Lời nói đầu

Với ý tưởng thành phố thông minh là động lực chính thúc đẩy các sáng kiến ​​chuyển đổi số của các khu vực đô thị. Điều này cơ bản bao gồm các yếu tố công nghệ, con người và thể chế cùng nhau nâng cao khả năng quản lý nhiều lĩnh vực đô thị khác nhau như: giao thông, môi trường, năng lượng, chất thải, an toàn công cộng và giáo dục. Trong bối cảnh này, việc tích hợp các công nghệ tiên tiến, đặc biệt là việc triển khai Bản sao kỹ thuật số đô thị, sẽ giúp tăng cường hiệu quả quản lý các lĩnh vực này của các thành phố thông minh.

Bản sao kỹ thuật số đô thị này sẽ bao gồm các khía cạnh cốt lõi của thành phố thông minh như: cơ sở hạ tầng công nghệ, nguồn nhân lực và cơ cấu quản trị… Đồng thời ứng dụng của chúng được mở rộng sang các lĩnh vực quan trọng như quy hoạch đô thị, cơ sở hạ tầng vật chất và ICT, các giải pháp thông minh. Bên cạnh đó, sự kết hợp, bổ sung các lĩnh vực như quản lý khác như: thiên tai, du lịch và hoạt động kinh tế sẽ tạo thành một khuôn khổ thành phố thông minh không chỉ thúc đẩy tính bền vững về môi trường và kinh tế mà còn hỗ trợ phát triển đô thị với khả năng phục hồi và thích ứng tốt hơn.

Các khía cạnh hoạt động của Bản sao kỹ thuật số của thành phố thông minh

Quá trình phát triển mô hình Bản sao kỹ thuật số của một thành phố thông minh có thể tuân theo hệ thống phân cấp dữ liệu và thông tin gồm sáu lớp, từ cấp độ cơ bản nhất đến cấp độ cao nhất. Mô hình này, như được mô tả trong hình bên dưới bao gồm sáu lớp riêng biệt: địa hình, tòa nhà, cơ sở hạ tầng, tính di động, lớp kỹ thuật số/thành phố thông minh và lớp ảo/bản sao kỹ thuật số

Các lớp này được mô tả như sau:

• Lớp địa hình: Đây là lớp đầu tiên, là nền tảng để lập bản đồ địa lý vật lý của thành phố bao gồm các yếu tố địa hình, địa chất và thủy văn. Lớp này trình bày chi tiết các đặc điểm tự nhiên như nguồn nước, độ dốc và loại đất, điều này rất quan trọng để hiểu rõ bối cảnh môi trường và các thách thức tiềm ẩn của thành phố. Lớp này có thể được sử dụng để mô hình hóa các rủi ro liên quan đến nước như xây dựng các kịch bản lũ lụt thông qua các thông tin chi tiết có giá trị về động lực lũ lụt, như cách dòng nước chảy qua địa hình đô thị, xác định các khu vực có nguy cơ cao tiềm ẩn và đánh giá hiệu quả của cơ sở hạ tầng quản lý nước hiện có. Thông tin này rất cần thiết để phát triển các biện pháp và chiến lược chủ động nhằm ngăn ngừa hoặc giảm thiểu tác động của các rủi ro như lũ lụt , động đất và điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

• Lớp tòa nhà: Đây là lớp thứ hai, lớp tòa nhà trong Bản sao kỹ thuật số thành phố được tạo ra bởi kết hợp các mô hình chi tiết về các tòa nhà hiện có, sử dụng BIM, quét laser 3D và dữ liệu 3D, để tạo ra các biểu diễn ảo chính xác về môi trường xây dựng. Các Bản sao kỹ thuật số sử dụng các công nghệ như AI, máy học và mô hình ngữ nghĩa có thể phân loại các tòa nhà theo mức sử dụng năng lượng của chúng. Ngoài ra, việc giám sát và đánh giá theo thời gian thực về mức sử dụng năng lượng của các tòa nhà được tích hợp vào lớp này, góp phần đáng kể vào việc quản lý hiệu quả năng lượng và phát thải carbon trong các tòa nhà. Những tích hợp này đảm bảo rằng lớp tòa nhà không chỉ đại diện cho cấu trúc vật lý của môi trường đô thị mà còn đóng vai trò là một công cụ năng động để quản lý năng lượng bền vững và hiệu quả, đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tổng lượng khí thải carbon của thành phố.

