Lời nói đầu

Đối với các thành phố trên thế giới, thách thức phát thải carbon ngày càng cấp bách. Các thành phố trên toàn thế giới chiếm khoảng 70% lượng khí thải carbon toàn cầu và tiêu thụ trên hai phần ba năng lượng của thế giới.

Giải pháp công nghệ Bản sao kỹ thuật số (Digital Twins) là đại diện cho các mô hình ảo tái tạo chính xác các hệ thống vật lý, đã trở thành một giải pháp quan trọng trong phát triển thành phố. Chúng cho phép mô phỏng, phân tích và tối ưu hóa các quy trình đô thị dựa trên dữ liệu thời gian thực thông qua tập trung vào việc tích hợp các công nghệ hỗ trợ như Internet of Things (IoT) cho thu thập dữ liệu, Machine Learning (ML) cho phân tích dự báo, Blockchain cho bảo mật, và Cyber-Physical Systems (CPS) cho tương tác giữa thế giới thực và ảo đang đóng vai trò quan trọng trong mục tiêu phát triển thành phố thông minh hướng đến cân bằng hệ sinh thái tự nhiên (xanh), bằng cách tạo ra các mô hình ảo tái hiện chính xác các hệ thống đô thị thực tế, tích hợp dữ liệu thời gian thực từ cảm biến IoT, trí tuệ nhân tạo (AI) và phân tích dữ liệu lớn. Bản sao kỹ thuật số có thể mô phỏng toàn diện các hệ thống đô thị, từ cấp độ khu vực đến toàn thành phố, để đánh giá tác động môi trường của các dự án phát triển. Điều này hỗ trợ tối ưu hóa tài nguyên, giảm phát thải carbon, và thúc đẩy bền vững môi trường, đồng thời giúp các nhà quản lý đô thị mô phỏng các kịch bản tương lai để đưa ra quyết định hiệu quả.

Đối với những thành phố thông minh được quy hoạch hướng tới mục tiêu xanh, công nghệ này có thể dự báo và giảm thiểu hiện tượng đảo nhiệt đô thị bằng cách mô phỏng mạng lưới năng lượng tái tạo, phân phối nước, không gian xanh và giảm phát thải trong các dự án xây dựng lớn, góp phần vào mục tiêu đô thị không carbon.

Trong bài viết này, thông qua lược dịch các tài liệu có liên quan sẽ trình bày một số nghiên cứu điển hình về bản sao kỹ thuật số đặc trưng nhất cho thành phố xanh, tập trung vào lợi ích và kết quả tích cực của chúng

Ứng dụng giải pháp Bản sao kỹ thuật số trong xây dựng thành phố thông minh hướng tới mục tiêu xanh: Một số trường hợp điển hình

a. Tiểu bang New Mexico Hoa Kỳ và SmartWorldPro Digital Twin

Tiểu bang Mexico đã hợp tác với Cityzenith là một công ty công nghệ cung cấp phần mềm và ứng dụng nền tảng trực quan hóa dữ liệu cho Internet vạn vật và thành phố thông minh để phát triển SmartWorldPro, một nền tảng Bản sao kỹ thuật số thành phố, nhằm hỗ trợ xây dựng “cơ sở hạ tầng thông minh” mới và đồng thời phải đạt được các mục tiêu trung hòa carbon. Trọng tâm của cơ sở hạ tầng này hướng tới mục tiêu thành phố xanh, bao gồm:

• Cung cấp dịch vụ trọn gói cho tòa nhà: nền tảng Bản sao kỹ thuật số thành phố SmartWorldPro (SmartWorldPro DigitalTwin City) của Cityzenith là một công cụ hỗ trợ quy hoạch, quản lý và vận hành tòa nhà. Nền tảng này cho phép các kiến trúc sư, nhà thầu và nhà quản lý tài sản sử dụng để lựa chọn địa điểm, quy hoạch, thiết kế, xây dựng, vận hành, bảo trì và bán hàng.

• Giải quyết các vấn đề về tích hợp dữ liệu và cung cấp các công cụ cho phép mở rộng nhanh chóng: Để khắc phục khó khăn trong việc tích hợp dữ liệu từ các nguồn khác nhau như BIM, GIS và IoT, nền tảng SmartWorldPro DigitalTwin City cho phép mở rộng và nâng cấp khả năng nhập và tích hợp dữ liệu, cung cấp khả năng nhập hàng trăm loại dữ liệu vào một bảng điều khiển chung.

