¿Qué son los gemelos digitales urbanos y cómo ayudan a crear ciudades más sostenibles?

Juan Carlos García Palomares, catedrático del departamento de Geografía de la Universidad Complutense de Madrid y Director de tGIS (Grupo de investigación Transporte, infraestructuras y territorio), explica que el gemelo digital urbano representa una evolución dentro de las Tecnologías de la Información Geográfica (TIG) y permite “reproducir la ciudad mediante cartografía digital y datos asociados a esa cartografía”.

A través de estos datos, se elaboran mapas digitales que permiten evaluar el ciclo de vida completo de los nuevos desarrollos urbanos, abarcando el estudio de aspectos como la distribución de equipamientos públicos y privados, el transporte, el urbanismo y el clima urbano.

Su funcionamiento se basa en la bidireccionalidad: además de la reproducción inicial, los gemelos digitales pueden actualizarse constantemente con datos en tiempo real según se vaya modificando el entorno físico original. Esta capacidad garantiza que cualquier modificación en una ciudad física se refleje en el modelo para maximizar su eficiencia. Como resultado de todo este procesamiento, se logra una reproducción virtual de alta fidelidad, plasmada en mapas 3D o cartografías animadas que reflejan con exactitud todos esos cambios y su temporalidad.

¿Qué datos utiliza un gemelo digital urbano?

La utilidad de los gemelos digitales urbanos reside en su nivel de detalle y precisión, algo que solo se logra al nutrir al modelo con datos constantes. Según el catedrático, estos datos se dividen en dos tipos: información con altas resoluciones espaciales, que cubre todo el conjunto de la ciudad cada pocos metros, y datos con altas resoluciones temporales, recogidos a lo largo de horas, días y semanas.

Estos sensores y sistemas de monitorización capturan la realidad urbana y abarcan múltiples aspectos. Como señala el Director de tGIS: “Ahora podemos medir la intensidad de iluminación de cada farola de la ciudad, realizar conteos de peatones en las calles peatonales de los centros urbanos, medir los niveles de contaminación, las plazas de aparcamiento disponibles… y todo casi en tiempo real”. La captura de datos se enfoca en variables clave:

• Alumbrado y sensores: Medición precisa de la intensidad de iluminación en cada farola.
• Ocupación urbana: Sistemas de conteo de peatones ubicados en las calles de los centros urbanos.
• Contaminación y energía: Registro de los niveles de contaminación atmosférica y monitorización de flujos de energía.
• Movilidad: Control y disponibilidad de las plazas de aparcamiento.

Aplicaciones reales de los gemelos digitales en las ciudades

Los gemelos digitales urbanos “revolucionan las posibilidades de simulación y modelización”, apunta García Palomares. Mediante algoritmos de aprendizaje automático, facilitan la comprensión profunda del comportamiento de una ciudad. “Conociendo sus patrones, es posible predecir y simular cambios repentinos o las realidades futuras”, subraya el experto. Estas son algunas de sus aplicaciones reales más destacadas:

• Movilidad inteligente: Esta tecnología ayuda a mejorar el tráfico y prevenir posibles peligros. Un proyecto de la Universidad de Vigo ha desarrollado un modelo que considera factores cambiantes, tales como la climatología, la densidad de tráfico o el comportamiento de los conductores, para obtener recomendaciones ajustadas a la realidad y localizar puntos de conflicto en la circulación.
• Gestión del agua: Resultan vitales para reducir la huella hídrica y optimizar los recursos. Son capaces de detectar posibles fugas al comparar el modelo real de consumo con un modelo ideal. También mejoran el riego en jardinería integrando datos meteorológicos y de las condiciones del suelo para utilizar el agua únicamente cuando sea necesario.
• Energía: Permiten recalcular y valorar cómo gestionar los flujos energéticos para hacerlos más eficientes. Al combinar modelos de aprendizaje automático (‘machine learning’) con la simulación digital, una ciudad puede hacer una predicción realista de su demanda energética para evitar sobrecargas de la red, consumos inadecuados y costes altos.
• Gestión climática: La tecnología hace posible realizar ajustes en tiempo real y optimizar la energía ante las situaciones extremas provocadas por el cambio climático, detectando variaciones de temperatura y evaluando infraestructuras verdes.
• Emergencias: Durante situaciones críticas, actúan como un centro de mando unificado.

Cómo ayudan los gemelos digitales a reducir la huella de carbono

El uso de esta tecnología está fuertemente enfocado en la reducción de la huella de carbono de las ciudades. Los gemelos digitales urbanos son “útiles porque nos permiten entender cómo funciona la ciudad”, y mediante esa profunda comprensión se pueden implementar medidas para reducir paulatinamente las emisiones contaminantes.

