Социально-экономическое развитие регионов России характеризуется неравномерностью [1]. Несмотря на равные институциональные условия, субъекты РФ отличаются по уровням экономической эффективности, объемам производства, объемам инвестиций и уровню занятости [2]. Спускаясь на уровень ниже, т.е. к городам, мы видим также элементы их неравномерного развития (городского пространства). Различия формируются в связи с многообразными природно-климатическими условиями, уровнем обеспеченности трудовыми ресурсами и степенью развитости инфраструктуры [2]. Однако явные отличия можно увидеть и среди административных районов городов России. Таким образом, урбанизированные территории развиваются неравномерно.
Развитие городов сопровождается усложнением градостроительных систем и их управления. Масштабные городские проекты сложны в реализации, что является одной из причин неравномерного развития городского пространства [3]. Города не только увеличивают масштаб, но и наращивают скорость самого развития городской среды [4]. Организация, планирование, управление и контроль требуют значительного внимания. Еще одной причиной неравномерного развития является фокус на центральной части города и отсюда, как следствие, возможное появление «гетто-районов» [5].
Ситуация неравномерного развития и формирования урбанизированных территорий со временем будет только усугубляться. Могут возникнуть следующие последствия [4–7]:
− перегрузка транспортной сети и неудовлетворительное транспортное обслуживание (транспорт в городе – важный элемент инфраструктуры, определяющий доступность ко всем точкам города);
− развитие новых жилищных районов как неблагоприятных и криминальных и отсутствие достаточной обеспеченности населения коммерческими площадями, социальной инфраструктурой и комфортным благоустройством (новые жилые районы появляются дальше от центра города без соответствующей инфраструктуры);
− снижение эффективности управления государственной собственностью (неравномерность развития городского пространства поспособствует появлению проблем в управлении, так как фокус будет на отдельных районах, а не на городе в целом);
− снижение привлекательности города для жителей и инвесторов и его конкурентоспособности (неравномерное распределение объектов инфраструктуры негативно влияет на жителей города и туристов).
Перечисленные события могут негативно сказаться на общем развитии города. И так называемые «улучшения», возможно, будут производить обратный эффект.
Неравномерное развитие городского пространства – значимая проблема, требующая незамедлительного решения. Последствия рассмотренного феномена подтверждают это.
Развитие городской среды – это прежде всего строительство, реконструкция и техническое перевооружение зданий и сооружений. Строительная отрасль активно внедряет современные технологии, в том числе инновационные, такие как цифровизация [8]. Именно цифровизация становится инструментом повышения совокупной эффективности и конкурентоспособности урбанизированных территорий, умных регионов и городов [7].
Город, как сложный организм, требует управления и контроля в режиме реального времени [3]. Для подобных целей используют модели. Например, BIM-моделирование, которое может ускорить сроки выполнения проекта благодаря системе автоматизированного проектирования [8]. BIM сосредоточен на определенном объекте. Мы предлагаем использовать более масштабную модель – цифровой двойник города.
В ходе исследования была выдвинута гипотеза о том, что использование цифрового двойника города способно обеспечить равномерное развитие урбанизированных территорий и эффективное управление ими.
Актуальность исследования обусловлена неравномерным развитием городского пространства и дальнейшим ухудшением данной ситуации. Новизна исследования – это предлагаемый для решения проблемы такой инструмент, как цифровой двойник города.
Целью данного исследования является обоснование выдвинутой нами гипотезы о том, что использование цифрового двойника города способно обеспечить равномерное развитие урбанизированных территорий и результативное управление ими.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
− изучить теоретические основы цифрового двойника города;
− проанализировать возможности цифрового двойника города;
− изучить стратегии развития городского пространства на примере Екатеринбурга;
− проанализировать способы использования цифрового двойника города в городском управлении;
− оценить экономический и социальный эффект использования цифрового двойника города.
Исследование базируется на теоретических методах исследования – это анализ, синтез, классификация и сбор информации из различных источников. Данные методы позволяют сформировать общую картину о цифровом двойнике города, проанализировать возможность его использования в решении всевозможных градостроительных проблем, показать экономический и социальный эффект.
Цифровой двойник – это сложная копия или модель объекта, представленная через цифровую информацию. Цифровой двойник может относиться к разным объектам и его составляющим (человек, место, процесс, устройство). Благодаря постоянной и беспрепятственной передаче данных между реальным (физическим) и цифровым объектом облегчается контроль и оптимизируются рабочие процессы [6, 7].
