Como gêmeos digitais possibilitam cidades inteligentes

Recentemente postei um artigo aqui sobre as Áreas de Aplicação das Tecnologias Smart City, agora segue outro mais envolvente, pois trabalha um novo conceito: Digital Twin City.

As cidades são ecossistemas complexos que estão evoluindo rapidamente e – como os cidadãos – se tornando cada vez mais digitais. Em 2025, o número total de usuários globais da Internet deve chegar a 6,2 bilhões; espera-se que o número total de dispositivos conectados ultrapasse 100 bilhões no mesmo ano. Esses dispositivos conectados gerarão 180 ZB de dados por ano – um aumento de cinco vezes a partir de hoje. As equipes de gerenciamento da cidade estão sob enorme pressão para trabalhar com mais rapidez e eficiência, à medida que a infraestrutura digital das cidades evolui rapidamente. Também se espera que façam uso das redes de dispositivos e dos dados gerados para atender às necessidades dos nativos digitais.

Construindo Cidades Inteligentes

A criação de Smart Cities tem sido uma importante área de foco dos governos nos últimos anos. No entanto, o conceito de Cidade Inteligente deve evoluir junto com as mudanças que afetam os ecossistemas da cidade. As cidades normalmente têm três características principais que as tornam inteligentes ou inteligentes:

Conscientização: as cidades inteligentes têm consciência em tempo real de condições que mudam rapidamente, como ambiente (clima, níveis de poluição), tráfego (congestionamento, acidentes) e status de segurança pública (emergências, incidentes de crime). Condições muito mais lentas ou que mudam periodicamente, como mudanças populacionais ou demográficas e níveis de atividade econômica (comércio, vendas no varejo, turismo, viagens e manufatura) também influenciam as operações e o desenvolvimento das Smart Cities.

Resposta: Grandes níveis de consciência, juntamente com tempos de resposta rápidos, tornam uma cidade realmente inteligente. Nas operações da cidade, respostas eficientes podem prevenir o agravamento de situações perigosas, evitar desastres e salvar vidas.

Previsão: a capacidade de prever e responder proativamente aos eventos é parte integrante das Smart Cities. Tal habilidade era considerada o reino da ficção científica apenas duas décadas atrás, mas com a quantidade de dados capturados e suportados por algoritmos de Inteligência Artificial (IA) hoje, estamos mais perto de isso se tornar realidade.

Com o tempo, as equipes de operações da cidade tentaram desenvolver essas características capitalizando vários avanços tecnológicos. Por exemplo, câmeras de circuito fechado de televisão, sensores em sistemas de aquecimento, ventilação e ar-condicionado e sistemas de gerenciamento de edifícios foram usados ​​para aumentar significativamente a conscientização da cidade. No entanto, a natureza isolada desses sistemas eletrônicos tem consciência limitada e as respostas permanecem manuais. Suas limitações retardaram a mudança das operações da cidade de reativas para proativas (elas acabarão se tornando preditivas). Em suma, a falta de integração entre esses elementos individuais de tecnologia nos ecossistemas das cidades tem impedido a transformação das cidades em entidades verdadeiramente inteligentes, embora os diferentes elementos tenham evoluído por conta própria.

Revolução cognitiva: As Cidades Gêmeos Digitais (Digital Twins)

Os cientistas acreditam que a humanidade se tornou a espécie dominante na Terra por causa de um período de rápido desenvolvimento do cérebro no processo evolutivo. As cidades estão passando por um período semelhante de “revolução cognitiva” – um período de rápido desenvolvimento do “cérebro da cidade”. Embora essa revolução tenha sido desencadeada pelo rápido desenvolvimento de sistemas sensoriais – a rede de coisas conectadas – ela é alimentada por dados.

O maior desafio que as equipes de gerenciamento da cidade enfrenta nas operações municipais baseadas em dados é derivar valor do aumento do volume, velocidade e variedade de dados – também conhecido como big data. Para enfrentar esse desafio, as equipes de operações da cidade estão criando modelos de dados que podem visualizar as operações complexas das funções da cidade em tempo real. Esses modelos são conhecidos como “gêmeos digitais”. O Dr. Michael Grieves, um dos pioneiros do conceito, define gêmeos digitais como tendo três partes: produtos físicos no espaço real, produtos virtuais no espaço virtual e dados conectados que unem o físico e o virtual.

