Gemelli digitali urbani: simulare il futuro per città più vivibili

Perché è importante oggi studiare le città? E cosa potranno consentire le nuove tecnologie digitali? Se state pensando alle “smart cities”, non è questa la risposta giusta: saranno i gemelli digitali urbani.

Le città come sistemi complessi ad alto impatto

Le città, anche se occupano solo il 2% della superficie della Terra, ospitano circa il 50% della popolazione mondiale (nel 2050 sarà il 68%), consumando globalmente – tra consumi diretti e indotti – il 74% dell’energia e producendo circa l’80% di CO2 del pianeta.

Affrontare il tema delle città è fondamentale per la sopravvivenza del pianeta. Data la complessità delle città, occorre sviluppare approcci e tecnologie innovative provenienti da differenti discipline, considerandole come un sistema complesso in cui i diversi sistemi (servizi, mobilità, consumi energetici, sistema sociale, ambientale, fruizione dei beni monumentali e artistici, ecc.) vengano considerati sia separatamente che nelle loro interrelazioni.

Inoltre, le città stanno cambiando rapidamente e la tipologia stessa delle città si modificherà: entro il 2030, le megalopoli con oltre 10 milioni di abitanti saranno 43, la maggior parte delle quali localizzate nelle regioni in via di sviluppo. Un esempio italiano è la megalopoli padana, un sistema di città legate a rete, animato da continui flussi migratori, complesse relazioni sociali, nuove forme di produttività e diverse concentrazioni abitative e densità di servizi.

Cosa sono i gemelli digitali e come funzionano

I gemelli digitali urbani rappresentano una delle innovazioni più promettenti per lo studio delle città del futuro. Non si tratta di un concetto completamente nuovo: nati in alcuni settori industriali, i digital twin hanno permesso la realizzazione di modelli virtuali per migliorare la manutenzione e le prestazioni. Si analizza il sistema di cui si vuole sviluppare il gemello, individuando i sistemi principali di cui è composto e le relazioni tra questi. I sottosistemi vengono dotati di sensoristica diffusa, che raccoglie i dati per lo sviluppo di simulatori data-driven.

I principali pregi sono:

• il continuo accumulo di dati reali consente un costante miglioramento dell’accuratezza e una intrinseca robustezza;
• la continua analisi del comportamento e delle reazioni dei simulatori (e quindi, dei sistemi “reali”) consente la scoperta di nuove relazioni tra i sistemi;
• l’“avanti veloce”: quando i simulatori sono abbastanza accurati, è possibile usare il gemello digitale per analizzare scenari what-if, anticipando le risposte del sistema complesso.

Tecnologie abilitanti per i gemelli digitali urbani

L’applicazione di questa tecnologia alle città non è ancora stata sviluppata, ma sarà facilitata dall’avanzamento delle tecnologie sensoristiche, dall’intelligenza artificiale, dall’Internet delle Cose e dalle capacità di calcolo distribuito e ad alte prestazioni (Cloud e HPC).

La città come sistema complesso, quindi, fatto da tanti sistemi diversi che vivono nello stesso spazio e nello stesso tempo. I dati raccolti nella città (da sensori, videocamere, smartphone, satelliti, ecc.) possono permettere di sviluppare modelli di simulazione di questi sistemi e delle loro relazioni, creando così una replica virtuale della città reale, che evolve ed invecchia con quella fisica.

Questo consente di analizzare in anticipo problemi e soluzioni urbane diverse, trovando i modi migliori per la gestione della città. I gemelli digitali urbani consentiranno a chi deve gestire la città di vedere tramite il fast forward (utilizzando i solutori predittivi dei diversi sistemi urbani) le soluzioni possibili ai problemi concreti di gestione e sviluppo, e scegliere in modo informato e intelligente. L’adozione dei gemelli digitali urbani può avere un impatto significativo sulla sostenibilità delle città, migliorando la gestione delle risorse, la pianificazione urbana e la qualità della vita dei cittadini.

Gemelli digitali urbani: i vantaggi di un approccio integrato

Come avrete intuito, quindi, qualcosa di completamente differente dall’idea delle Smart City, fatta di piccoli e grandi interventi tecnologici, spesso sconnessi tra di loro (ad es. le panchine intelligenti).