• Lớp cơ sở hạ tầng: Lớp thứ ba kết hợp các dịch vụ và cơ sở hạ tầng cơ bản, bao gồm đường bộ, điện, viễn thông, phân phối nước và mạng lưới cống rãnh có nguồn gốc từ các cơ sở dữ liệu toàn diện như “OpenStreetMap” và được tăng cường bằng bản đồ 3D để có độ chính xác về địa hình. Bản sao kỹ thuật số giám sát và bảo trì cơ sở hạ tầng của thành phố như đường bộ và tiện ích, tích hợp dữ liệu vào các mô hình BIM và GIS để tập trung vào tình trạng và chức năng của các cấu trúc thiết yếu của thành phố. Ví dụ như ứng dụng Bản sao kỹ thuật số trong mô hình hóa thời gian thực của mạng lưới nước mưa đô thị có liên quan đến lớp này, giúp quản lý cơ sở hạ tầng liên quan đến phân phối và chất lượng nước.

• Lớp di động: Lớp thứ tư mà ở đây, chuyển động của con người và hàng hóa được mô phỏng, tích hợp nhiều phương thức và hành vi vận chuyển khác nhau để hiểu các mô hình giao thông và tối ưu hóa khả năng di chuyển trong đô thị. Các dữ liệu được thu thập từ giám sát video, cơ sở dữ liệu giao thông công cộng và cảm biến được sử dụng để mô hình hóa luồng giao thông và cải thiện hệ thống giao thông.

• Lớp kỹ thuật số/Thành phố thông minh: Lớp thứ năm, lớp kỹ thuật số/Thành phố thông minh của Bản sao kỹ thuật số trở thành trung tâm để tích hợp các cảm biến IoT trên toàn bộ đô thị. Các cảm biến này thu thập một loạt dữ liệu khổng lồ, rất quan trọng để theo dõi thời gian thực và quản lý hiệu quả nhiều dịch vụ đô thị khác nhau. Bao gồm giao thông, cơ sở hạ tầng, xử lý chất thải, an toàn, thể chế, chăm sóc sức khỏe và các tiện ích cộng đồng khác. Lớp này thu thập dữ liệu cần thiết để mô phỏng trong lớp thứ sáu (Lớp ảo/Bản sao kỹ thuật số) tiếp theo, nó lấy dữ liệu đầu vào từ các lớp trước đó. Sau đó, thông tin chi tiết thu được từ các mô phỏng sẽ được phân phối trên khắp các lớp của thành phố dưới dạng “Trí thông minh có thể hành động - Actionable intelligence”. Các nguồn dữ liệu trong lớp này rất đa dạng, bao gồm dữ liệu công dân, thiết bị di động và tài sản trên toàn bộ đô thị.

• Lớp ảo/Bản sao kỹ thuật số: Lớp thứ sáu này là một thành phần tích hợp sử dụng dữ liệu từ thứ năm (Lớp kỹ thuật số/Thành phố thông minh) để mô phỏng và phân tích nâng cao, rất quan trọng đối với quy hoạch và quản lý đô thị. Lớp này được kết nối hiệu quả với thứ năm sẽ cho phép luồng dữ liệu hai chiều, đóng vai trò quan trọng trong các trường hợp sử dụng cụ thể như:

• Quy hoạch năng lượng tái tạo, trong đó dữ liệu gió cung cấp thông tin cho các mô phỏng về vị trí và kích thước tối ưu của các tua-bin gió, đánh giá các yếu tố như tác động trực quan và tuyến đường dẫn hướng.
• Xây dựng công trình. Lớp này đánh giá tác động của các công trình mới đối với sự phân bố ánh sáng mặt trời và tính toàn vẹn của kết cấu dựa trên dữ liệu gió và địa chấn.
• Tăng cường khả năng tương tác, thu hút người dân tham gia vào quá trình phát triển đô thị, cho phép họ cung cấp phản hồi về các đề xuất như thiết kế tòa nhà mới, công viên… đảm bảo tính tham gia trong quy hoạch đô thị. Bên cạnh đó, nền tảng tương tác này còn cung cấp thông tin cho chính quyền, các hội đồng của thành phố và các nhà quy hoạch đô thị, tạo điều kiện cho việc ra quyết định sáng suốt… cũng như cho phép Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh trở thành một công cụ năng động để trực quan hóa, thử nghiệm và quản lý đô thị theo phương pháp cộng tác.

Các giai đoạn phát triển của Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh

Sự phát triển của một Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh bao gồm sự tích hợp tinh vi giữa các lĩnh vực vật lý và ảo hóa, được đề xuất thành sáu giai đoạn liên kết để áp dụng. Nó bao gồm sáu giai đoạn riêng biệt: Tạo lập, Tương tác, Tổng hợp, Phân tích, Tri thức và Quyết định (Hình 2).

Hình 2. Các giai đoạn phát triển Bản sao kỹ thuật số.