Sử dụng các mô hình mô phỏng dạng 3D, người dùng có thể nhanh chóng mở rộng quy mô từ một tòa nhà đơn lẻ sang danh mục hàng trăm, thậm chí hàng nghìn tòa nhà, bao gồm các thông tin về: phòng, sàn, kết cấu và thiết bị chính. Đồng thời, với các công cụ trực quan hóa như bảng màu, đối tượng cài đặt sẵn và bản đồ cơ sở cho phép người dùng có thể tùy chỉnh các cảnh được kết xuất theo ý thích.

• Xây dựng nền tảng và cộng đồng chuyên nghiệp: Nền tảng SmartWorldPro đã xây dựng Mapalyze, một kho ứng dụng dành cho các chuyên gia xây dựng, như một thư viện các công cụ phân tích. Mapalyze cung cấp cho người dùng các phân tích dựa trên AI như phân tích năng lượng mặt trời, phân tích quan điểm, phân tích xã hội học, nghiên cứu giao thông và mô phỏng tác động khí hậu. Ngoài ra, SmartWorldPro còn cung cấp nhiều phương pháp triển khai khác nhau, bao gồm các giải pháp tùy chỉnh, phần mềm dưới dạng dịch vụ (SaaS) và bộ công cụ phát triển phần mềm (SDK).

b. Mô hình Song sinh số tại Thành phố Vịnh Neom Ả Rập Xê Út

Dự án Neom là nền tảng của sáng kiến ​​Tầm nhìn 2030 của Ả Rập Xê Út, nhằm đa dạng hóa nền kinh tế, thoát khỏi sự phụ thuộc vào dầu mỏ thông qua đổi mới, tính bền vững và tiến bộ công nghệ. Dự án tích hợp các công nghệ tiên tiến, bao gồm cả bản sao kỹ thuật số, để xây dựng một mô hình thành phố xanh, giải quyết các thách thức đô thị hóa toàn cầu như biến đổi khí hậu, khan hiếm tài nguyên và khả năng sinh sống.

Bản sao kỹ thuật số đóng vai trò là công cụ nền tảng trong thiết kế và vận hành của Neom, tạo ra các bản sao ảo của các hệ thống vật lý để mô phỏng, dự đoán và tối ưu hóa. Các mô hình này tận dụng dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI) và máy học để cho phép ra quyết định chủ động. Tại Neom, Bản sao số được áp dụng trên nhiều lĩnh vực nhằm nâng cao tính bền vững của đô thị:

• Tối ưu hóa Cơ sở hạ tầng và Xây dựng: Bản sao kỹ thuật số hỗ trợ xây dựng mô-đun bằng cách mô phỏng các thành phần được thiết kế sẵn, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quy trình xây dựng. Ví dụ: máy bay không người lái thu thập dữ liệu công trường để tự động cập nhật bản sao kỹ thuật số, hỗ trợ quản lý dự án từ xa trong môi trường sa mạc đầy thách thức của Neom. Điều này giúp giảm thiểu chất thải và tiêu thụ năng lượng trong quá trình phát triển.
• Bản sao Kỹ thuật số Nhận thức Metaverse (XVRS): Neom mở rộng bản sao kỹ thuật số truyền thống thông qua XVRS, một nền tảng ảo cho phép các bên liên quan tương tác với thiết kế của thành phố. Người dùng có thể khám phá các chuyến tham quan ảo đến các khu vực như Trojena (một khu nghỉ dưỡng trên núi) hoặc tổ chức các cuộc họp ba chiều, thúc đẩy sự tham gia của công chúng và tinh chỉnh các tính năng bền vững trước khi triển khai thực tế.
• Quản lý Năng lượng và Tài nguyên: Với 2,3 triệu cảm biến IoT (có thể mở rộng lên 10 triệu vào năm 2030), bản sao kỹ thuật số phân tích các mô hình năng lượng để tối ưu hóa các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và hydro xanh. Điều này giúp tiết kiệm tới 40% chi phí quản lý năng lượng và giảm 10-15% tổn thất, phù hợp với mục tiêu 100% năng lượng tái tạo của Neom vào năm 2030.
• Di chuyển Thông minh và Giám sát Môi trường: Bản sao kỹ thuật số tích hợp với AI để quản lý giao thông, xe tự hành và chất lượng không khí, giảm 85% tắc nghẽn và khí thải thông qua phân tích dự đoán. Chúng cũng hỗ trợ tái chế nước (giảm 60% mức tiêu thụ) và quản lý chất thải để tái chế 100%. Các ứng dụng này được hỗ trợ bởi các trung tâm dữ liệu siêu quy mô, mạng 5G/6G và các khoản đầu tư AI với tổng trị giá 50 tỷ đô la, tạo ra một hệ sinh thái dựa trên dữ liệu, xử lý 8,7 exabyte thông tin mỗi ngày.