Esses modelos de dados são projetos digitais ao vivo de ativos físicos, processos e ecossistemas inteiros, como cidades. O que diferencia os gêmeos digitais das visualizações tradicionais é seu dinamismo e recursos em tempo real. De fato, a empresa de pesquisa de mercado global IDC prevê que até 2023, 25% das plataformas gêmeas digitais de Cidades Inteligentes serão usadas para automatizar processos para ecossistemas de ativos e produtos cada vez mais complexos e interconectados.

Como os gêmeos digitais beneficiam as cidades

Os gêmeos digitais podem envolver todos os níveis de gerenciamento da cidade, incluindo gerenciamento executivo, várias equipes operacionais (como transporte público, polícia, bombeiros, serviços de emergência e serviços públicos), planejadores da cidade, equipe de marketing e branding e terceiros. Existem benefícios que cada função pode derivar de um gêmeo digital:

Gestão Executiva (CXOs): Os gêmeos digitais melhoram a tomada de decisão de nível executivo, fornecendo uma visão holística e flexível de ativos, instalações e processos. Os gêmeos digitais permitem que os tomadores de decisão monitorem de perto os indicadores-chave de desempenho de alto nível.

Operações na cidade: gêmeos digitais permitem uma abordagem de “controle de missão” para as operações na cidade. Uma visão em tempo real dos ativos (por exemplo, um semáforo) e cadeias de valor inteiras (por exemplo, uma estrada arterial) oferece às equipes operacionais a capacidade de prever problemas e mitigar riscos.

Planejadores de cidades: o planejamento urbano é um aspecto importante, mas desafiador, da construção de uma cidade. Os planejadores da cidade geralmente têm dificuldade em prever os resultados possíveis de novos desenvolvimentos ou atualizações. Os gêmeos digitais oferecem oportunidades significativas na geração e desenvolvimento de ideias, colaboração em estágio inicial e opções, simulações e testes rápidos.

Pessoal de marketing e vendas: a grande quantidade de dados disponíveis por meio de gêmeos digitais permite que as equipes de gestão da cidade realizem análises de causa raiz (por exemplo, análise de acidentes frequentes em um sinal de trânsito) e formule campanhas de marketing direcionadas para mudar o comportamento dos cidadãos. Uma visão em tempo real dos movimentos e passos dos cidadãos oferece oportunidades significativas de geração de receita para as cidades em termos de publicidade e vendas de imóveis.

Parceiros: os gêmeos digitais facilitam a colaboração e a comunicação com os parceiros. Os gêmeos digitais também aceleram o desenvolvimento de produtos e serviços, melhorando o compartilhamento de dados (entre agências de transporte público e fornecedores de caronas, por exemplo).

Figura: Digital Twin City: Benefícios e capacitadores de tecnologia

Os gêmeos digitais melhoram drasticamente as operações da cidade, levando a benefícios significativos para os cidadãos. A visibilidade em tempo real da cidade permite uma melhor resposta a emergências, fluxo de tráfego suave e cria uma cidade com eficiência energética. Um gêmeo digital também atua como uma plataforma para uma nova era de aplicativos urbanos digitais que ajudam a tornar a vida melhor para os cidadãos.

Tecnologias que permitem Digital Twin Cities

Os gêmeos digitais são construídos e operados por meio de várias tecnologias complementares que coletam, calculam e visualizam dados. Um conjunto de sistemas fundamentais (como sistemas de aplicativos corporativos), que já estão em vigor na maioria das organizações hoje, fornece suporte de dados e processos de negócios para gêmeos digitais. No entanto, é um grupo de novas tecnologias que geralmente são implantadas como parte dos esforços de transformação digital organizacional que permite que os gêmeos digitais alcancem seu verdadeiro potencial e se tornem modelos de dados vivos que abrangem ecossistemas.

Borda da Internet das Coisas (IoT): os sensores e as plataformas de IoT coletam e orquestram continuamente os dados necessários para que as organizações derivem valor de ativos físicos. Esse feed de dados em tempo real é o que garante que um gêmeo digital mantenha uma cópia real ao vivo de um ativo, processo ou ecossistema. Quando gêmeos digitais são usados ​​para otimizar as operações, a velocidade e a precisão tornam-se primordiais. O processamento distribuído na borda da nuvem torna-se crítico em tais cenários.

5G: Um fluxo de dados contínuo em tempo real entre as versões física e virtual é crítico para gêmeos digitais. Com suas velocidades ultrarrápidas, baixas latências e capacidade para suportar altas densidades de dispositivos, o 5G se torna um acelerador digital gêmeo essencial.