Прежде цифровые двойники использовались в сфере технического проектирования. С недавнего времени потенциал цифровых двойников начал распространяться и в другие сферы, в том числе в процессы управления городским развитием. При этом возможен как перевод города в цифровую модель (например, цифровой двойник Сингапура), так и создание нового города с дальнейшим воплощением в реальность (например, цифровая модель города Амарвати) [3].
Главной особенностью цифрового двойника является численное моделирование. Именно оно позволяет проанализировать текущее состояние, прогнозировать изменения объекта после определенного периода времени и своевременно принимать меры по предотвращению возникающих проблем. Процесс управления и мониторинга становится беспрепятственным [7].
Цифровой двойник основывается на имитационной модели. Имитационная модель показывает, что будет, если произойдет определенное событие. Цифровой двойник показывает, что происходит сейчас и что будет, если произойдет определенное событие [6, 9]. Цифровой двойник корректирует и поддерживает имитационную модель в режиме реального времени [3, 7, 9].
На базе теоретических основ можно выделить следующие возможности, которые предоставляет цифровой двойник города [7, 9]:
− визуализация и моделирование различных объектов;
− прогнозирование физических процессов для предотвращения негативных ситуаций;
− оперативные обработки и накопление больших массивов данных;
− использование новых технологий для качественного моделирования;
− рассмотрение модели как устойчивого элемента;
− анализ поведения цифрового двойника с реальными данными и в режиме реального времени;
− оценка вероятности аварии или сбоя в данный момент;
− совместная работа в едином цифровом пространстве.
Таким образом, формирование цифрового двойника города может помочь с решением установленных градостроительных проблем, разрабатывать новые модели управления городом и городским пространством.
Качественный экономический рост страны возможен при равномерном экономическом развитии субъектов [2]. Такая же ситуация отмечается и с городом. Чтобы улучшить проживание в городе, необходимо равномерно развивать его городское пространство.
Равномерное развитие урбанизированных территорий характеризуется следующими признаками [10–12]:
1. Многофункциональные зоны, которые имеют необходимую инфраструктуру вне зависимости от отдаленности от центра города.
2. Шаговая доступность объектов социальной инфраструктуры.
3. Зеленая справедливость, равномерное расположение зеленых общественных зон в каждом районе города.
4. Транспортная доступность и мобильность.
5. Экологическая устойчивость.
6. Внедрение систем «умного города» во всех районах города, а не только в центральных.
Проблема неравномерного развития городского пространства явно проявила себя во время пандемии. Люди, которые живут вдали от центра, не имели доступа ко многим городским благам. Распределение объектов в городе зависит от городского планирования. Пандемия коронавируса показала, что требуются изменения в организации, планировании и управлении городом для его устойчивого развития [11, 12].
Неравномерное развитие вызвано концентрацией функциональных объектов в районах города с развитой инфраструктурой [13]. Интенсивный рост развития урбанизированных территорий характеризуется улучшением инфраструктуры и «вертикальным» развитием города. Экстенсивный рост в современном городском развитии предполагает расширение. Границы города отдаляются от центра, появляются новые жилые комплексы и целые жилые районы. Однако новые жилые районы не имеют развитую инфраструктуру. Самый простой пример – нехватка объектов социальной инфраструктуры. Темпы строительства жилья намного выше, чем инфраструктурного развития [5, 12].
Тем не менее города стремятся к равномерному развитию, что можно увидеть в их стратегических планах пространственного развития города. Рассмотрим данное направление на примере столицы Урала, Екатеринбурга.
Основными стратегиями развития городского пространства являются [14]: функциональное и пространственное разнообразие; компактное развитие города; учет природных ландшафтов; улучшение качества экологии; приоритетное развитие комфортного общественного транспорта; создание системы качественных общественных пространств; соразмерный человеку масштаб архитектурной среды; своеобразие и узнаваемость; баланс социальных и экономических интересов.
Из формулировки задач стратегического развития города можно увидеть пересечение с признаками равномерного развития. Стратегии развития городского пространства Екатеринбурга стремятся к достижению равномерного развития. Однако изучение стратегического плана показало отсутствие инновационных технологий для достижения данных целей. Наше исследование предлагает использовать в качестве инструмента инноваций цифровой двойник города.
В табл. 1 представлено, каким образом цифровой двойник города способствует достижению стратегических целей города и равномерного развития.