Raccogliere e analizzare dati in tempo reale

Uno dei principali vantaggi dei gemelli digitali urbani sarà la capacità di raccogliere e analizzare dati in tempo reale. Questo permetterà alle amministrazioni cittadine di prendere decisioni informate e tempestive anche nelle emergenze, basandosi su dati accurati e aggiornati.

Supportare la pianificazione urbana

Un altro aspetto fondamentale dei gemelli digitali urbani è la loro capacità di supportare la pianificazione urbana. Grazie alla simulazione di scenari futuri, è possibile valutare l’impatto di nuove infrastrutture, progetti di sviluppo e politiche pubbliche, prima ancora della loro implementazione.

Creare servizi personalizzati e su misura

Attraverso l’integrazione di dati provenienti da diverse fonti, sarà possibile inoltre creare servizi personalizzati e su misura per le esigenze dei residenti, e potranno facilitare la partecipazione dei cittadini nei processi decisionali, attraverso piattaforme digitali che permetteranno di raccogliere feedback e suggerimenti ed includerli nei modelli. I cittadini (e le diverse tipologie di associazioni di quartiere) potranno “giocare” con il gemello, ipotizzando anche loro soluzioni sulla base delle loro esperienze.

Casi di successo internazionali dei gemelli digitali

Singapore è una delle città pioniere nell’utilizzo dei gemelli digitali urbani. Il suo progetto “Virtual Singapore” è un modello 3D interattivo che consente di simulare diversi scenari urbani, migliorare la pianificazione delle infrastrutture e ottimizzare i servizi pubblici. Barcellona ha implementato un gemello digitale per monitorare e ottimizzare la gestione energetica e la qualità dell’aria. Questo ha permesso alla città di ridurre le emissioni di CO2 e migliorare la qualità della vita dei suoi residenti.

Urban intelligence: il modello italiano di gemello digitale

In Italia, progetti analoghi sono in fase di sviluppo a Matera, Catania, Bologna e Milano, solo per fare alcuni esempi. Ad esempio, il modello sviluppato dal CNR si chiama Urban Intelligence.

Si tratta di un ecosistema di gemelli digitali, uno per ogni sistema della città, e una struttura matematica digitale che li integra e li armonizza per rendere possibili le soluzioni. Questo si distingue dallo stato dell’arte del panorama delle soluzioni Smart City perché:

• è pienamente funzionale alle esigenze di governo della città orientate verso una maggiore sostenibilità dei suoi processi e dinamiche;
• abilita analisi complesse e interdipendenti dei livelli tematici e dei (sotto)sistemi di una città, anche grazie all’adozione di tecniche di Intelligenza Artificiale;
• è costruito nativamente per interfacciarsi con le tecnologie 5G e IoT, e per supportare scenari altamente complessi e dinamici;
• è aperto alla dimensione umana e sociale delle città, che integra al suo interno pratiche partecipative di coinvolgimento civico e di dialogo multi-attore coi portatori di interesse, anche grazie all’adozione di strumenti digitali dedicati;
• è modulare, che può essere applicato alternativamente a porzioni limitate di un sistema urbano, a un numero limitato di livelli tematici/(sotto)sistemi, a un numero limitato di interazioni tra livelli/(sotto)sistemi, favorendo la sostenibilità economica e gestionale di un’implementazione iniziale dell’UI, e lasciando aperta la possibilità di successive estensioni legate alle priorità dell’agenda urbana e digitale locale.

Il futuro delle città con i gemelli digitali

Nel nostro paese, la transizione urbana interesserà soprattutto le città intermedie, che possono costituire laboratori in cui sperimentare proposte di urbanizzazione, sostenibilità, governabilità e innovazione tecnologica. I gemelli digitali sembrano lo strumento giusto per capire queste trasformazioni e al tempo stesso dare un concreto supporto decisionale intelligente (un decision support system – DSS) a chi deve gestire e governare le città in rapporto con i cittadini, alle prese con uffici tecnici sempre più sguarniti e problemi sempre più complessi e inaspettati, dalla gestione di una pandemia agli impatti del cambiamento climatico.