Inteligência Artificial e Big Data Analytics: AI, combinada com ferramentas analíticas, apóia a tomada de decisão dos operadores da cidade e permite a automação de tarefas operacionais. Por exemplo, um sensor de áudio que faz parte da infraestrutura da cidade pode alertar o pessoal do centro de operações sobre um acidente e fornecer uma lista de possíveis respostas. Este tipo de sensor também pode acionar automaticamente a vigilância por drones da área afetada.

Ferramentas de visualização: centros de operações em tempo real com vídeo walls e ferramentas de visualização 3D, como Building Information Modeling (BIM), são componentes essenciais dos gêmeos digitais. A realidade aumentada e as tecnologias de realidade virtual podem levar essas ferramentas para o próximo nível, aumentando a eficácia e a precisão dos gêmeos digitais. Essas tecnologias também têm implicações importantes em operações, treinamento, projeto e simulação.

Plataforma Digital: Uma plataforma digital realiza a integração de todas essas tecnologias, conectando aplicativos e dados para eliminar silos. A plataforma também conecta várias empresas e parceiros do ecossistema para explorar totalmente o valor do ecossistema e exceder as capacidades dos sistemas autônomos.

Exemplos de gêmeos digitais

A Virtual Singapore, desenvolvida de forma colaborativa por várias entidades governamentais da cidade-estado, é um bom exemplo de uma cidade gêmea digital. Um modelo de cidade 3D dinâmico e uma plataforma de dados colaborativa mostram aspectos como mapas de área e seus vários componentes – incluindo vegetação, corpos d’água e infraestrutura de transporte, bem como edifícios e ativos – em detalhes. Isso é complementado com diferentes fontes de dados e informações estáticas, dinâmicas e em tempo real da cidade, como dados demográficos, movimentos e clima. Esses dados são usados ​​por vários departamentos governamentais de inúmeras maneiras, simulando um incidente em um estádio para formular um plano de evacuação, por exemplo, ou analisando os padrões de tráfego e de movimento de pedestres para planejar a construção de uma nova ponte de pedestres e monitoramento em tempo real de novos projetos de construção. Esta plataforma dupla digital agora está sendo estendida a parceiros e outros jogadores terceirizados, que podem usá-la para criar aplicativos da cidade que melhoram a vida dos cidadãos.

Outro exemplo é Yingtan, uma cidade chinesa pioneira na construção de cidades gêmeas digitais. Como parte de sua visão ‘baseado em IoT, Intelligent Yingtan’, o governo da cidade construiu serviços unificados com base em um modelo ‘One Center, Four Platforms’. As 43 categorias de aplicações de IoT da cidade – cobrindo áreas como água, transporte, postes e estacionamento – são consolidadas em um ‘cérebro’ de IoT, permitindo que a cidade construa um gêmeo digital, o que acabará por melhorar a vida de seus cidadãos.

Enquanto isso, o Reino Unido está levando o conceito para o próximo nível, construindo um gêmeo digital nacional, que será um ecossistema de gêmeos digitais conectados. Como um passo inicial, o país criou uma definição comum e uma abordagem para o gerenciamento de informações, para permitir o compartilhamento aberto e seguro de dados entre futuros gêmeos digitais. O Reino Unido também criou o Digital Twin Hub (DT Hub), uma comunidade habilitada para web para os primeiros usuários de gêmeos digitais aprenderem por meio do compartilhamento e progredirem por meio da aplicação prática.

O futuro dos gêmeos digitais

As operações da cidade baseadas em dados tornaram-se complicadas devido ao volume e variedade de novas fontes de dados (como vídeo e áudio digital, dados do sensor IoT, mídia social e biometria). Também há uma pressão considerável para reduzir o tempo gasto para analisar informações, acelerar o processo de resposta e usar novas ferramentas – como a computação cognitiva – para descobrir padrões que de outra forma seriam invisíveis. Os gêmeos digitais, habilitados por uma plataforma digital, têm enormes benefícios potenciais a esse respeito. A maioria das iniciativas de gêmeos digitais de cidades inteligentes dentro do reino está atualmente focada em transporte e serviços públicos ou restrita a ativos ou edifícios. Embora essa abordagem seja um bom começo, as equipes de gestão da cidade devem unir ativos a processos e, eventualmente, conectar ecossistemas inteiros, para realizar o verdadeiro potencial dessas iniciativas.

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Referência

Este artigo foi traduzido e adaptado do original, em inglês: How Digital Twins Enable Intelligent Cities, por Safder Nazir (Senior Vice President da Huawey- Digital Industries), 2020.

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