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Gemelos digitales y su uso para medir la calidad del aire

Publicado en 16 septiembre, 2019

Big Data IOT, Inteligencia artificial IOT,

Los gemelos digitales o digital twins son una herramienta que ha saltado desde la industria 4.0, donde han tenido un notable eco, al ámbito de la smart city o ciudad inteligente. Se trata de una tecnología que la consultora Gartner situó entre las 10 principales tendencias de 2018. Una encuesta de ese mismo año sugiere que un 48% de las compañías que ya disfrutan de los beneficios del IoT utiliza gemelos digitales o tienen planificado su pronto desarrollo (1). ¿Qué son y qué beneficios introducen en áreas como la supervisión de la calidad del aire?

Gemelos digitales, simulando el mundo real

Un gemelo digital es una réplica virtual o representación digital dinámica en 3D de un sistema físico o proceso real.

El concepto de gemelo digital fue introducido por Michael Grieves en 2002 (2). Se diferencia de un prototipo virtual en la continua actualización que experimenta en base a datos que recopilan, por ejemplo, los dispositivos de internet de las cosas (IoT).

Estas representaciones digitales, por tanto, crean un puente entre el mundo virtual y el entorno físico. De esta forma pueden reflejar, por ejemplo, datos de calidad del aire como los que recopilan las estaciones de medición y dispositivos de ENVIRA e información de otros medios que operan bajo estándares abiertos y que incorporan información GPS.

La recopilación de esa información y su análisis a través de un gemelo digital permite responder a 3 aspectos principales:

  • Qué ocurre
  • Por qué ocurre
  • Qué ocurre si…

De estas 3 cuestiones planteadas, la última es posiblemente la que destaca por los beneficios que representa. La formulación de diferentes escenarios permite anticipar comportamientos, introduciendo como ventaja el uso de datos reales y la observación de las interacciones que surgen entre los diferentes elementos que conforman una ciudad (personas, infraestructuras, etc.). De esta forma, se pueden diseñar medidas orientadas a la rápida gestión y resolución de ese problema en caso de que surja en el mundo real (3). Un ejemplo claro sería la posibilidad de analizar el impacto sobre el ruido y la contaminación del aire que tendría reducir la velocidad de los vehículos en una calle.

Uso de digital twins en la supervisión de la calidad del aire

El uso de gemelos digitales en aspectos relacionados con los niveles de contaminación se puede explicar desde dos perspectivas: calidad del aire interior y calidad del aire exterior.

Gemelos digitales de edificios, una tendencia en alza

Una construcción también puede tener su copia virtual y posibilitar la simulación de diferentes circunstancias para analizar las correspondientes respuestas.

En un edificio de oficinas, por ejemplo, las variables ambientales son un factor fundamental para la creación de unas condiciones de confort idóneas. De su supervisión se encargan diferentes tipos de sensores que miden factores tales como

  • Temperatura
  • Humedad
  • Concentración de CO2, considerado como uno de los indicadores más relevantes para conocer la calidad del aire interior
  • Partículas en suspensión (PM10 y PM2.5
  • Compuestos orgánicos volátiles (COVs)
  • Ozono

La conexión de todos estos sensores con la representación digital, junto con otras informaciones relevantes tales como gasto energético o consumo de agua, puede ayudar a optimizar un espacio de trabajo y reducir los costes de operación.

En cierta forma, estos son beneficios que también se pueden alcanzar con la aplicación de tecnologías BIM (Building Information Modeling). Aunque esta metodología se aplica principalmente a las fases de diseño y construcción, su uso también es factible para monitorizar la edificación a lo largo de su vida útil.

Sin embargo, hay un aspecto fundamental que diferencia los sistemas BIM de los gemelos digitales: la inclusión del factor humano y cómo la gente interacciona con el espacio construído (4). Así, un gemelo digital, además de ofrecer información sobre los diferentes subsistemas, puede responder a cuestiones tales como el previsible comportamiento de los ocupantes en caso de un fallo del sistema de climatización o las necesidades de ventilación para un aforo determinado de personas que acuden a un evento.

Entorno urbanos, digital twins y calidad del aire

Los niveles de contaminación que soportan muchas ciudades son uno de los principales quebraderos de cabeza de numerosas administraciones.

El despliegue de diferentes sistemas de medición, en los que ENVIRA es referente, permite paliar las carencias de información de calidad del aire y mostrar una imagen de la ciudad con un detalle nunca alcanzado hasta el momento. Pero, ¿de qué forma afectan sobre la calidad del aire otros factores como los desplazamientos diarios de la población o los cambios en los usos del suelo?

Los gemelos digitales podrían ayudar a responder la cuestión planteada, ya que tienen el potencial para que las ciudades desarrollen políticas con una visión holística, es decir, teniendo en cuenta las interacciones que se crean entre los diferentes sistemas que forman parte de un ámbito urbano.

No obstante, siempre resulta más sencillo explicar la aplicación de gemelos digitales a través de un ejemplo que, en el presente caso, llega desde la ciudad británica de Cambridge.

Cambridge, mejorando la calidad del aire gracias a un gemelo digital

El proyecto para la creación de un gemelo digital que se ha iniciado en Cambridge (5) y que parece ser el inicio de un ambicioso proyecto a escala nacional, el National Digital Twin (6), aborda dos retos:

  • Reducir los problemas de congestión de tráfico
  • Mejorar la calidad del aire

Los datos que han previsto utilizar son sumamente variados. Así, y además de modelizar información relativa a calidad del aire procedente de diversos dispositivos, estaciones de medición u operadores privados, el equipo investigador y de desarrollo del modelo digital incluirá información relacionada con los patrones de movilidad que muestran las personas que se desplazan de forma recurrente a Cambridge. De esta forma, serán tenidas en cuenta variables tales como la edad, los antecedentes socioeconómicos o la situación laboral.

De igual forma, entre los escenarios que se plantean recrear, muchos de los cuales resulta evidente tiene un impacto directo sobre la calidad del aire, cabe destacar las posibles inversiones en transporte que se vayan a realizar, la distribución del empleo en jornadas completas o parciales o la posibilidad de disfrutar de horarios flexibles u opciones de teletrabajo.

Los gemelos digitales, en resumen, pueden terminar erigiéndose como una útil herramienta de gobernanza para mejorar de la calidad de vida, sirviendo no solo para observar los datos en conjunto, sino también para analizar el impacto de las interacciones y los diferentes comportamientos derivados.

Referencias:
– (1) Digital Twin initiatives set to take enterprise center stage: Gartner (13/03/2018). ZDNet. https://www.zdnet.com/article/digital-twin-initiatives-set-to-take-center-stage-in-the-enterprise-gartner/
– (2) The history and creation of the digital twin concept (19/03/2019). Challenge Advisory. https://www.challenge.org/insights/digital-twin-history/
– (3) Mohammadi, N., & Taylor, J. E. (2017). Smart city digital twins. 2017 IEEE Symposium Series on Computational Intelligence (SSCI). doi:http://doi.org/dbbv
– (4) Digital twins vs. Building Information Modeling (BIM) (15/04/2019). IoT for All. https://www.iotforall.com/digital-twin-vs-bim/
– (5) Nochta, T., Badstuber, N., & Wahby, N. (2019). On the Governance of City Digital Twins – Insights from the Cambridge Case Study. doi: http://doi.org/dbbt
– (6) Corke, G. (18/07/2019) Seeding the National Digital Twin. AEC Magazine. https://www.aecmag.com/component/content/article/59-features/1835-seeding-the-national-digital-twin

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