Giới thiệu

Gartner là một tổ chức nghiên cứu và tư vấn hàng đầu thế giới về công nghệ thông tin, cung cấp thông tin chuyên sâu, phân tích thị trường và tư vấn chiến lược. Trong các báo cáo “Xu hướng công nghệ chiến lược hàng đầu năm 2022” của Gartner, công nghệ Bản sao kỹ thuật số - Digital Twins như một phần của hệ thống tự động được đánh giá là một trong 12 xu hướng công nghệ chiến lược hàng đầu. Tại báo cáo “Xu hướng công nghệ chiến lược hàng đầu năm 2023”, công nghệ Vũ trụ ảo - Metaverse là công nghệ đứng thứ chín trong top 10 xu hướng công nghệ chiến lược hàng đầu được Gartner dự đoán sẽ nổi lên trong vòng 4 đến 5 năm tới và đến năm 2027, hơn 40% các tổ chức lớn trên toàn thế giới sẽ sử dụng kết hợp Web3, điện toán không gian và Bản sao số trong các dự án dựa trên Metaverse để tăng doanh thu.

Bên cạnh đó, năm 2022, Diễn đàn Kinh tế Thế giới đã công bố báo cáo chuyên sâu về khuôn khổ và các hoạt động toàn cầu cho Thành phố song sinh kỹ thuật số (Digital Twin City) và Liên đoàn các thành phố quốc gia đã công bố báo cáo về Thành phố Metaverse. Cả hai báo cáo đều nhấn mạnh rằng “các bản sao kỹ thuật số đã trở thành một thành phần quan trọng của các thành phố thông minh, cho phép tạo ra các bản sao ảo của tài sản vật lý, hệ thống và quy trình và khái niệm về siêu vũ trụ có thể chuyển đổi cách chúng ta tương tác với các thành phố thông minh, tạo ra cầu nối liền mạch giữa thế giới vật lý và thế giới kỹ thuật số”.

Định nghĩa về Bản sao kỹ thuật số

Năm 2002, khái niệm Bản sao kỹ thuật số được mô tả như một tập hợp các mô hình kỹ thuật số được xây dựng trong không gian ảo để tương tác với các thực thể vật lý và mô tả đầy đủ hoạt động của các thực thể vật lý trong suốt vòng đời của chúng. Sau đó, Bản sao kỹ thuật số - Digital Twin được định nghĩa là sự tích hợp các quy trình mô phỏng đa ngành và đa tỷ lệ bằng cách tận dụng tối đa các mô hình vật lý, cảm biến, lịch sử vận hành và các dữ liệu khác… Bản sao kỹ thuật số hoạt động như một hình ảnh phản chiếu của sản phẩm vật lý trong không gian ảo và phản ánh toàn bộ vòng đời của thực thể vật lý.

Thành phố song sinh kỹ thuật số - Digital Twin City trong quy hoạch và xây dựng các thành phố thông minh.

Được dựa trên các hệ thống công nghệ thông tin về: nhận dạng kỹ thuật số, nhận thức tự động, kết nối mạng, điện toán toàn diện, điều khiển thông minh và các dịch vụ nền tảng… để tái tạo một thành phố kỹ thuật số từ một thành phố vật lý trong không gian kỹ thuật số, với mô phỏng ảnh ba chiều, giám sát động, chẩn đoán thời gian thực và dự đoán chính xác trạng thái của thực thể thành phố vật lý trong môi trường thực. Để đạt được điều này cần phải số hóa và ảo hóa tất cả các yếu tố của thành phố, mô phỏng toàn bộ đô thị theo thời gian thực để đảm bảo vận hành và quản lý đô thị một cách thông minh.

Khái niệm “Thành phố song sinh kỹ thuật số” được đề xuất từ góc độ của một nền tảng đô thị, là một nền tảng ảo đô thị thông minh, hỗ trợ Internet vạn vật (IoT), tích hợp và phân tích làm giàu dữ liệu để mô phỏng những thay đổi xảy ra trong thành phố thực để cải thiện khả năng phục hồi, tính bền vững… của các thành phố.

Tầm quan trọng của Bản sao kỹ thuật số trong Thành phố thông minh

Từ năm 2019, khái niệm Thành phố song sinh kỹ thuật số đã được quảng bá rộng rãi và được coi là một mô hình ứng dụng mới, tận dụng dữ liệu thời gian thực, cảm biến Internet vạn vật (IoT), tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, cung cấp thông tin chi tiết theo thời gian thực, phân tích nâng cao để giám sát, tạo điều kiện cho phân tích dự đoán và hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch và quản lý đô thị. Một số cách thức mà Bản sao kỹ thuật số có thể hỗ trợ các thành phố thông minh bao gồm:

• Tích hợp IoT và Dữ liệu lớn: Bản sao kỹ thuật số dựa trên các cảm biến IoT được nhúng trong cơ sở hạ tầng đô thị để thu thập dữ liệu về mức tiêu thụ năng lượng, mô hình giao thông, chất lượng không khí, quản lý chất thải,... Dữ liệu này được xử lý và phân tích bằng các kỹ thuật dữ liệu lớn để tạo ra những thông tin chi tiết hữu ích nhằm cải thiện dịch vụ đô thị, tính bền vững và quản lý tài nguyên.

