Quando si parla di gemello digitale, digital twin in inglese, ci si riferisce a «una rappresentazione virtuale di un sistema fisico, del suo ambiente e dei processi ad esso associati, che viene aggiornata attraverso lo scambio di informazioni tra il sistema fisico e quello virtuale».

Il concetto di gemello digitale è stato proposto da Michael Grieves nel suo corso sulla gestione del ciclo di vita del prodotto presso l'Università del Michigan nel 2003.

Le prime applicazioni dei gemelli digitali sono state nel campo dell'aeronautica, il loro utilizzo si è esteso ad altri settori come la progettazione di prodotti e il monitoraggio strutturale dinamico, cioè il monitoraggio dello stato di salute di edifici e infrastrutture.

Gli urban digital twin

I gemelli digitali hanno iniziato a trovare applicazione nel settore delle costruzioni a partire dal 2018, in particolare nella fase di progettazione e in quella di manutenzione; nello stesso periodo hanno iniziato a essere utilizzati anche nell’ambito della gestione urbana.

I digital twin non sono il primo strumento digitale utilizzato nel settore dell’urbanistica, già negli anni '50 i primi computer commerciali furono impiegati per sviluppare modelli urbani e, nel 1955, il Chicago Area Transportation Study fu il primo modello urbano realizzato avvalendosi del computer.

Con i progressi dell’informatica, sono stati sviluppati anche modelli di città in 3D, ma essi hanno iniziato a sostituire i tradizionali piani regolatori solo a partire dagli anni 2000.

L’idea di utilizzare i digital twin in ambito urbanistico nasce con il concetto di smart city, divenuto popolare a partire dagli anni 2010. Con il termine smart city si intende una città in cui l'amministrazione e i cittadini cooperano con le nuove tecnologie con l'obiettivo di rendere la città più efficiente, intelligente, sostenibile, sicura, inclusiva e democratica.

Gli approcci attuali di progettazione e gestione urbana non hanno né la capacità di integrare le informazioni provenienti dalle diverse reti di servizi (come: energia, trasporti, reti stradali, infrastrutture idriche), né di interagire direttamente con la città; mentre i gemelli digitali urbani hanno il potenziale per superare questi limiti.

A oggi, sono stati sviluppati diversi gemelli digitali urbani. Tuttavia, ogni implementazione è stata diversa e non esiste un quadro chiaro di cosa sia un gemello digitale urbano. Ciò è anche dovuto al fatto che le caratteristiche variano significativamente in funzione di diversi fattori come chi sarà il principale utilizzatore e il tipo di dati che deve monitorare. Poiché l’adozione degli urban digital twin è in una fase iniziale, anche la letteratura scientifica esistente è limitata e la terminologia è spesso confusa. Ciò è evidente nell'uso improprio del termine gemello digitale urbano per riferirsi semplicemente a un modello digitale 3D di una città. Questa confusione è in parte alimentata dal fatto che il modello digitale 3D della città viene utilizzato come base su cui costruire gemelli digitali urbani.

Le caratteristiche minime che definiscono un urban digital twin

Lo studio The adoption of urban digital twins pubblicato a dicembre 2022, basato su un’analisi della letteratura scientifica esistente sull’argomento, ha individuato le caratteristiche minime che definiscono un urban digital twin. Sostanzialmente si distinguono quattro livelli:

• un livello di acquisizione dati costituito da sensori e banche dati che creano e alimentano il modello;
• un livello di modellazione dei dati, in cui i dati raccolti da sensori e database sono utilizzati per aggiornare costantemente la replica virtuale;
• un livello di simulazione in cui i dati vengono elaborati per fornire una risposta;
• un livello di servizio/attuazione in cui il modello digitale, in base alla risposta elaborata, interagisce con il sistema reale o in modo diretto, agendo sulle infrastrutture urbane, per esempio, gestendo semafori, controllando valvole e chiuse della rete idrica, o in modo indiretto fornendo informazioni, per esempio, a squadre di manutenzione o a cittadini.

Oltre ai quattro livelli che costituiscono il gemello digitale, non va dimenticato il livello fisico che comprende le infrastrutture o i servizi rappresentati dal gemello digitale e su cui quest’ultimo può agire.

Quando si parla di urban digital twin, quindi, non ci si riferisce a una singola tecnologia, ma all’integrazione di diverse tecnologie. Generalmente come base dei gemelli digitali urbani viene utilizzata una mappa 3D della città con le texture di facciate, tetti e strade. Il modello 3D è facile da usare e creare rispetto ad altri sistemi, e inoltre è particolarmente utile quando i dati devono essere consultati da utenti non esperti, infatti, questi modelli di solito sono utilizzati anche dai cittadini. Una città include un'ampia e variegata gamma di sistemi come infrastrutture stradali, reti idriche ed elettriche, trasporto pubblico, quindi un gemello digitale urbano, oltre alla mappa 3D, deve includere un numero elevato di sistemi per monitorarne e predirne il funzionamento anche al variare delle condizioni ambientali. Per far ciò, al suo interno deve integrare anche diversi modelli, per esempio, modelli meteorologici e climatici, modelli dell'inquinamento atmosferico e acustico. Alcuni integrano anche modelli che sono in grado di prevedere l’impatto di eventuali inondazioni sulle infrastrutture urbane.

Per realizzare e mantenere aggiornato un urban digital twin vengono utilizzate diverse fonti di dati: database come il catasto, per fornire informazioni sull’ubicazione e la planimetria degli edifici, che insieme alle immagini terrestri e aeree, forniscono le informazioni necessarie per il modello 3D della città; sensori di temperatura e umidità per i modelli meteorologici, sensori che monitorano la qualità dell’aria per i modelli di inquinamento atmosferico, sensori che misurano il livello dell'acqua per il monitoraggio degli allagamenti e della rete fognaria.

