Bản sao kỹ thuật số (Digital Twin -DT) là bản sao ảo của một quá trình vật lý, như một tòa nhà, thành phố, trái đất, một cảng biển, một thiết bị y tế hoặc một thực thể khác, phản ánh chính xác hoạt động của nó thông qua dữ liệu thời gian thực được cập nhật liên tục.

Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh cho phép giúp tối ưu hóa hiệu suất của thành phố thông minh, thu hẹp khoảng cách giữa các khái niệm lý thuyết và các can thiệp thực tế của thành phố. Nó có thể thu thập dữ liệu thời gian thực, cho phép trực quan hóa tất cả các nguồn lực và tương tác trong thành phố, sau đó giúp theo dõi cơ sở hạ tầng, tiện ích, doanh nghiệp và lập kế hoạch phát triển trong tương lai. Nó cung cấp thông tin chi tiết về hiệu quả hoạt động của đô thị, thúc đẩy các biện pháp thực tế như sửa đổi quy hoạch, thiết kế thành phố hoặc phương pháp vận chuyển mới.

Thông qua lược dịch các tài liệu liên quan, bài viết này sẽ giới thiệu một số ứng dụng của Bản sao kỹ thuật số trong quy hoạch đô thị và lĩnh vực thành phố thông minh như: giám sát tòa nhà, quy hoạch đô thị, kinh tế tuần hoàn, giao thông, giảm thiểu rủi ro, chăm sóc sức khỏe và tính bền vững…

Các trường hợp sử dụng Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh

Các trường hợp sử dụng trong Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh bao gồm: dự đoán và mô hình hóa kịch bản, chuẩn bị cho các trường hợp khẩn cấp, tối ưu hóa chức năng và xây dựng chiến lược. Bên cạnh đó, các ứng dụng trong phát triển và quản lý đô thị, giao thông, môi trường và năng lượng, và thảm họa cũng rất được các thành phố và các hãng công nghệ quan tâm nghiên cứu. Những khía cạnh ứng dụng khác nhau này được phân loại thành chín lĩnh vực ứng dụng trong Bảng dưới đây.

Bảng. Các khía cạnh ứng dụng của Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh.

• Quản lý tính di động

Bản sao kỹ thuật số từ góc nhìn ứng dụng quản lý tính di động bao gồm một cách tiếp cận toàn diện để tối ưu hóa hệ thống giao thông và vận tải đô thị. Sử dụng dữ liệu từ giám sát video, cơ sở dữ liệu giao thông công cộng và cảm biến, Bản sao kỹ thuật số mô hình hóa và mô phỏng các mô hình giao thông, bao gồm lưu lượng giờ cao điểm dựa trên nhiều phương thức vận tải khác nhau như đường bộ, phương tiện giao thông cá nhân và phương tiện giao thông công cộng. Các mô phỏng này cho phép tối ưu hóa lưu lượng giao thông hiệu quả, quản lý hoạt động đội xe và cải tiến hệ thống giao thông công cộng. Các công cụ như phần mềm theo dõi GPS và quản lý giao thông đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích dữ liệu và thực hiện các thay đổi để cải thiện tính di động tổng thể và giảm tắc nghẽn.

• Quy hoạch đô thị

Trong quy hoạch đô thị, Bản sao kỹ thuật số tận dụng các phương pháp cải tiến như đám mây điểm do LiDAR tạo ra và dữ liệu thiết bị IoT để tạo ra các mô hình thành phố 3D không gian của các thành phố, cho phép biểu diễn chi tiết và không giám sát về môi trường đô thị. Cách tiếp cận này đóng vai trò then chốt trong việc giải quyết các thách thức phức tạp về mô hình hóa thành phố, nâng cao độ chính xác và tiện ích của Bản sao kỹ thuật số đô thị. Điều này cho phép trực quan hóa và lập kế hoạch kịch bản cho các đề xuất phát triển đô thị, tạo điều kiện cho việc lập kế hoạch có sự tham gia và thực hiện chính sách. Hơn nữa, việc kết hợp các công nghệ không gian tiên tiến bổ sung như GIS, BIM, AI và công nghệ máy học tạo thành một hệ thống quản lý dữ liệu tích hợp, rất quan trọng để tạo ra các Bản sao kỹ thuật số năng động, có khả năng phản hồi của các thành phố. Bản chất nhiều lớp của Bản sao kỹ thuật số cho phép mô phỏng toàn diện, cung cấp phản hồi trực quan về những đề xuất thay đổi đô thị và dự đoán những hậu quả tiềm ẩn. Chính những điều này làm cho quy hoạch đô thị trở nên năng động, toàn diện và hiệu quả hơn.

