dựng và quản lý để cho phép các thành phố có thể giải quyết các vấn đề của họ và cải thiện đời sống đô thị thông qua 'song sinh kỹ thuật số' sẵn sàng mang lại lợi ích cho sự phát triển tương lai của thành phố.

Ứng dụng DT kích thích tăng trưởng kinh tế thành phố

Một trong những tiềm năng của DT là công cụ dự đoán, cho phép các thành phố sử dụng dữ liệu thời gian thực của họ để phát triển đô thị. Thành phố Orlando ở Florida dự kiến sẽ sử dụng DT của mình cho xem trước "cách các khoản đầu tư công vào hạ tầng đô thị khác nhau, như nâng cấp hệ thống giao thông công cộng, có thể ảnh hưởng đến môi trường xây dựng và cư dân thành phố.” Bên cạnh đó, DT của Orlando “có thể giúp đánh giá để cắt giảm chi phí hoạt động và lượng khí thải carbon của công trình xây dựng mới, và tránh những sửa đổi tốn kém sau khi dự án hoàn thành đã hoàn thành.” Tương tự như vậy, ở Columbus, Ohio, một DT đã được tạo ra để “cung cấp dịch vụ hậu cần đẳng cấp thế giới” bằng cách lập bản đồ các cơ hội việc làm cho cư dân. Điều này liên quan đến môi trường địa lý liên quan đến các loại công việc khác nhau trong thành phố. Các nhà phát triển của Columbus DT cũng tìm kiếm để kết nối các hệ thống như giao thông, nhà ở và chăm sóc sức khỏe, và thử nghiệm cách thức mà những công nghệ mới có thể được tích hợp vào các hệ thống này... Thật vậy, Columbus đã giành được Giải thưởng Thành phố thông minh Hoa Kỳ năm 2016, một giải thưởng do Bộ Phát triển Đô thị Hoa Kỳ trao tặng

Các DT đã chứng minh tiềm năng đáng kể trong việc tối ưu hóa tăng trưởng kinh tế đô thị. Từ giảm chi phí và lượng khí thải ở Orlando để kết nối cơ sở hạ tầng ở Columbus, DT có thể trở thành công cụ mạnh mẽ để tạo ra cơ hội mới cho phát triển kinh tế. Khi các thành phố trên thế giới tiếp tục áp dụng công nghệ, họ có thể hưởng lợi từ khả năng của các DT trong việc mô hình hóa các kịch bản cho nền kinh tế đô thị của họ. Bằng cách mô phỏng việc nâng cấp cơ sở hạ tầng và thay đổi chính sách, DT cho phép các quan chức thành phố thực hiện nhiều hơn những quyết định sáng suốt giúp tối đa hóa tăng trưởng kinh tế.

Ứng dụng DT tăng cường khả năng phục hồi và tính bền vững của môi trường

Một số thành phố đã tạo ra các DT của họ để tăng cường khả năng phục hồi chống lũ lụt và các thảm họa môi trường đồng thời thúc đẩy sự phát triển bền vững của họ. Tại thành phố Lisbon Bồ Đào Nha, nơi đang phải đối phó với sự gia tăng của biến đổi khí hậu, đặc biệt ảnh hưởng đến các khu vực ven biển và vùng đô thị trũng thấp. Ngoài ra, những trận mưa thường xuyên và cực đoan, dẫn đến gia tăng nguy cơ lũ lụt cùng với một cơ sở hạ tầng thoát nước không đảm bảo có thể gây thiệt hại con người, môi trường, tài sản...  Vì những lý do này, một DT qui mô thành phố đã được tạo ra để mô phỏng các tình huống lũ lụt đô thị. Dữ liệu thời gian thực trong DT có thể cung cấp thông tin cho các cơ quan thành phố để đánh giá rủi ro lũ lụt, quản lý các trường hợp khẩn cấp và thực hiện kịp thời, quyết định sáng suốt. DT của Lisbon đã giúp chính quyền thành phố phát triển một toàn diện kế hoạch tổng thể thoát nước và ước tính sẽ tránh được 20 trận lũ trong 100 năm tới và tiết kiệm được nhiều hơn hơn 100.000.000 euro do cơ sở hạ tầng bị hư hại và mất sinh kế. Ngoài ra, chính quyền thành phố đã sử dụng DT dùng nhiều phương pháp mô phỏng để xác định hướng đi và kích thước tốt nhất cho hai đường hầm được lên kế hoạch bằng cách chạy nhiều mô phỏng.