Из таблицы видно, что цифровой двойник города при грамотном его использовании может улучшить городское пространство, организационные схемы застройки территории и управление ими. Например, возможно решить актуальную проблему дефицита социальных объектов инфраструктуры, транспортной доступности и экологии.
Результаты анализа возможностей цифрового двойника города [3, 6, 7, 9, 13] и примера цифрового двойника Сингапура [15] представлены как экономический и социальный эффект от внедрения и использования цифрового двойника города (табл. 2).
В целом можно заметить положительный эффект от использования цифрового двойника города для развития урбанизированных территорий. Гипотеза о том, что использование цифрового двойника города способно обеспечить равномерное развитие урбанизированных территорий и управления ими, обоснована и подтверждается данными об эффектах.
Таблица 1
Способности цифрового двойника города в формировании равномерного города
|
Элемент городского развития |
Пути улучшения посредством цифрового двойника города |
Выполнение стратегических задач |
Выполнение признаков равномерного развития |
|
Жилая застройка |
Оперативное добавление новых объектов в модель. Возможность проведения архитектурно-градостроительного анализа, чтобы проектируемые объекты имели оптимальные параметры (расположение, высотность, архитектура) [3, 7] |
Соразмерный человеку масштаб архитектурной среды, баланс социальных и экономических интересов |
Многофункциональные зоны, которые имеют необходимую инфраструктуру вне зависимости от отдаленности от центра города |
|
Социальная инфраструктура |
Анализ расположения объектов социальной инфраструктуры. Наглядность потребности в социальных объектах во всех районах города. Моделирование различных вариантов и выбор оптимального [7, 13] |
Пространственное и функциональное разнообразие, создание системы качественных общественных пространств |
Шаговая доступность объектов социальной инфраструктуры; зеленая справедливость, равномерное расположение зеленых общественных зон в каждом районе города |
|
Транспорт |
Цифровая модель города показывает транспортные потоки общественного транспорта. Позволяет наглядно выявить проблемы и смоделировать новые транспортные потоки для дальнейшего внедрения [6, 7, 9] |
Приоритетное развитие комфортного общественного транспорта |
Транспортная доступность и мобильность |
|
Экология |
Единый источник данных, который содержит информацию о движении транспорта в городе. Позволяет смоделировать движение оптимально и разгрузить проблемные участки [6] |
Улучшение качества экологии |
Экологическая устойчивость |
|
Управление |
Цифровой двойник полностью отражает происходящее в городе в текущий момент. Повышается качество управления и мониторинга [6, 7] |
Компактное развитие города, своеобразие и узнаваемость |
Внедрение систем «умного города» во всех районах города, а не только в центральных |
Таблица 2
Оценка экономического и социального эффекта использования цифрового двойника города
|
Элемент городского развития |
Экономический эффект |
Социальный эффект |
|
Жилая застройка |
Снижение затрат на выбор оптимального решения ручным способом. Все можно посмотреть на модели |
Снижение недовольства жителей благодаря продуманной архитектуре зданий и городского пространства |
|
Социальная инфраструктура |
Снижение материальных, временных и трудовых затрат на выбор социального объекта. На модели можно определить, что и где необходимо построить |
Повышение качества жизни за счет равной обеспеченности всех жителей необходимыми социальными услугами |
|
Транспорт |
Снижение временных затрат на доставку, оптимизация регулирования дорожного движения |
Повышение качества жизни за счет безопасного и доступного для всех районов города общественного транспорта |
|
Экология |
Повышение привлекательности города |
Улучшение здоровья жителей |
|
Управление |
Рост эффективности управления, мониторинга и контроля |
Взаимодействие с жителями, ответы на их запросы |
Заключение
Проблемы городского развития проявили себя особенно после пандемии. Расширение города без равномерного распределения инфраструктурных объектов стало актуальной проблемой для урбанизированных территорий. Нами было предложено использовать цифровой двойник города в организации, планировании и стратегическом управлении развития урбанизированных территорий, опираясь на лучший мировой и отечественный опыт.
Цифровой двойник города позволит улучшить городские практики, организационные схемы застройки, объемно-пространственные регламенты, дизайн-коды, решить градостроительные проблемы, сохранить историческое наследие. Результаты исследования доказывают это.
Приведенный экономический и социальный эффект от использования цифрового двойника города показывает актуальность, эффективность и новизну данного инструмента. Однако приведенные выводы основаны на теоретических аспектах. Требуется исследование на основе эмпирических способов, что является предметом следующего исследования.