In base all’architettura scelta per elaborare, analizzare e archiviare i dati raccolti dai sensori, possiamo distinguere:

• Il cloud computing prevede che i dati raccolti dai sensori confluiscano tutti in un data center remoto in cui vengono elaborati e archiviati; è la modalità predominante, tuttavia se da un lato ciò semplifica la manutenzione e consente di disporre di una grande potenza di calcolo, dall’altro è limitata dalla larghezza di banda disponibile e dalla velocità di trasmissione del dato dal sensore al cloud. Quest’ultimo aspetto può essere un ostacolo per lo sviluppo di servizi come i veicoli a guida autonoma che hanno bisogno di tempi bassi di latenza;
• L’edge computing è la soluzione opposta al cloud computing, i dati sono direttamente elaborati a livello del sensore o nelle immediate vicinanze. Questo elimina il problema della trasmissione dati, quindi riduce anche i tempi di latenza. Inoltre è un sistema facilmente scalabile ed è più resiliente, perché, anche se si verifica un guasto a livello di un singolo nodo, gli altri possono continuare a funzionare. Il principale svantaggio di questa soluzione è dato dalla ridotta potenza di calcolo disponibile localmente;
• Il flog computing è una sorta di compromesso tra i due sistemi, in cui esistono più server, ciascuno che elabora i dati provenienti da un limitato numero di sensori nelle sue vicinanze.

I gemelli digitali delle città non solo possono rispecchiare e interagire con l'aspetto fisico della città, ma anche con gli aspetti sociali ed economici.

L'interattività derivata da questo scambio di dati ha il potenziale per portare importanti benefici nella gestione e nel funzionamento delle infrastrutture urbane.

Benefici e rischi dei digital twin

Grazie alla capacità di elaborare contemporaneamente informazioni provenienti da un'ampia gamma di set di dati, i gemelli digitali urbani sono in grado di realizzare previsioni sull’evoluzione della controparte fisica e di eseguire simulazioni sul modello virtuale, che consentono di valutare l’impatto di un intervento prima che sia realizzato. Ciò permette alla pubblica amministrazione di prendere decisioni ponderate, il che si traduce in una migliore gestione urbana e in una città più sostenibile a vantaggio di tutta la società.

Inoltre, avere tutti i dati unificati in un unico ambiente, facilita il loro utilizzo e la loro consultazione anche da parte di diverse tipologie di utenti, dai meno esperti, come cittadini e turisti, agli esperti come gli amministratori dei servizi urbani. Facilitare l'uso dei dati per i cittadini ha anche il vantaggio di aumentare la loro partecipazione e il loro impegno nella pianificazione urbana.

Anche se l'implementazione dei gemelli digitali nell'ambiente urbano è considerata vantaggiosa per la città, i suoi cittadini e i suoi amministratori, non è esente da inconvenienti.

Lo sviluppo e l'implementazione dei gemelli digitali ha un costo maggiore rispetto a sistemi di controllo e monitoraggio più semplici. Inoltre, a causa della complessità tecnica di un gemello digitale, sono necessari profili professionali qualificati per progettarlo, installarlo e mantenerlo.

Inoltre, non vanno sottovalutate le complessità tecniche. I set di dati dei gemelli digitali delle città sono ampi e complessi, per elaborarli occorre una grande capacità di calcolo, con relativi costi.

La sicurezza informatica è un'altra preoccupazione in quanto gli attacchi informatici ai gemelli digitali urbani possono essere critici. Se un gemello digitale urbano venisse compromesso, potrebbero essere violati dati sensibili. Inoltre, se qualcuno riuscisse a ottenere il controllo del sistema potrebbe avere gravi conseguenze su infrastrutture urbane vitali come i sistemi di gestione del traffico, le reti di trasmissione dell'energia elettrica o le reti di approvvigionamento idrico.

Infine, c'è la questione legale di chi è responsabile se il gemello digitale prende una decisione sbagliata. Domande simili vengono discusse in altri campi come la guida autonoma.

La maggior parte dei digital twin si trova in Europa

Sempre secondo lo studio The adoption of urban digital twins, oltre il 60% dei progetti viene realizzata in Europa, probabilmente grazie alla presenza di consistenti finanziamenti provenienti dal programma Horizon Europe.

Un'analisi dei risultati ha mostrato che i principali utilizzatori dei gemelli digitali urbani variano da città a città, ma nei casi più comuni sono le pubbliche amministrazioni, presenti in tutti i digital twin, seguiti dai gestori dei servizi, dalle utilities e dai cittadini. Per esempio, i gemelli digitali urbani sviluppati per controllare la domanda di energia tendono a integrare simultaneamente modelli della fornitura e della produzione di elettricità e delle fonti rinnovabili. Gli utilizzatori di questi digital twin sono generalmente la pubblica amministrazione e i proprietari e/o gestori della rete elettrica e degli impianti di produzione dell’energia.

Zurigo è tra le città che ha sviluppato un urban digital twin avanzato, visitabile a questo link, basato su un modello 3D della città, che consente la visualizzazione di spazi stradali, edifici pubblici e servizi. Esso è stato sviluppato come parte integrante della strategia smart city della città, per migliorare l'amministrazione cittadina e supportare il processo decisionale in materia di pianificazione urbana, come il confronto e la valutazione di diversi scenari di sviluppo urbano, l'integrazione delle questioni climatiche urbane nei piani di sviluppo e la facilitazione della partecipazione pubblica alla pianificazione. Proprio al fine di facilitare i contributi delle diverse parti interessate e l’accessibilità ai dati della città, il gemello digitale utilizza open data. Inoltre, è stato sviluppato un geoportale che facilita la raccolta dei geodati per aggiornare il modello automaticamente.