Tinh thần xanh của Neom được thể hiện rõ nét trong thiết kế, với các bản sao kỹ thuật số đóng vai trò then chốt trong việc đạt được mục tiêu không phát thải carbon và bảo vệ môi trường:

• Cấu phần The Line: là một thành phố tuyến tính dài 170 km (105 dặm) được quy hoạch trong dự án NEOM của Ả Rập Xê Út, được thiết kế như một thành phố thông minh không ô tô, trung hòa carbon, được hỗ trợ bởi AI, với tất cả các tiện ích chỉ cách 5 phút đi bộ.

Thay vì diện tích nằm ngang truyền thống, thành phố sẽ bao gồm các cộng đồng được kết nối trong một cấu trúc tòa nhà rất dài duy nhất. Thiết kế của thành phố gồm ba tầng: tầng dành cho người đi bộ trên cùng, tầng dịch vụ ở giữa và tầng dưới cùng dành cho giao thông tốc độ cao, tất cả đều được cung cấp năng lượng sạch 100%. Các bản sao kỹ thuật số tối ưu hóa cấu trúc mô-đun, dự đoán hành vi của cư dân (ví dụ: sử dụng thang máy) và tích hợp các khu vườn thẳng đứng để cải thiện chất lượng không khí.

Thành phố bảo tồn 95% diện tích đất cho thiên nhiên, sử dụng nước khử muối được tái khoáng hóa và áp dụng các thiết kế vi khí hậu để thông gió tự nhiên, hướng đến mục tiêu sử dụng 100% năng lượng tái tạo và không phát thải.

• Các biện pháp bền vững mở rộng: Bản sao kỹ thuật số cho phép bảo trì dự đoán cho mạng lưới năng lượng, nông nghiệp thông minh trong nhà kính tự động và ứng phó thảm họa, cải thiện chất lượng không khí lên 75% và mức độ hài lòng của cư dân lên 100%. Dự án bao gồm các sáng kiến ​​như nhà máy hydro xanh lớn nhất thế giới và nỗ lực tái tạo hoang dã với các loài bản địa.

c. Các lĩnh vực trọng tâm của Hệ sinh thái đổi mới sáng tạo Thành phố xanh Bulgaria

Các giải pháp Bản sao Kỹ thuật số được nêu bật qua các ví dụ của New Mexico, thành phố Vịnh Neom được trình bày trên quan điểm mang lại hiệu quả tại Thành phố Xanh. Hệ sinh thái đổi mới sáng tạo của Bulgaria sẽ tận dụng công nghệ Bản sao số áp dụng cho các lĩnh vực “Công cụ phân tích hiệu suất và tiềm năng năng lượng tái tạo (PV)”, “Phân tích Hiệu suất Năng lượng Tòa nhà” và “Lập kế hoạch Ngân sách cho Sử dụng Năng lượng và Tòa nhà”. Cụ thể:

• Công cụ phân tích hiệu suất và tiềm năng năng lượng tái tạo (PV): Bằng cách kết hợp dữ liệu đầu vào, mô hình mô phỏng và phân tích nâng cao, mô hình thành phố song sinh số sẽ trở thành nền tảng năng động và tương tác để phân tích hiệu suất năng lượng của các tòa nhà công cộng, cho phép giám sát liên tục, phân tích mô hình, tối ưu hóa và ra quyết định để đạt được mục tiêu dài hạn.

Với mục tiêu hiệu quả năng lượng trong dài hạn. Với các nguồn dữ liệu cụ thể và phương pháp kỹ thuật được đề xuất, mô hình thành phố song sinh số còn có thể hỗ trợ việc hoạch định chính sách về cải thiện hiệu suất năng lượng nói chung tại các địa điểm thí điểm và triển khai điện mặt trời trong tương lai tại thành phố.

Thông qua tích hợp dữ liệu như: khả năng cung cấp và hiệu suất năng lượng tái tạo vào PilotDigital Twin, hệ thống có thể xác định các hệ thống năng lượng tái tạo hiện có trong thành phố, đồng thời cung cấp công cụ mới để tạo mô hình đánh giá và xác định chính xác tiềm năng sản xuất của chúng. Dữ liệu này sau đó có thể được tích hợp vào Digital Twin của thành phố, cung cấp cho người dùng khả năng giám sát tiềm năng sản xuất năng lượng từ các hệ thống năng lượng tái tạo, bao gồm các chức năng cho phép đánh giá, xem xét các kịch bản khác nhau về cách đạt được các mục tiêu của thành phố cho năm 2030, đồng thời thông báo cho chủ sở hữu tòa nhà và người dân về tính khả thi kinh tế của việc lắp đặt hệ thống năng lượng tái tạo trên các tòa nhà.

