Выбросы углекислого газа продолжают расти рекордными темпами, что усиливает климатическую нестабильность и ухудшает качество воздуха для миллиардов людей в городах по всему миру. Несмотря на глобальные обязательства по достижению углеродной нейтральности, городские политики всё ещё сталкиваются с трудностями в реализации эффективных стратегий по снижению выбросов на уровне городов.
Исследователи из Школы архитектуры Нотр-Дам, Инженерного колледжа и Института семьи Люси по вопросам данных и общества работают над снижением выбросов углекислого газа с помощью передовых симуляций и нового инструмента, основанного на искусственном интеллекте, — EcoSphere.
«Наша цель — разработать инструменты, которые позволят оценить потенциал снижения выбросов углекислого газа и смягчения их последствий для инфраструктуры застроенной среды — как за счёт реконструкции, так и за счёт улучшения нового строительства. В масштабах города такой инструмент может предоставить данные о компонентах зданий и сроках их службы для поддержки принятия решений политиками и градостроителями», — сказал Мин Ху, заместитель декана по исследованиям, стипендиям и творческой работе в Школе архитектуры Нотр-Дам.
Ху изучает, как можно анализировать воплощённый углерод для развития более экологичных городов. Воплощённый углерод, который часто остаётся вне поля зрения в контексте устойчивого развития городов из-за ограниченного объёма стандартизированных данных, включает в себя углекислый газ, выделяемый при строительстве зданий. На его долю приходится почти 40% выбросов CO₂, связанных с энергетикой.
Опираясь на оценки жизненного цикла и темпы реновации более чем 1 миллиона зданий в Чикаго, Ху вместе с аспирантом Школы гражданского и экологического инжиниринга Нотр-Дам Сиавашем Горбани разработал симуляцию динамики реальных городских процессов. Модель и инструмент помогают определить будущие стратегии по снижению выбросов углекислого газа.
Результаты опубликованы в журнале npj Urban Sustainability.
Ху и Горбани использовали подход «снизу вверх» для решения проекта, рассчитывая городские выбросы путём агрегирования подробных данных по отдельным зданиям, включая материалы, возраст и структурные характеристики.
Исследование породило более 350 000 смоделированных сценариев и показало, что стратегии, ориентированные на реновацию и продление срока службы зданий, могут значительно снизить выбросы воплощённого углерода. Результаты показали, что новое строительство производит до 7 500 раз больше CO₂.
Ху предположил, что реновация часто является более устойчивым вариантом. «Хотя новое строительство вносит большую неопределённость в результаты выбросов, наши выводы показывают, что стратегические обновления зданий — будь то реновация или тщательно спланированное новое строительство — могут значительно снизить эти риски. Однако увеличение размеров зданий может свести на нет потенциальную экономию углерода, что подчёркивает важность подходов к городскому планированию, которые отдают приоритет реновации, сохранению и эффективности, где это возможно».
Для городских планировщиков и местных политиков доступ к этим данным в удобной для пользователя форме может стать более эффективной защитой политики, направленной на замедление темпов выбросов углекислого газа в городах.
Исследователи из Нотр-Дам Мэттью Сиск, кодиректор Лаборатории гражданского геопространственного анализа и обучения и доцент практики в Институте семьи Люси по вопросам данных и общества, Чаоли Ван, профессор компьютерных наук и инженерии, и Сиюань Яо, постдокторант в области компьютерных наук и инженерии, объединились с Ху и Горбани, чтобы преобразовать сценарные симуляции в платформу на базе искусственного интеллекта под названием EcoSphere. Результаты опубликованы в Automation in Construction.
EcoSphere объединяет национальные наборы данных о зданиях с данными о воплощённом углероде, Google Street View, спутниковыми снимками и передовыми методами машинного обучения для создания графики, которая может помочь городским планировщикам и неспециалистам визуализировать данные о выбросах.
Интерфейс EcoSphere предоставляет информацию на информационной панели визуализации с возможностью более глубокого погружения в результаты моделирования для понимания потенциальных экономических последствий, переменных, которые определяют сценарии моделирования, влияние стратегий смягчения последствий и сравнения затрат и выбросов.
Для оценки эффективности инструмента были проведены исследования в Чикаго и Индианаполисе. В обоих городах EcoSphere продемонстрировала, как различные методы строительства и политические решения могут существенно повлиять на углеродный след города и экономические затраты.
«EcoSphere использует машинное обучение не только для обработки этих больших наборов данных и изображений, но и для их понимания», — сказал Сиск. «Объединяя компьютерное зрение, геопространственный анализ и большие языковые модели, мы можем генерировать подробные профили выбросов углерода в режиме реального времени для целых городов, делая устойчивое городское планирование более быстрым, интеллектуальным и доступным».
Помимо городского планирования, EcoSphere имеет более широкое применение в школьных системах в качестве учебного пособия для учащихся, чтобы они могли изучить, как углерод влияет на окружающую среду. Кроме того, её можно интегрировать с платформами «умного города» и цифровыми двойниками для принятия решений и мониторинга в реальном времени. Правительства могут использовать её для прогнозирования долгосрочных последствий политического выбора и разработки более эффективных правил сокращения выбросов углерода.
Ху надеется, что эти инструменты окажут положительное влияние на города в США, где надёжные стратегии, основанные на данных, могут способствовать нейтрализации выбросов углекислого газа.
«Вместе эти исследования показывают, как подробные данные и интеллектуальное программное обеспечение могут помочь городским планировщикам принимать обоснованные решения для более зелёного будущего», — сказал Ху.
Предоставлено Университетом Нотр-Дам.