Проектирование современных городов для задач будущего

Данные прокладывают путь для умных городов, которые устойчивы к проблемам, связанным с урбанизацией и изменением климата.

Даже если вы не заядлый геймер, скорее всего, вы слышали о SimCity. Это компьютерная игра, выпущенная в 1989 году и отличающийся открытым геймплеем, SimCity дал многим игрокам первый опыт полного контроля над развитием города, навсегда закрепив его место в истории видеоигр.

Виртуальный город адаптированный к изменениям будущего

Любопытные повороты игрового процесса, адаптированные к реальной модели виртуальных городов, позволяют городским проектантам получить представление о результатах своих решений без необходимости создания  физической структуры. В то время, когда в мире происходят серьезные изменения в результате изменения климата, моделирование городских ландшафтов на основе данных также чрезвычайно полезно для правительств, чтобы подготовить свои города к наихудшим сценариям, вызванным глобальным потеплением и повышением уровня моря.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

«Сингапур, являющийся низменным островом с ограниченной территорией, особенно уязвимым к изменениям климата», - сказал Хи Джу По, старший научный сотрудник Института высокопроизводительных вычислений (IHPC) и A*STAR (Агентства по науке, технологиям и исследованиям).

Но еще не все потеряно. «Оптимизируя экологические факторы, городские проектировщики Сингапура могут спроектировать жилье и инфраструктуру, которые максимизируют комфорт и благополучие граждан, несмотря на изменение климата», - сказал он.

В то время как в Сингапуре проще думать о том, что климат является единообразным, фактом является то, что разные части города-государства имеют свои различные климатические профили, известные как микроклимат. На микроклимат местности влияет сочетание различных факторов, начиная от природных факторов, таких как ветер, солнечный свет и растительность, и заканчивая искусственными элементами, такими как плотность застройки и движение автотранспорта.

Учет всех этих факторов окружающей среды в городском планировании является непростым делом, но исследовательская группа По, создала цифровой инструмент под названием Integrated Environmental Modeler (IEM), смогла сделать именно это. Разработанный в сотрудничестве с коллегами из Института исследований инфокоммуникаций (I2R) A * STAR и Совета по жилищным вопросам и развитию (HDB) Сингапура, IEM использует несколько источников данных для воссоздания и моделирования сценариев микроклимата в Сингапуре. Это отличает его от других разработанных моделей окружающей среды на рынке, которые обычно оценивают только один фактор окружающей среды за раз.

«Самый значительный пробел, который заполняет IEM, - это интеграция», - поделился По. «Это первый интегрированный и масштабируемый инструмент, объединяющий все ключевые физические факторы окружающей среды и их сложные взаимодействия в единую унифицированную платформу».

Чтобы создать IEM, исследователи предоставили сложные трехмерные геометрические данные Сингапура их сотрудниками в HDB. Затем команда разработала модуль, который мог бы обрабатывать трехмерные геометрические данные, чтобы преобразовать их в очень реалистичную трехмерную модель страны. В то же время, 43 датчика окружающей среды были установлены в восточной части Сингапура. Приводимые в действие солнцем, эти датчики собирали данные о различных параметрах, таких как солнечное излучение, ветер и температура, передавая данные беспроводным способом исследователям в режиме реального времени.

Имея огромное количество данных в руках, исследователи приступили к выполнению кропотливой работы по объединению всех различных параметров в то, что станет IEM. Данные о динамике воздушного потока, пути распространения солнечного тепла и шума были наложены на трехмерную модель Сингапура с десятиметровым горизонтальным разрешением. По признанию По, это была самая сложная часть проекта.

«Мы создали не интеграцию существующего программного обеспечения, а систему, построенную на масштабируемой вычислительной архитектуре с использованием измерений в реальном времени», - сказал он.

Ценность инструмента заключается в проблеме, которую он решает для своего пользователя. В случае IEM первой проблемой, которую команда По стремилась решить, было явление микроклимата, известное как эффект островов городского тепла , который ответственен за резкую разницу температур между лесными и урбанизированными районами.

Городские острова тепла являются результатом строительства плотных городских структур - например, небоскребов и торговых центров - которые задерживают тепло на относительно узких улицах. В сочетании с отсутствием тенистой растительности и тепла от автомобильного движения, температура на этих островах тепла может взлететь до невыносимого уровня.

Неудивительно, что спутниковые данные показали, что на высоко урбанизированном юге Сингапура более заметны городские острова тепла. Такие районы, как промышленный парк Туас и аэропорт Чанги, также особенно теплые из-за больших площадей бетона и металла, обнаруженных на этих участках. Между тем, лес на севере сравнительно холоднее в течение дня - исследователи сообщили о разнице температур в 4 ° C между хорошо засаженными районами и центральным деловым районом Сингапура.

Комбинируя эти разности температур в тандеме с вычислительной гидродинамической (CFD) моделью скорости и направления ветра, а также с наличием или отсутствием растительности и водоемов в районе, исследователи смогли определить оптимальные места для строительства таких объектов, как игровые площадки в существующих или новых разработках. Кроме того, приняв во внимание данные о шумах, исследователи смогли выявить связь между распределением тепла и распространением шума в городских условиях.

«Звук распространяется быстрее в более теплом воздухе, поэтому, когда воздух над землей теплее, чем воздух на возвышенности, звуковая волна отклоняется к земле», - пояснил По. «При таких обстоятельствах, преломление волны вниз может позволить звуку распространяться через препятствия, такие как шумовые барьеры, и распространяться дальше».

Такое понимание может быть полезным для градостроителей Сингапура, так как рядом с автомагистралями строится больше высотных зданий, чтобы максимально использовать землю. Высота и расположение шумовых барьеров, возможно, также должны быть скорректированы, чтобы ограничить степень шумового загрязнения, которое испытывают жители зданий.

Аналогично тому, как горизонт Сингапура находится в состоянии постоянного изменения, IEM остается в стадии разработки, поскольку По и его коллеги продолжают вносить улучшения в моделирование.

«Долгосрочное использование инструмента IEM состоит в том, чтобы превратить его в высокоточную модель для использования в любой урбанизированной зоне, способную учитывать различные факторы, влияющие на городскую среду, - сказал По. - Это снижает риск дорогостоящих физических методов проб и ошибок и позволяет разрабатывать планы проверенные на виртуальной модели до фактической реализации».

По добавил, что даже особенности отдельных зданий могут быть оценены в моделе с использованием IEM, подчеркнув, как он более десяти лет работал с Управлением по строительству и строительству Сингапура (BCA) в области проектирования зданий, учитывающих климатические условия, и поделился своим опытом в CFD модели.

«В 2008 году BCA включил CFD в свою инициативу (схема зеленой маркировки BCA), чтобы подтолкнуть строительную отрасль Сингапура к более экологичным зданиям, и я был привлечен в качестве внешнего эксперта для проектов в рамках этой инициативы», - сказал он. Затем в 2012 году он продолжил сотрудничество с BCA для разработки методологии моделирования CFD и параметров оценки для моделирования естественных вентилируемых помещений в нежилых зданиях в соответствии с критериями зеленой маркировки.

«Наши исследования помогают создавать инновационные решения для устойчивого городского планирования и проектирования, но помимо области городского планирования ученые-климатологи и исследователи окружающей среды также могут использовать IEM для моделирования и изучения локальных последствий будущих глобальных изменений климата», - сказал По.

«Результаты таких исследований будут полезны для правительственных учреждений при разработке политики и принятии мер по смягчению климатических угроз», - заключил он. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet