Un “gemello digitale” è una replica virtuale di un oggetto, un processo o un sistema. Questa tecnologia ha già rivoluzionato numerosi settori, come l’industria e l’ingegneria, o la medicina, diventando anche un concetto chiave nello sviluppo delle smart cities. L’accesso a molteplici dati in tempo reale consente un’innovazione continua, una presa di decisioni misurabile e risparmi (denaro, acqua, energia…) che possono raggiungere diversi miliardi all’anno. Tutto ciò inizia con dati ultra-precisi e molto dettagliati!
Gemello digitale vs modello 3D
Un “gemello digitale” non è solo un modello 3D ultra-preciso. La differenza tra i due è il flusso bidirezionale di dati tra il mondo fisico e il mondo del digitale. Questa sincronizzazione dei dati permette al gemello digitale di essere costantemente aggiornato e in tempo reale, ciò che lo rende uno strumento efficace per eseguire simulazioni virtuali e pianificare diversi scenari.
Come descritto nello studio “Digital Twin : Origin to Future”, un gemello digitale presenta le seguenti caratteristiche:
- Un’ultra-precisione dell’oggetto fisico, spesso costruita a partire da più fonti di dati. Più alto è il livello di dettaglio, più il gemello digitale può essere utilizzato come uno strumento efficace e affidabile. Così, le smart cities possono ottenere dati sulle infrastrutture, sul traffico veicolare, sull’inquinamento e sulla demografia;
- Una mappatura dinamica e bidirezionale tra il mondo fisico e quello digitale. Un gemello digitale è un modello vivente, essenzialmente in 3D. Deve quindi tenere conto dei dati in tempo reale, così come lo storico di questi dati;
- Auto-evolutivo e auto-adattativo. Il mondo reale è in continua evoluzione, e anche il gemello digitale lo è di conseguenza; deve quindi ottimizzarsi autonomamente utilizzando nuove fonti di dati raccolte nel mondo reale.
Il gemello digitale, una tecnologia essenziale per le smart cities
Molte città in tutto mondo hanno iniziato a esplorare la tecnologia del gemello digitale per sviluppare applicazioni come:
Pianificazione urbana
La simulazione di scenari “Cosa succede se?” sui gemelli digitali consente agli urbanisti di valutare l’impatto di nuove infrastrutture, facilitando così il processo decisionale. Ad esempio, i ricercatori possono simulare l’impatto della costruzione di nuove piste ciclabili sulla sicurezza dei ciclisti, sulla fluidità del traffico, sul parcheggio sui marciapiedi e persino sull’inquinamento atmosferico. Così, grazie a un gemello digitale, è possibile ottimizzare la sicurezza, l’accessibilità, i costi e molti altri fattori.
Gestione del traffico e integrazione di veicoli connessi e autonomi
Oltre alla pianificazione urbana, i gemelli digitali possono essere utilizzati per simulare il traffico. Combinando i modelli di gemelli digitali con i dati in tempo reale, gli operatori del traffico possono migliorare la sicurezza e la fluidità della circolazione. Inoltre, con l’arrivo dei veicoli connessi e autonomi, i ricercatori possono effettuare simulazioni per comprendere meglio l’impatto di questi veicoli sul traffico e testare le diverse funzionalità della tecnologia V2X (Vehicle-to-Everything, ovvero la “Comunicazione del veicolo con tutto”).
Monitoraggio delle infrastrutture (strade, ponti e infrastrutture varie)
Gli algoritmi permettono di analizzare lo stato e l’usura delle infrastrutture in tempo reale e segnalare agli ingegneri potenziali problemi (attuali o futuri). Possono anche prevedere la loro resistenza in caso di condizioni metereologiche, traffico, vibrazioni e altri fattori ambientali.
Queste misure di manutenzione proattiva permetteranno una gestione sicuramente migliore delle infrastrutture nel tempo e il risparmio di diversi miliardi di dollari. Secondo un rapporto, il costo della manutenzione posticipata delle infrastrutture americane è stimato ad oltre 1.000 miliardi di dollari (la manutenzione posticipata rappresenta il costo accumulato della “manutenzione rinviata”, ovvero il ritardo nei lavori dovuto al rinvio della manutenzione e delle riparazioni ordinarie).
Altre applicazioni includono la sorveglianza delle catastrofi naturali, delle reti intelligenti, ecc.
Questi sono solo alcuni esempi di come la tecnologia dei gemelli digitali possa essere utilizzata per accelerare la realizzazione delle smart cities, che, a lungo termine, permetterebbero di ottenere importanti risparmi.
I pionieri: l’università RWTH e la città di Aachen (Germania) sviluppano gemelli digitali per la simulazione V2X utilizzando LiDAR Ouster
Il più grande progetto infrastrutturale in Europa è basato sul LiDAR Ouster, Questo programma ha l’obiettivo di preparare la città di Aachen all’arrivo dei veicoli autonomi, costruendo un’infrastruttura connessa che comprenda il traffico di tutti gli utenti della strada. Questo progetto è finanziato dal ministero federale tedesco dei trasporti e delle infrastrutture digitali e da entità private come Ford Mobility e Vodafone.
Per la realizzazione di questo progetto, i ricercatori dell’università RWTH di Aachen avevano bisogno di dati precisi e dettagliati sulle infrastrutture, nonché su tutti gli utenti della strada e le loro abitudini di spostamento (dati anonimi e confidenziali). Per raccogliere questi dati in modo preciso e senza errori, si sono affidati ai LiDAR Ouster.
Fase 1: Raccolta anonima di dati del gemello digitale grazie al LiDAR Ouster
I ricercatori dell’università RWTH di Aachen hanno prima dovuto sviluppare il gemello digitale dell’infrastruttura: dati ad alta risoluzione, comportamento degli utenti e spostamento dei veicoli. Successivamente, sono riusciti a sviluppare e testare veicoli autonomi e simulazioni V2X su questo gemello digitale. Associando più di 100 LiDAR OS1 Ouster e oltre 200 telecamere, i ricercatori hanno costruito 60 stazioni di misurazione lungo la strada, su un tratto di 4,3 km.
Credito foto: ©Ouster
I LiDAR OS1 Ouster, componente essenziale del sistema di rilevamento, aumenta la risoluzione delle telecamere in caso di scarsa luminosità o maltempo. Questo LiDAR ad alta risoluzione fornisce dati precisi sulla posizione degli oggetti, con una precisione millimetrica. Con un grado di protezione IP69K e IP68, i LiDAR Ouster resistono alle intemperie e alle diverse condizioni meteorologiche e ambientali (vibrazioni, polvere).
A differenza delle telecamere che devono utilizzare la visione computerizzata per calcolare le distanze e la posizione degli oggetti, il LiDAR fornisce direttamente misurazioni ultra-precise e questa precisione può fare la differenza in termini di sicurezza stradale.
I dati ad alta risoluzione del OS1 128 canali di Ouster permettono anche una maggiore portata di rilevamento; infatti, consente una maggiore precisione nella classificazione degli oggetti fornendo più nuvole di punti. I ricercatori possono quindi utilizzare questi dati per sviluppare algoritmi che riconoscono e classificano auto, camion, pedoni, moto, ecc.
Credito foto: ©Ouster
Nell’agosto del 2021, i ricercatori hanno installato 46 stazioni di misurazione su un tratto di 2,4 km (strade e incroci). Successivamente, hanno esteso queste stazioni di misurazione a zone rurali e autostrade. Creando un gemello digitale che si estende su diverse aree di Aachen, i ricercatori sono riusciti a catturare oggetti in modo ultra-preciso, indipendentemente dal tipo di terreno e dalle condizioni meteorologiche.
Fase 2: sviluppare e testare simulazione V2X sul gemello digitale
La seconda fase del progetto è stata quella di creare un’infrastruttura connessa che integri, in sicurezza, i veicoli autonomi e connessi all’interno di un traffico misto.
In questo progetto, il gemello digitale di Aechen ha 3 scopi principali:
- Comunicazione in tempo reale. Dotati di sensori integrati, i veicoli autonomi di prova ricevono informazioni sulla strada dal gemello digitale prima ancora di “vederle”. Grazie a questa previsione, i veicoli hanno abbastanza tempo per reagire e adattare la loro guida di conseguenza;
- Simulazione di veicoli connessi e autonomi. Poiché il gemello digitale è una rappresentazione reale e dinamica dell’ambiente, i ricercatori possono effettuare test sui veicoli autonomi e analizzare il loro impatto sugli altri utenti della strada, ma anche sull’ambiente;
- Pianificazione e analisi a lungo termine. I dati dei gemelli digitali sono memorizzati in una base di dati centrale. Vengono utilizzati per analizzare il comportamento degli utenti della strada e i modelli di spostamento, con l’obiettivo di pianificare a lungo termine applicazioni per i veicoli autonomi.
Come risparmiare 280 miliardi di dollari entro il 2030
Se c’è ancora molto da esplorare sui gemelli digitali nel campo delle smart cities, una cosa è certa: questa tecnologia giocherà un ruolo fondamentale nei prossimi anni.
Secondo ABI Research, la tecnologia dei gemelli digitali potrebbe aiutare le città a realizzare risparmi collettivi pari a 280 miliardi di dollari entro il 2030, grazie a una pianificazione urbana più efficace e a una manutenzione proattiva. Entro il 2025, olte 500 città nel mondo utilizzeranno la tecnologia dei gemelli digitali (o equivalente).
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