• Giám sát và Phân tích dự đoán theo thời gian thực: Bản sao kỹ thuật số cho phép giám sát tài sản vật lý và hệ thống theo thời gian thực, cung cấp cái nhìn toàn diện về trạng thái hoạt động của chúng. Bằng cách phân tích dữ liệu lịch sử và thời gian thực, các bản sao ảo này cũng có thể dự báo các điều kiện trong tương lai, cho phép ra quyết định chủ động để giảm thiểu các vấn đề và tối ưu hóa việc phân bổ nguồn lực.

• Quy hoạch và Thiết kế Đô thị: Bản sao kỹ thuật số giúp các nhà quy hoạch đô thị và kiến trúc sư mô phỏng tác động của các dự án cơ sở hạ tầng mới hoặc thay đổi chính sách trước khi triển khai. Bằng cách tạo ra các bản sao ảo của các dự án phát triển được đề xuất, các nhà quy hoạch đô thị có thể đánh giá các yếu tố như lưu lượng giao thông, mức tiêu thụ năng lượng và tác động môi trường, tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu chi phí điều chỉnh.

• Nâng cao hiệu quả vận hành: Bản sao số tối ưu hóa hiệu quả vận hành của các thành phố thông minh bằng cách cho phép dự đoán bảo trì. Việc liên tục giám sát và phân tích dữ liệu thời gian thực từ các cảm biến có thể dự đoán các lỗi tiềm ẩn hoặc các vấn đề liên quan hiệu suất, cho phép các nhóm bảo trì được chủ động giải quyết vấn đề và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.

• Sự tham gia và tương tác của người dân: Bản sao kỹ thuật số thúc đẩy sự tham gia của người dân thông qua cung cấp một nền tảng tương tác để người dân truy cập và đóng góp dữ liệu. Người dân có thể báo cáo các vấn đề, cung cấp phản hồi và truy cập thông tin theo thời gian thực về các dịch vụ như giao thông, quản lý chất thải và an toàn công cộng… Giúp tăng cường tính minh bạch và sự hợp tác giữa chính quyền thành phố và người dân.

• Khả năng phục hồi và ứng phó khẩn cấp: Bản sao kỹ thuật số đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao khả năng phục hồi của các thành phố thông minh. Thông qua việc mô phỏng các kịch bản và tình huống khẩn cấp khác nhau như thiên tai hoặc tấn công khủng bố… Chính quyền thành phố có thể hiểu rõ hơn các tác động tiềm ẩn, tối ưu hóa kế hoạch ứng phó khẩn cấp và phân bổ nguồn lực hiệu quả.

• Bảo mật và Quyền riêng tư dữ liệu: Bản sao kỹ thuật số thường phụ thuộc vào lượng lớn dữ liệu nhạy cảm, việc đảm bảo bảo mật và quyền riêng tư dữ liệu là tối quan trọng. Mã hóa tiên tiến, cơ chế xác thực và kỹ thuật ẩn danh dữ liệu được sử dụng để bảo vệ dữ liệu công dân và ngăn chặn truy cập trái phép.

• Tích hợp với các công nghệ mới nổi: Bản sao kỹ thuật số ngày càng được tích hợp với các công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo (AI), học máy (ML) và thực tế tăng cường (AR). Các thuật toán AI và ML nâng cao khả năng phân tích dữ liệu và nhận dạng mẫu, trong khi AR cung cấp hình ảnh trực quan và lớp phủ nhập vai để hỗ trợ ra quyết định và quy hoạch đô thị.

• Khả năng tương tác và Tiêu chuẩn: Cho phép tích hợp và trao đổi dữ liệu liền mạch giữa các bản sao số và hệ thống đô thị khác nhau, việc phát triển các tiêu chuẩn tương tác rất quan trọng đòi hỏi sự hợp tác mạnh mẽ giữa các tổ chức và liên minh công nghiệp. Đồng thời khuôn khổ mở sẽ đảm bảo khả năng tương thích và thúc đẩy sự hợp tác.

Việc phát triển một thành phố song sinh số cần chín yếu tố, đại diện cho một khuôn khổ, bao gồm:

• Bốn yếu tố cốt lõi: (1) Cơ sở hạ tầng; (2) Tài nguyên dữ liệu;(3) Năng lực nền tảng; và (4) Kịch bản ứng dụng. Các yếu tố này cung cấp sức mạnh nội tại và nền tảng số cho thành phố song sinh số.
• Năm yếu tố hỗ trợ bên ngoài: (1) Chiến lược và cơ chế; (2) Các bên liên quan; (3) Tài trợ và mô hình kinh doanh; (4) tiêu chuẩn và đánh giá; và (5) An ninh mạng.