Tương tự như vậy, Helsinki, DT của Phần Lan được sử dụng “để giảm thiểu biến đổi khí hậu và cải thiện hiệu quả năng lượng”. Ngoài ra, Rotterdam ở Hà Lan đã và đang tạo ra giải pháp thông minh để giải quyết các thách thức đô thị.

DT của Singapore, được sử dụng rộng rãi được biết đến là 'bản sao kỹ thuật số tiên tiến nhất hiện nay', là người tiên phong trong lĩnh vực phát triển bền vững. Trong mô hình Bản sao số của Singapore, một hệ thống lưới nhiệt thông minh đang được xây dựng, sẽ tạo điều kiện trao đổi nhiệt giữa các tòa nhà và làm cho toàn bộ các khu phố tiết kiệm năng lượng hơn.  Trong nỗ lực hạ nhiệt độ, Singapore cũng đang xem xét kỹ lưỡng tác động của các dự án phát triển mới đến môi trường. Khi các nhà phát triển đề xuất một tòa nhà mới, mô hình được sử dụng để phân tích tác động của dự án đến luồng gió, bóng râm và hiệu ứng đảo nhiệt đô thị vốn đã khó chịu.

Rõ ràng từ các tài liệu rằng DT có thể là công cụ để cải thiện khả năng phục hồi môi trường trong các thành phố. Các thành phố như Lisbon, Helsinki, Rotterdam và Singapore cho thấy nhiều ứng dụng khác nhau của DT trong việc thúc đẩy tính bền vững: giảm thiểu rủi ro lũ lụt, hiệu quả năng lượng và giảm thiểu đô thị hiệu ứng đảo nhiệt. Thông qua công nghệ tiên tiến của DT, các thành phố có thể giải quyết tốt hơn những thách thức về môi trường.

Ứng dụng DT tăng cường khả năng tích hợp dữ liệu và mô hình hóa

Tích hợp đa dạng dữ liệu đô thị và khả năng mô hình hóa 3D là những thế mạnh và cơ bản của DT. Tích hợp dữ liệu thời gian thực liên quan đến sự liên kết với các tần suất đa dạng từ cao đến thấp từ các thiết bị IoT và các cảm biến đô thị cho phép các thành phố có thể truy cập thông tin thời gian thực

Bản sao kỹ thuật số của Virtual Singapore bắt đầu bằng việc thu thập dữ liệu không gian địa lý. Điều này bao gồm việc tiến hành quét LiDAR độ phân giải cao, sử dụng tia laser để lập bản đồ tỉ mỉ hình học 3D của các tòa nhà, cơ sở hạ tầng và các yếu tố tự nhiên như cây cối. Ngoài ra, hình ảnh trên không chi tiết được chụp từ máy bay góp phần vào thông tin trực quan, làm phong phú thêm tập dữ liệu bằng kết cấu, màu sắc và bố cục tổng thể của thành phố. Tích hợp các tập dữ liệu hiện có: Để làm phong phú thêm tập dữ liệu, Virtual Singapore tích hợp dữ liệu có sẵn từ nhiều cơ quan chính phủ khác nhau. Bao gồm thông tin có giá trị như bản thiết kế tòa nhà, bản đồ tiện ích và thậm chí có thể là dữ liệu lưu lượng giao thông theo thời gian thực, cung cấp nền tảng toàn diện cho bản sao kỹ thuật số.. Việc tích hợp dữ liệu mở rộng này cho phép phân tích các yếu tố đô thị để thể hiện chính xác thành phố một cách dễ dàng hơn. Với tính năng độc đáo có thể phân biệt các tòa nhà với cây cối, đường đi với vỉa hè...., Điều này giúp đánh giá, kiểm tra dễ dàng cách các yếu tố riêng lẻ như: Cụm cây xanh hay cửa sổ, mái nhà và mặt tiền của tòa nhà… được đặt trong nhiều mô phỏng khác nhau. Chính điều này sẽ làm cho mô hình của DT trở nên thông minh hơn.

Sử dụng Nền tảng Phần mềm Chuyên dụng: Dữ liệu không gian địa lý thu thập được và các tập dữ liệu hiện có được tổng hợp bằng các nền tảng phần mềm chuyên dụng như nền tảng 3DEXPERIENCE City của Dassault Systèmes. Các nền tảng này đóng vai trò như xưởng kỹ thuật số, nơi các nguồn dữ liệu riêng biệt được kết hợp liền mạch thành mô hình 3D gắn kết và chi tiết của Virtual Singapore.

