Digital twin urbano, la vera intelligenza delle smart city

Esploriamo i Digital Twin Urbani: dalla loro origine al modo in cui trasformano le Smart City.

Dal 2010 in poi, l’idea di trasformare le città in entità più efficienti, intelligenti, sostenibili e inclusive ha guadagnato terreno in modo straordinario, dando vita al concetto sempre più diffuso di smart city.

In questo contesto emerge con forza l’impellente necessità di utilizzare le nuove tecnologie per supportare la creazione di comunità attente alle esigenze dei cittadini e del territorio. Parallelamente, prende forma il concetto di urban digital twin, un’innovazione che si propone di rivoluzionare il modi di progettare e di governare le città.

Digital twin del Comune di Perugia

Ma che cos’è un digital twin?

Il Digital Twin è la rappresentazione digitale di oggetti materiali o immateriali del mondo reale. Questa raffigurazione virtuale consente uno scambio continuo di dati e può incorporare modelli, simulazioni e algoritmi che descrivono fedelmente la controparte fisica, anticipandone il comportamento.

La filosofia alla base dei Digital Twins consiste nel disaccoppiare un sistema digitale dalla sua controparte fisica, permettendo modifiche nell’uno senza influire sull’altro. Queste operazioni agevolano l’implementazione di avanzate procedure di modellazione, consentendo sperimenti altrimenti inaccessibili mediante l’uso di modelli tradizionali di osservazione.

Nascita e diffusione del termine Digital Twin

L’origine del concetto di Digital Twin risale agli ultimi decenni del 20° secolo, quando diverse discipline iniziarono a sperimentare e definire il termine in base alle loro esigenze.

Invenzione del termine digital twin

L’invenzione del termine “digital twin” è da ricondurre a Michael Grieves, ricercatore e professore presso l’Università del Michigan. Durante una presentazione focalizzata sulla gestione del ciclo di vita del prodotto (Product Lifecycle Management – PLM) nel 2002 presso la stessa università, Grieves ha introdotto inizialmente il concetto di gemello digitale

Grieves ha delineato per la prima volta gli elementi fondamentali del digital twin che comprendevano uno spazio reale, uno spazio virtuale e la connessione dei flussi di dati e informazioni tra questi due spazi. Questo concetto, originariamente denominato Mirrored Spaces Model e successivamente Information Mirroring Model, costituì il punto di partenza per lo sviluppo del digital twin.

Diffusione su vasta scala

Il Digital Twin ha avuto la sua genesi nell’ambito del Product Lifecycle Management, ma la sua diffusione su vasta scala è stata favorita dall’uso della NASA all’interno di una roadmap tecnologica nel 2010. Sebbene le prime applicazioni pratiche dei gemelli digitali abbiano avuto luogo nell’aeronautica, il loro utilizzo si è esteso rapidamente ad altri settori, tra cui manifattura, progettazione di prodotti, salute strutturale, edilizia e urbanistica ecc.

Gemelli digitali urbani per sviluppare le Smart City

Sebbene il concetto di “gemello digitale” o “digital twin” esista da diversi decenni, è solo negli ultimi anni che la sua implementazione nell’ambito urbano ha conosciuto una rapida e significativa espansione.

L’innegabile potenziale dei digital twin urbani si manifesta come motore trainante per l’evoluzione delle città intelligenti. Queste nuove piattaforme offrono una conoscenza precisa e informata della città.

Peter Drucker, il più grande pensatore di management di tutti i tempi afferma: “Oggi la conoscenza è potere. Ci offre accesso alle opportunità di progresso.” Attraverso l’uso sapiente dei dati raccolti nelle città intelligenti e la loro integrazione automatica nei modelli urbani, si crea una replica digitale precisa, capace di interagire autonomamente con l’ambiente urbano. Il costante scambio di dati permette al modello all’interno del gemello digitale di rappresentare la città reale e i suoi sistemi con la massima precisione, aprendo la strada a un futuro in cui la conoscenza è il motore principale della trasformazione urbana.

Digital twin e big data

Rispetto alla progettazione tradizionale, il Digital Twin offre il vantaggio di integrare e mettere a disposizione l’intero contesto urbano con tutti gli strati informativi necessari. I big data che confluiscono nel modello digitale danno accesso a informazioni dettagliate su strade, edifici, parchi e tutti gli elementi costituenti della città. Ma non solo, i Digital Twin permettono anche di integrare dati provenienti da diverse reti di servizi come energia, trasporti e infrastrutture, oltre a informazioni demografiche e abitudini dei cittadini. 