Tuy nhiên, xem xét từ góc nhìn từ dữ liệu, Bản sao kỹ thuật số của thành phố thông minh dựa trên các lớp dữ liệu được xây dựng chồng lên nhau, cung cấp thông tin về địa hình, tòa nhà, cơ sở hạ tầng, khả năng di chuyển và thiết bị IoT. Bản sao kỹ thuật số sử dụng dữ liệu được tạo trong lớp thành phố thông minh ảo để thực hiện các mô phỏng bổ sung; thông tin này được phản hồi qua các lớp của mô hình, nơi nó có thể được triển khai trong thế giới thực.

Các giải pháp của Bản sao kỹ thuật số được phát triển, hoàn thiện qua nhiều mức độ và cho phép các ứng dụng khác nhau như:

• Phân tích và Mô tả: Cho phép mô phỏng thành phố ở dạng 3D và những thay đổi của nó theo thời gian cùng với những tài sản mới, đường sá và cầu cống, sự di chuyển của con người, những thay đổi về nhân khẩu học và kinh tế.
• Mô hình Dự đoán: Mô hình hóa, dự đoán và dự báo các hoạt động cơ bản trong các lĩnh vực như bất động sản, giao thông vận tải, phát triển bền vững và kinh tế xã hội. Cho phép chạy nhiều tình huống giả định và mô phỏng các tác động đến sự thay đổi của nó lên thành phố. Các trường hợp sử dụng như: Làm rõ, cho hiểu biết sâu sắc về mối quan hệ giữa những thay đổi về nhân khẩu học, nhập cư, bất động sản, lĩnh vực giao thông vận tải và tài sản công đòi hỏi phân tích dự đoán.
• Nâng cao, cải thiện các hoạt động quản lý: Cho phép chủ động hóa tổ chức thông qua các trung tâm chỉ huy trực tiếp và các khuyến nghị được hỗ trợ bởi AI thông qua tích hợp dữ liệu thời gian thực. Các trường hợp sử dụng như: Trung tâm chỉ huy trực tiếp và Bảng điều khiển được hỗ trợ bởi AI, Lắng nghe mạng xã hội theo thời gian thực và Quản lý bất động sản - tài sản….

Một số trường hợp điển hình trên thế giới

Khu đô thị mới Hùng An là khu vực đầu tiên tại Trung Quốc đề xuất xây dựng thành phố song sinh kỹ thuật số. Theo “Đề cương Quy hoạch Khu đô thị mới Hùng An, Hà Bắc”, Khu đô thị mới Hùng An được yêu cầu phải thực hiện giám sát kỹ thuật số toàn bộ vòng đời, từ: quy hoạch đô thị, xây dựng, quản lý, sử dụng, bảo trì và sửa chữa. Ngoài ra “Nền tảng Quản lý BIM cho quy hoạch và xây dựng Khu đô thị mới Hùng An” được xây dựng, và sử dụng để đạt được sự đồng bộ trong quy hoạch và xây dựng giữa thành phố kỹ thuật số và thành phố thực tế.

Cảng thông minh Mawan thuộc thành phố Thâm Quyến, Trung Quốc tọa lạc tại Đồng bằng sông Dương Tử, Trung Quốc được thành lập vào ngày 30 tháng 9 năm 1986, là một ví dụ điển hình về cách nâng cấp từ một cảng hàng rời truyền thống và chuyển đổi nó thành một cảng tự động. Cảng sử dụng công nghệ bản sao kỹ thuật số để tái tạo chân thực 1:1 các cảnh cảng tĩnh và mô phỏng hoạt động cảng động dựa trên dữ liệu, cung cấp các chức năng như: tái tạo hoạt động cảng động toàn diện theo thời gian thực, chuyển đổi linh hoạt các góc nhìn vận hành thiết bị, trực quan hóa đường đi của xe kéo, tìm kiếm và định vị thiết bị và container, quản lý không gian 3D các dịch vụ bãi và container, đồng thời phân tích thống kê hiệu quả vận hành.

Lời kết

Bản sao số của thành phố thông minh là đại diện, là một mô hình ảo, được xây dựng dựa trên dữ liệu thời gian thực từ các hệ thống vật lý của thành phố, nhằm tái tạo và mô phỏng các yếu tố như cơ sở hạ tầng, giao thông, môi trường và hoạt động xã hội. Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy tiềm năng phát triển đô thị thông minh bằng cách cung cấp công cụ phân tích, dự báo và tối ưu hóa, giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu chính xác và hiệu quả hơn.

Người thực hiện

Lê Việt Hưng

Phòng Dịch vụ số - Cục Chuyển đổi số quốc gia

Tài liệu tham khảo:

1. https://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/bps/201812/t20181218_190859.htm

2. https://viettelidc.com.vn/tin-tuc/top-12-xu-huong-cong-nghe-dan-dau-nam-2022-theo-gartner

3. https://vneconomy.vn/techconnect/xu-huong-metaverse-2023-kham-pha-gia-tri-kinh-doanh-cho-cac-nganh-cong-nghiep.htm

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

5. https://riuma.uma.es/xmlui/handle/10630/27377