Đầu tiên, giai đoạn “Tạo lập” đặt nền tảng bằng cách lắp ráp một Mô hình thông tin thành phố (CIM) từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau, bao gồm các chỉ số cảm biến và hệ thống thông tin thành phố hiện có.

Trong giai đoạn “Tương tác”, giao tiếp hai chiều theo thời gian thực được thiết lập giữa các đối tác vật lý và ảo hóa của thành phố, được sử dụng các công nghệ điện toán biên và giao tiếp tiên tiến.

Sau đó, giai đoạn “Tổng hợp” tập trung hóa và tinh chỉnh dữ liệu này, đảm bảo dữ liệu sẵn sàng để phân tích.

Trong giai đoạn “Phân tích”, các kỹ thuật AI và điện toán nhận thức được áp dụng để trích xuất những tri thức có ý nghĩa.

Giai đoạn “Tri thức” sử dụng những hiểu biết này và chuyển chúng thành các định dạng trực quan, như mô hình 3D và bảng thông tin để làm nổi bật các lĩnh vực có khả năng cải thiện.

Cuối cùng, giai đoạn “Quyết định” chuyển những hiểu biết này thành các chiến lược, kế hoạch khả thi có thể hành động, nhằm mục đích nâng cao hoạt động của thành phố vật lý đã được được mô hình hóa trong Bản sao kỹ thuật số của thành phố.

Một số trường hợp cụ thể trên thế giới

Hiện nay trên thế giới, tùy vào chiến lược phát triển cụ thể, một số thành đã tạo ra các Bản sao kỹ thuật số riêng để thúc đẩy sự phát triển bền vững, nâng cao khat năng phục hồi chống lũ lụt và các thảm họa môi trường.

Bản sao kỹ thuật số của thành phố Lisbon được xây dựng xuất phát từ sự gia tăng của biến đổi khí hậu đặc biệt ảnh hưởng đến các khu vực ven biển và vùng đô thị trũng thấp. Đó chính là nguy cơ Lisbon phải đối mặt với những trận mưa thường xuyên và cực đoan và một cơ sở hạ tầng thoát nước không đầy đủ có thể dẫn đến nguy cơ lũ lụt, gia tăng thiệt hại cho tài sản. Bản sao kỹ thuật số này tạo ra các mô phỏng lũ lụt đô thị với dữ liệu thời gian thực có thể cung cấp thông tin cho chính quyền thành phố để đánh giá rủi ro lũ lụt, quản lý các trường hợp khẩn cấp và ra các quyết định kịp thời, sáng suốt. Ngoài ra, Bản sao kỹ thuật số này có thể giúp chính quyền thành phố qui hoạch và phát triển một kế hoạch toàn diện, tổng thể liên quan đến hệ thống điều tiết, thoát nước của thành phố.

Trong trường hợp Singapore, với mục tiêu hướng đến hạ nhiệt độ. Thông qua Bản sao kỹ thuật số cho phép chính quyền Singapore xem xét kỹ lưỡng tác động của các dự án bất động sản phát triển mới đến môi trường. Đối với những đề xuất xây dựng một tòa nhà mới, mô hình ảo được sử dụng để phân tích tác động của dự án đến luồng gió, bóng râm và hiệu ứng đảo nhiệt đô thị… Mô hình của Singapore bao gồm hơn 3 triệu hình ảnh được chụp từ mặt đường và 160.000 hình ảnh chụp từ trên không, cùng với hàng tỷ điểm dữ liệu được biểu diễn dưới dạng 3D, tổng cộng hơn 100 terabyte dữ liệu thô. Nền tảng của mô hình sẽ dựa trên 14 bộ dữ liệu cốt lõi về mọi thứ, từ sử dụng đất, thảm thực vật đến các tiện ích ngầm cho phép thể hiện chính xác thành phố một cách dễ dàng hơn. Việc cho phép tích hợp dữ liệu thời gian thực có thể tạo ra những hiểu biết sâu sắc hơn và tạo điều kiện cho các mô phỏng chính xác đối với các lĩnh vực của các thành phố.

Lời kết

Về bản chất, Bản sao kỹ thuật số Thành phố thông minh đóng vai trò là mô hình tương tác, năng động không chỉ phản ánh trạng thái hiện tại của môi trường đô thị mà còn dự đoán các điều kiện trong tương lai và đưa ra các quyết định để định hình, hình thành nên thành phố trên thực tế. Quá trình lặp đi lặp lại này đảm bảo sự phát triển song song cùng với Thành phố của Bản sao kỹ thuật số mà nó đang đại diện, cung cấp một giao diện cho phép người dùng quan sát quá khứ, hiện tại và tương lai của thành phố cũng như cung cấp một công cụ mạnh mẽ cho quy hoạch và quản lý đô thị.

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