• Quản lý cơ sở hạ tầng công cộng

Bản sao kỹ thuật số trong quản lý cơ sở hạ tầng công cộng tập trung vào việc giám sát và bảo trì cơ sở hạ tầng quan trọng của thành phố như đường sá, cầu cống và tiện ích. Thông qua sử dụng các cảm biến để theo dõi tình trạng kết cấu công trình, thu thập dữ liệu môi trường và tích hợp dữ liệu này vào các mô hình BIM và hệ thống thông tin không gian địa lý. Các công cụ mô phỏng này được sử dụng để kiểm tra cơ sở hạ tầng trong nhiều tình huống khác nhau, hướng dẫn lập lịch bảo trì và điều chỉnh dịch vụ theo thời gian thực. Việc tích hợp các cảm biến IoT, BIM, GIS và phần mềm phân tích kết cấu cho phép quản lý hiệu quả cơ sở hạ tầng đô thị, đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất tối ưu của cơ sở hạ tầng.

• Khả năng phục hồi và quản lý thảm họa

Bản sao kỹ thuật số đang nổi lên như một công cụ mô phỏng mạnh mẽ trong quản lý rủi ro và khả năng phục hồi trong môi trường đô thị. Các rủi ro liên quan đến nước, đặc biệt là lũ lụt, đã trở thành trọng tâm của Bản sao kỹ thuật số thủy văn, khi nó được liên kết với Bản sao kỹ thuật số giao thông và quy hoạch đô thị sẽ tạo ra mô hình hóa các kịch bản lũ lụt, cung cấp những hiểu biết có giá trị về động lực lũ lụt và các biện pháp phòng ngừa tiềm năng để tạo ra một không gian đô thị an toàn hơn. Ngoài ra, khi kết hợp nó với các dữ liệu cảm biến giao thông, tòa nhà, môi trường… cho phép mô hình hóa các rủi ro thiên tai khác như động đất và các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt để từ đó thiết lập các mô phỏng cho các chiến lược ứng phó khẩn cấp, các kế hoạch chuẩn bị phối hợp ứng phó hiệu quả giữa các bên liên quan trong thành phố để giảm nhẹ thiên tai, tăng cường khả năng phục hồi của đô thị.

• Quản lý năng lượng

Bản sao kỹ thuật số sử dụng các công nghệ tiên tiến như AI, ML và mô hình ngữ nghĩa để nâng cao hiệu quả năng lượng và quy trình ra quyết định trong các thành phố thông minh. Mô hình ngữ nghĩa và lý luận này hình thành trên quy tắc dựa trên dữ liệu đã được thu thập và xử lý, cho phép xác định các mẫu và tự động hóa các quyết định. Phương pháp tiếp cận này tạo ra một mô hình để phân loại các tòa nhà và khu vực đô thị theo mục đích quản lý sử dụng năng lượng tốt hơn. Hơn nữa, các mô hình quy mô lớn cho phép biểu diễn dưới dạng 3D để mô phỏng mức tiêu thụ năng lượng, cung cấp cơ sở để đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng ở cấp thành phố, để từ đó giúp xác định các chiến lược tốt nhất cho phát triển đô thị bền vững và hỗ trợ việc thực hiện các chính sách về năng lượng và môi trường .