Este impacto positivo se logra a través de la mejora en la eficiencia energética y la reducción del consumo de recursos, vigilando de cerca fugas de energía o agua. Además, la planificación urbana se ve optimizada al analizar el comportamiento "regular" de los ciudadanos, como los desplazamientos matutinos desde las zonas residenciales hacia los espacios de trabajo o el uso de los centros educativos y sanitarios a ciertas horas. Ante esto, “el gemelo digital reproduce ese comportamiento y ayuda a planificar la ciudad para darle servicios. Pero, además, reconociendo patrones puede simular el comportamiento cuando hay cambios”, señala García.

Reconocer estos patrones cambiantes es fundamental para mitigar la huella de carbono vinculada a la movilidad. El sistema es capaz de regular mejor el tráfico para evitar atascos, previendo cómo cambia la circulación cuando llueve, ante una manifestación o durante un evento multitudinario. Al anticipar estos escenarios, el gemelo digital contribuye decisivamente a “reducir la incertidumbre”.

Cómo ayudan a gestionar olas de calor, inundaciones y desastres

La simulación constante de escenarios hace que los gemelos digitales sean especialmente valiosos en situaciones extremas y en el marco de la adaptación climática. En el ámbito de la regulación de temperatura, son determinantes en la gestión de olas de calor al permitir la detección de islas de calor urbanas. Gracias a esta información, las ciudades pueden localizar de forma estratégica refugios climáticos o zonas verdes para proteger a los ciudadanos. Además, es posible probar la eficacia de diversas infraestructuras verdes en el entorno digital antes de proceder a su implementación física.

Todas estas funcionalidades serán fundamentales para ayudar en la gestión climática y crear ciudades más resilientes. Como añade García, frente a un desastre, el gemelo digital sirve como centro de mando no solo para visualizar la localización de los recursos de emergencia o qué población corre un mayor riesgo, sino “también para planificar y evaluar las actuaciones de recuperación una vez haya ocurrido” el evento.

El futuro de las ciudades inteligentes impulsadas por IA

Además de su capacidad para analizar los escenarios del pasado y el presente, los gemelos digitales urbanos impulsados por IA ayudan a planificar un futuro más sostenible. La integración tecnológica facilita enormemente la toma de decisiones, ya que permite, tanto a gestores públicos como privados, evaluar de antemano los efectos y el impacto de sus políticas o actuaciones.

La simulación se posiciona así como el eje central de las decisiones estratégicas. “Por ejemplo, un gemelo digital permite simular los cambios que va a generar un nuevo desarrollo de suelo urbano en la periferia de la ciudad o, puede ayudar a decidir a una empresa comercial donde situar su nuevo centro comercial”, ejemplifica García. De esta manera, al integrar el análisis de datos masivos y la representación visual en un solo cerebro virtual, las futuras ciudades inteligentes podrán crecer de manera planificada y eficiente.

Algunos ejemplos de gemelos digitales urbanos

En ciudades de más de un millón de habitantes como Madrid, se ha empezado a probar la eficacia de los gemelos digitales. Un proyecto impulsado por el Ayuntamiento de Madrid ha creado un gemelo digital urbano para la ciudad y lo han utilizado en múltiples ocasiones. Por ejemplo, en la última cabalgata de Reyes, en la que lo aplicaron para garantizar la seguridad de los asistentes, la integridad de los vehículos y la viabilidad del recorrido. También lo han empleado para hacer un inventario de la ciudad: señales de tráfico, mobiliario urbano, elementos de la infraestructura vial, y otros puntos de interés.

La ciudad de Benidorm (Alicante) inició este año el proceso para conseguir también su propio gemelo digital. La intención principal es proporcionar una plataforma que permita realizar la estimación dinámica de la población flotante y su interacción con servicios urbanos, con especial atención al fenómeno turístico.

Por otro lado, la ciudad de Barcelona cuenta con dos proyectos, uno privado y otro público. El primero se llama Barcelona Metropolitan Digital Twin, gestionado por la empresa Aretian, y se está utilizando para decidir el espacio en el que irán 500.000 nuevas viviendas en el área metropolitana. El segundo, liderado por el Barcelona Supercomputing Center - Centro Nacional de Supercomputación (bsc-cns), tiene entre sus objetivos cuantificar la polución del aire y el ruido urbano, para reducirlos y mejorar la salud pública.