Mức độ chi tiết được thiết kế riêng: Tùy thuộc vào mục đích dự định, mức độ chi tiết trong bản sao kỹ thuật số sẽ thay đổi tương ứng. Trong khi ngoại thất tòa nhà và bố cục đường phố được thể hiện tỉ mỉ để tạo điều kiện cho việc lập kế hoạch chính xác, nội thất hoặc cơ sở hạ tầng ngầm ban đầu có thể ít chi tiết hơn

Có thể nói, tích hợp dữ liệu và mô hình hóa là những khía cạnh quan trọng của công nghệ DT. Singapore là một minh chứng cho cách tích hợp dữ liệu thời gian thực có thể tạo ra dữ liệu năng động và chính xác hơn các đại diện của các thành phố cũng như tạo điều kiện cho các mô phỏng chính xác mang lại hiểu biết sâu sắc. Trong Ngoài ra, khả năng tích hợp dữ liệu thúc đẩy khái niệm dữ liệu nguồn mở, nơi công dân có thể góp phần làm phong phú thêm DT.

Ứng dụng DT tăng cường sự tham gia của công dân

Ứng dụng của DT có tiềm năng rất lớn trong việc thu hút sự tham gia của người dân cũng như thúc đẩy quá trình ra quyết định hợp tác trong khu vực công - tư. DT có thể giúp tìm ra các điểm cân bằng giữa qui hoạch, môi trường, phát triển kinh tế, giao thông… giảm thiểu các tác động xấu để cải thiện chất lượng cuộc sống của người dân. Thành phố Rennes nằm ở phía đông bắc nước Pháp với tuyến đường sắt Rennes bao phủ toàn bộ lãnh thổ của thành phố, được ứng dụng công nghệ DT để mô phỏng nhằm tối ưu không gian đô thị như quy hoạch nhà ga, cung đường… mô hình hóa tiếng ồn… để đảm bảo phù hợp với cuộc sống người dân.

Tương tự, trường hợp của DT của Singapore được xem là mô hình dẫn đầu trên thế giới về sự tương tác với người dân. DT của Singapore cung cấp bốn khả năng chính cho các bên liên quan, cho phép công dân tham gia vào sự phát triển của thành phố như: thử nghiệm ảo, nền tảng thử nghiệm, quyết định- sản xuất và nghiên cứu & phát triển. Những năng lực này cho phép công dân tham gia vào sự phát triển của thành phố.

Để chia sẻ kiến thức, các DT cho phép kết nối các bên liên quan. Là nền tảng cho đầu vào và sự hợp tác nơi mà các bên liên quan có thể được trao quyền khi đưa ra quyết định về môi trường đô thị của họ. Tuy nhiên, về lâu dài hiệu quả của các công cụ này trong việc thu hút sự tham gia vẫn chưa rõ ràng.

Lời kết

Các ứng dụng thực tế của DT bao gồm “phân tích không gian, lập kế hoạch tương tác, mô phỏng các dự án phát triển đô thị và mô tả kịch bản đô thị, được sử dụng để giám sát hoạt động bình thường của các thành phố”. Thông qua việc thu thập, truyền tải, xử lý và trực quan hóa dữ liệu của các thành phố vật lý vào các DT của họ, các thành phố có thể đưa ra quyết định sáng suốt hơn về những phát triển trong tương lai. Bên cạnh đó, DT có thể cho phép nâng cao “hiệu quả hoạt động chung và trình độ quản lý của các thành phố” .

DT đã phát triển vượt ra ngoài phạm vi công nghệ đơn thuần: giờ đây chúng là một con đường đưa các khu vực đô thị trở thành những thành phố thông minh, đáng sống

Người thực hiện

Lê Việt Hưng

Phòng Dịch vụ số - Cục Chuyển đổi số quốc gia

Tài liệu tham khảo:

1. https://www.esri.com/about/newsroom/blog/des-moines-3d-mapping

2. https://kartta.hel.fi/3d/mesh

3. www.tech.gov.sg/media/technews/5-things-to-know-about-virtual-singapore

4. https://www.esri.com/about/newsroom/arcnews/arcgis-helps-implement-european-unions-open-data-directive

5. https://oecd-opsi.org/innovations/virtual-twin-singapore/