Hơn nữa, thông qua dữ liệu thời gian thực, tích hợp các công nghệ BIM và IoT, các nền tảng Bản sao kỹ thuật số cho phép chuyển đổi dữ liệu năng lượng thô thành thông tin chi tiết, trực quan có giá trị về mức sử dụng năng lượng của các tòa nhà hay cung cấp thông tin về chất lượng môi trường… còn đồng thời giúp chính quyền đô thị xây dựng các chiến lược tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

• Quản lý nước và tài nguyên

Bản sao kỹ thuật số ngày càng đóng vai trò quan trọng trong quản lý tài nguyên, hỗ trợ xác định các khu vực tối ưu để đầu tư cơ sở hạ tầng. Công nghệ Bản sao kỹ thuật số cũng được áp dụng để mô hình hóa thời gian thực của mạng lưới nước mưa đô thị, cung cấp một cách tiếp cận chủ động để quản lý các sự kiện tràn và chất lượng nước. Một nguyên mẫu Bản sao kỹ thuật số ở thành phố Newcastle, Vương quốc Anh, được triển khai để nhằm mục đích theo dõi sự cố mạng lưới nước và quản lý tác động của lượng mưa lớn, trong khi thành phố Valencia, Tây Ban Nha, đã triển khai Bản sao kỹ thuật số để quản lý mạng lưới phân phối nước của mình.  

• Quản lý môi trường và carbon

Thông qua giám sát ô nhiễm, quản lý chất thải và đánh giá chuẩn môi trường theo thời gian thực về việc sử dụng năng lượng trong đô thị, Bản sao kỹ thuật số đang chứng tỏ là công cụ thúc đẩy các nỗ lực quản lý môi trường và carbon. Chúng sử dụng nhiều loại dữ liệu, bao gồm cả động lực giao thông, để dự đoán và giảm thiểu ô nhiễm không khí. Khả năng dự đoán này cho phép thực hiện các biện pháp chủ động trong quản lý giao thông, giảm phát thải. Hơn nữa, dựa trên GIS tích hợp GIS, BIM và IoT để cung cấp dữ liệu ô nhiễm theo thời gian thực, được tích hợp vào lớp dữ liệu của mô hình ứng dụng Bản sao kỹ thuật số sẽ tạo ra công cụ chủ yếu để thúc đẩy các nỗ lực quản lý môi trường và carbon. Trường hợp Bản sao kỹ thuật số quy mô thành phố của Herrenberg được kết hợp dữ liệu cảm biến vào các mô hình tính toán cho phép mô phỏng ô nhiễm không khí, trực quan hóa mức độ ô nhiễm, giải quyết các vấn đề môi trường chính của thành phố.

Hơn nữa, tiềm năng của Bản sao kỹ thuật số trong việc cách mạng hóa quản lý chất thải trong các thành phố thông minh hướng đến mục tiêu phát triển bền vững không chất thải. Thông qua việc tích hợp công nghệ IoT và thị giác máy tính Bản sao kỹ thuật số tạo ra các quy trình hiệu quả như cho phép theo dõi mức độ lấp đầy của thùng rác thông minh, đề xuất các tuyến thu gom rác hiệu quả và tự động thông báo cho các nhóm thu gom. Điều này không chỉ hợp lý hóa quản lý hậu cần chất thải mà còn góp phần giảm lượng khí thải carbon liên quan đến các dịch vụ thu gom rác thải….

Lời kết

Tóm lại, với khả năng mô phỏng, dự đoán và quản lý các hệ thống đô thị, Bản sao kỹ thuật số cung cấp một con đường tiềm năng cải thiện quy hoạch đô thị, cách tiếp cận có tư duy tiến bộ để hỗ trợ tính bền vững trong môi trường đô thị góp phần xây dựng một thành phố thông minh hơn.

Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật, để tạo ra một mô hình một-một về thế giới thực vẫn là điều bất khả thi, đặt ra một thách thức lớn cho Bản sao kỹ thuật số thành phố thông minh. Vì vậy, việc đưa ra quyết định phải đưa những khía cạnh nào của thành phố vào phát triển Bản sao kỹ thuật số cần phải dựa trên thực trạng, nhu cầu hiện tại và mục tiêu lâu dài của thành phố. Những quyết định này đóng vai trò trung tâm trong việc xác định bản sắc của Bản sao kỹ thuật số của thành phố đó.

Người thực hiện

Lê Việt Hưng

Phòng Dịch vụ số - Cục Chuyển đổi số quốc gia

Tài liệu tham khảo:

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

https:// doi.org/10.36680/j.itcon.2021.045

https:// learning.oreilly.com/library/view/digital-twin-and/9781394303533/

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2210670724004086#bib0024

https://www3.weforum.org/docs/WEF_Global_Digital_Twin_Cities_Framework_and_Practice_2022.pdf