Per realizzare e mantenere aggiornato un urban digital twin, vengono sfruttate diverse fonti di dati, come database catastali per informazioni sulla posizione e la planimetria degli edifici, immagini terrestri e aeree per il modello 3D della città, sensori di temperatura e umidità per modelli meteorologici, sensori di monitoraggio della qualità dell’aria per modelli di inquinamento atmosferico e sensori di livello dell’acqua per monitorare allagamenti e reti fognarie.

Big data e urban digital twin (tratto da “Twin digital cities” di Elisa Pennacchia, Federico Cinquepalmi)

La modellazione della città può essere integrata con dati più dettagliati ottenuti grazie a sistemi laser scanner mobile 3d a terra ed informazioni satellitari come quelle fornite dal sistema europeo Copernicus.

 Tali dati sono costantemente aggiornati grazie al dialogo continuo tra la controparte fisica e quella virtuale della città.

Modello 3D della città

 Tipicamente, come fondamento per i Digital Twin urbani, viene utilizzata una mappa tridimensionale (3D) della città. Questo modello 3D risulta facile da utilizzare rispetto ad altri sistemi, dimostrandosi particolarmente utile per esplorare l’intero contesto della città.. 

Digital twin del Comune di Perugia: misurazione edifici

 Con l’adozione degli Urban Digital Twin ancora in una fase iniziale, la letteratura scientifica è limitata e la terminologia spesso confusa, specie quando si fa un uso improprio del termine per riferirsi solo a un modello digitale 3D di una città. Questa confusione è in parte alimentata dal fatto che il modello digitale 3D è utilizzato come base per costruire i Digital Twin urbani.

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Ai Comuni che hanno ottenuto il finanziamento PNRR per la Misura 1.3.1 (Piattaforma Digitale Nazionale Dati) e non hanno ancora un fornitore tecnologico, consigliamo di valutare l’offerta di WiseTown. Oltre allo sviluppo delle API, WiseTown fornirà gratuitamente alcune soluzioni per l’innovazione dei servizi comunali.

Caratteristiche del Digital Twin Urbano

Esploriamo di seguito alcune caratteristiche del digital twin urbano.

  • Alta fedeltà: versione digitale fedele alla città reale

Un Digital Twin deve rappresentare una copia quasi identica della sua controparte fisica, riflettendo con precisione aspetto, contenuto e funzionalità, con un elevato grado di accuratezza.

  • Dinamismo continuo: costante aggiornamento del gemello digitale

Le città, come noto, sono entità dinamiche in costante evoluzione. In sintonia con questa natura mutevole, anche il Digital Twin deve adattarsi ai cambiamenti della controparte fisica. Questo adattamento è reso possibile attraverso una connessione continua e uno scambio incessante di informazioni tra il mondo fisico e quello virtuale. Ciò implica un costante flusso aggiornato di dati provenienti da diverse fonti cittadine.

  • Utilizzo multifunzionale: utenti del digital twin

Il Digital Twin si presenta come uno strumento utile a una vasta gamma di utenti, tra cui decisori pubblici, urbanisti e diverse figure dell’amministrazione pubblica. Inoltre, offre l’opportunità di coinvolgere attivamente i cittadini, consentendo loro di sfruttare il gemello digitale per ottenere una visione personalizzata della città. Questo approccio mira a ottimizzare le attività individuali, allineandole con la visione complessiva della smart city.

  • Previsione e prevenzione

Attraverso l’utilizzo del digital twin siamo in grado di anticipare eventuali problematiche ed errori nelle fasi future del suo equivalente fisico. Ciò ci consente di pianificare e intervenire con tempestività. Grazie a simulazioni di diversi scenari, il Digital Twin fornisce la migliore soluzione o strategia possibile, permettendoci di intervenire precocemente o, addirittura, di prevenire le criticità. Questo approccio offre la possibilità di identificare la soluzione ottimale in un ambiente privo di rischi, portando a una significativa riduzione degli sprechi. 

Esempi di digital twin per le smart cities

In molte città in tutto il mondo si è assistito a sperimentazioni significative relative all’implementazione di Digital Twin urbaniI molteplici risultati positivi attestano l’efficacia raggiunta nell’ottimizzazione della pianificazione urbana, gestione delle risorse e partecipazione attiva dei cittadini.