• Phân tích hiệu suất năng lượng của tòa nhà: Bằng cách tích hợp vào Bản sao kỹ thuật số các dữ liệu cụ thể như: mức tiêu thụ năng lượng, đánh giá các mô hình tiêu thụ; chuẩn năng lượng để xác định các cơ hội tiết kiệm năng lượng; phân tích lớp vỏ tòa nhà để phân tích mức độ mất hoặc hấp thụ nhiệt qua tường, mái nhà, cửa sổ và cửa ra vào; đánh giá hiệu quả và hiệu suất của hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC); phân tích hệ thống chiếu sáng; hiệu quả của hệ thống chiếu sáng, bao gồm loại công nghệ chiếu sáng, điều khiển chiếu sáng và lịch trình chiếu sáng; đánh giá tính khả thi của việc tích hợp các tấm pin quang điện (PV) năng lượng tái tạo; phân tích các mô hình sử dụng, lịch trình sử dụng và tương tác của người dùng với các hệ thống tòa nhà; hệ thống có thể cung cấp thông tin thời gian thực để tòa nhà hoạt động về mặt năng lượng.

Thông qua kết nối dữ liệu liên quan đến đặc điểm cách nhiệt của tòa nhà, thông số kỹ thuật thiết bị, dữ liệu thời tiết, mô hình sử dụng và các dữ liệu khác vào nền tảng Bản sao số để có thể sử dụng dự đoán mức tiêu thụ năng lượng, xác định các biện pháp tiết kiệm năng lượng và đánh giá tác động của chúng; đánh giá các yếu tố chất lượng môi trường trong nhà của tòa nhà như sự thoải mái về nhiệt, chất lượng không khí trong nhà, mức độ chiếu sáng; phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sức khỏe, năng suất và sự thoải mái của người sử dụng; xác định các cơ hội cải thiện nhằm nâng cao chất lượng môi trường trong nhà đồng thời duy trì hiệu quả sử dụng năng lượng.

• Lập kế hoạch ngân sách cho sử dụng năng lượng và tòa nhà: Bằng cách tích hợp dữ liệu liên quan đến chi phí và giá cả tài nguyên lịch sử vào Bản sao số, hệ thống có thể giúp các chuyên gia của thành phố Burgas ước tính tốt hơn nhu cầu đầu tư, xác định các ưu tiên cho các khoản đầu tư tiềm năng tại địa phương, đánh giá các cơ chế tài chính và mô hình kinh doanh nhằm cải thiện các chỉ số hiệu quả năng lượng và hiệu suất năng lượng tổng thể của thành phố, đảm bảo phù hợp với các mục tiêu chiến lược của thành phố. Việc triển khai các thiết bị IoT cụ thể, dữ liệu bổ sung cho phép phân tích sâu hơn về các loại hình tiêu thụ năng lượng cụ thể trong từng tòa nhà...

Lời kết

Khái niệm thành phố thông minh ban đầu được phát triển một phần nhằm đáp ứng nhận thức ngày càng cao về các vấn đề môi trường, bao gồm cả sự nóng lên toàn cầu. Sự xuất hiện của nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm IoT, AI và Dữ liệu lớn, đã giúp thu thập, phân tích và sử dụng nhiều dạng dữ liệu khác nhau mà trước đây bị bỏ qua. Giờ đây, với công nghệ Bản sao số có thể giúp các thành phố tạo ra một bản sao động và ảo của cơ sở hạ tầng vật lý và các quy trình hoạt động của một thành phố, tạo điều kiện cho việc phân tích, mô phỏng và tối ưu hóa chuyên sâu các khía cạnh quy hoạch đô thị khác nhau như: Chi phí, năng lượng, lượng khí thải carbon… Đồng thơi công nghệ Bản sao số cũng có thể cho phép các thành phố mô phỏng hoặc thường xuyên kiểm tra hiệu quả của các chính sách, biện pháp khác nhau để đảm bảo các mục tiêu đề ra.

Người thực hiện

Lê Việt Hưng

Phòng Dịch vụ số - Cục Chuyển đổi số quốc gia

Tài liệu tham khảo:

1. https://living-in.eu/news/driving-climate-transition-digital-tools-and-local-digital-twins

2. https://www.siemens.com/global/en/company/insights/digital-twins-powering-sustainable-urbanization.html

3. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-031-35664-3_10

4. https://www.mdpi.com/2071-1050/16/19/8337

5. https://pursuit.unimelb.edu.au/articles/creating-digital-twins-to-save-our-cities

6. https://www.pwc.com/m1/en/publications/documents/how-digital-twins-can-make-smart-cities-better.pdf