Esaminiamo di seguito alcune delle realtà urbane che hanno ottenuto risultati promettenti grazie all’adozione dei Gemelli Digitali nell’ambito urbano.

Il Digital Twin della Città di Perugia

Perugia Digital Twin rappresenta uno dei progetti più ambiziosi e innovativi nel panorama italiano dei gemelli digitali urbani. L’obiettivo del progetto è digitalizzare, rendere sostenibile, favorire la partecipazione e promuovere l’inclusività del capoluogo umbro. Attraverso la piattaforma WiseTown che ospita il gemello digitale di Perugia, i decisori urbani possono ottenere una visione dettagliata della reazione della città a input o scenari specifici. Gli strumenti inclusi in WiseTown comprendono un workspace che fornisce informazioni sulla geometria della città, la disposizione degli edifici, la rugosità urbana con dettagli sulle altezze degli edifici, oltre a dati demografici e relativi ai servizi.

Le City Dashboards, parte fondamentale della piattaforma, costituiscono un avanzato mezzo per analizzare, visualizzare e monitorare vari aspetti della vita urbana, tra cui il verde urbano, l’economia, il welfare, l’urbanistica e la mobilità.

Il portafoglio di soluzioni di WiseTown include anche tecnologie Civic Tech, create per trasformare i cittadini di Perugia in protagonisti chiave del proprio territorio. Tra queste, spiccano un software dedicato alla gestione delle segnalazioni dei cittadini e all’ottimizzazione dei flussi di lavoro comunali, insieme un’altra applicazione che permette ai decisori urbani di coinvolgere attivamente la comunità nella creazione di progetti o iniziative, mirando a generare partecipazione attiva e valorizzare le conoscenze locali per lo sviluppo di progetti significativi.

La chiave per un progresso efficace risiede nell’innovazione ma anche nella collaborazione e nello scambio di conoscenze tra esperti del settore. Nel contesto perugino, le imprese coinvolte hanno instaurato una solida cooperazione, come testimoniano i frutti della partnership tra WiseTown e Geolander.it, un’azienda veneta che eccelle nelle tecniche e nelle tecnologie destinate al rilievo tridimensionale del territorio.

Il Gemello Digitale di Zurigo

Per il quarto anno consecutivo, Zurigo si conferma la città più smart al mondo secondo l’IDM Smart City Index Report 2023. Al centro della strategia smart city della città si trova un urban digital twin avanzato, basato su un modello 3D completo della città. La piattaforma è stata concepita per fornire supporto al processo decisionale in materia di pianificazione urbana, agevolando il confronto e la valutazione di diversi scenari di sviluppo urbano, l’integrazione di tematiche climatiche urbane nei piani di sviluppo e la facilitazione della partecipazione pubblica alla pianificazione.

Il gemello digitale di Zurigo

Il gemello digitale rappresenta un modello spaziale e digitale dettagliato della città di Zurigo e comprende diverse componenti quali il modello geospaziale del terreno, degli edifici, delle strade e delle condizioni climatiche. L’integrazione dei dati spaziali 3D con l’infrastruttura di dati e metadati territoriali preesistenti avviene attraverso sistemi di IoT, che forniscono informazioni in tempo reale. 

Herrenberg, come una piccola città tedesca utilizza il digital twin

Il centro storico di Herrenberg è significativamente impattato dal traffico veicolare individuale, risultato di decisioni urbanistiche e implementazioni passate. Una strada principale incanala il traffico direttamente attraverso il nucleo storico, interagendo con tre autostrade e generando non solo elevati volumi di traffico, ma anche inquinamento ambientale da emissioni e rumore. Per affrontare questa sfida urbana, la città ha sviluppato un piano di mobilità integrato, sperimentando diverse iniziative di pianificazione urbana come test per il Digital Twin della città, con l’obiettivo di innovare i processi collaborativi di pianificazione.

Il digital twin di Herrenberg si distingue da altre ricerche basate sulla simulazione nel contesto delle smart cities. Il modello integra diverse fonti di dati urbani provenienti da analisi e simulazioni, compresi i dati sociali raccolti attraverso la partecipazione dei cittadini. La visualizzazione in realtà virtuale, inoltre, non solo facilita la partecipazione dei cittadini, ma promuove anche la collaborazione tra le parti interessate.

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