Tag Archives: simulation

Couverture des réseaux sans fil et exposition magnétique

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Les maquettes numériques de ville permettent de simuler la propogation des ondes électromagnétiques en milieu urbain, et ainsi planifier avec précision le déploiement des réseaux de télécommunications sans fil (téléphonie mobile, wifi...).

Exposition au champs électromagnétique à Nîmes - source: Siradel

Exposition au champs électromagnétique à Nîmes - source: Siradel

En fonction de données géostatistiques (ex: utilisation des transports, données de consommation) et socio-démographiques (ex: nombre et âge moyen des habitants et travailleurs du quartier), les hotspots d'utilisation de ces réseaux peuvent être prédits, permettant d'optimiser la couverture du réseaux.

En parallèle, l'exposition des populations à ces ondes électromagnétiques peut être objectivement calculée dans tous les espaces urbains, à l'extérieur comme à l'intérieur des bâtiments. Ainsi, certaines antennes relais pourront être déplacées, afin de minimiser la pollution électro-magnétique à proximité des lieux les plus vulnérables (crèches, écoles etc.).

Prérequis: Maquette numériques de ville LoD1, positionnement des antennes relais.

 

Initiatives & liens

Société Siradel

Bruxelles Environnement

  • Atlas Environnement : Simulation 3D du champ électromagnétique (webgis)

 

Étude d’éclairages nocturnes

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Les éclairages nocturnes des monuments ont toujours mêlé art et technique. Une image nocturne originale et personnalisée peut être modelée en jouant sur le positionnement des sources lumieuses, les effets d'ombrages, les niveaux d'éclairage et les températures de couleurs.

Simulation d'éclairage à Stuttgart - source: InGeoForum

Simulation d'éclairage à Stuttgart - source: InGeoForum

Auparavant, cet habit de lumière était obtenu à tâtons en comparant quelques variantes en conditions réelles pendant la phase de planification. Dorénavant, des logiciels utilisant les modèles 3D de bâtiment et de ville permettent d'explorer de nombreux scénarios d'illumination au rendu particulièrement réaliste. Les données physiques réelles telles que le coefficient de réflexion des facades, les sources de lumière et leur dispersion sont précisément prises en compte. Comme la création et l'optimisation de l'éclairage est entièrement assistée par ordinateur, le travail et les retouches nocturnes sur place sont minimisées.

La simulation d'éclairage basé sur les maquette numérique de ville ne s'applique pas seulement au patrimoine historique mais peut toucher tout l'éclairage public en général. Que ce soit pour ajouter des lampadaires dans des lieux sombres comme prévention contre la criminalité, ou au contraire réduire la pollution lumineuse pour favoriser la biodiversité et faire accessoirement des économies d'énergie, simuler ces différents scénarios en réglant virtuellement les sources lumineuses permettra de faire des économies d'échelles en obtenant directement le résultat voulu sur le terrain.

Prérequis: Maquette numérique de ville LoD3 avec texture, terrain et végétation

Simulation et prévention des Inondations

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À l'aide de maquette numérique de ville intégrant un modèle de terrain (DGM) ainsi que des données concernant le réseau d'évacuation des eaux, celui-ci peut-être testé virtuellement dans le cas de forte pluie ou d'une crue importante.
 
Simulation d'inondation à Dresdre - Ville de Dresdre

Simulation d'inondation à Dresdre - Ville de Dresdre

Ces simulations dynamiques permettent de prédire les dégâts occasionnés par des inondations, tester des mesures de prévention, optimiser les dispositifs de drainage (digues, bassins de retenue, station de pompage etc.) et organiser les secours et l'évacuation des lieux le cas échéant.
 
Pré-requis: Maquette numérique de ville  (au moins LoD1) incluant un modèle de terrain de haute résolution ainsi que des données concernant le réseau d'évacuation des eaux et des historiques de forte pluie et crues du siècles.
Initiatives & contacts

Web3D Interface

Analyse de microclimats urbains et îlot de chaleur

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Les formes urbaines, les matériaux de surfaces, la présence de végétation et de plans d'eau et la concentration d'activité humaine ont une influence réelle sur le microclimat urbain. En particulier, les morphologies urbaines denses forment des "pièges à radiations solaires et thermiques" pendant que les surfaces des bâtis absorbent et stockent une partie de cette énergie.

Screenshot logiciel CitySim - source: Kaemco

Screenshot logiciel CitySim - source: Kaemco

Ce microclimat se caractérise le plus souvent par des températures plus hautes dans les centre villes que à leur périphérie, phénomène appelé îlot de chaleur urbain. En hiver, ce sont donc des températures plus douces et ainsi des consommations de chauffage moins élevé qu'en milieu rural, mais aussi des pics de chaleur accentués en été, parfois suffoquant. Plus qu'une simple source d'inconfort thermique pour les citadins, l'îlot de chaleur urbain est en train de passer au centre des préoccupations politiques et sociales, afin de limiter les conséquences sanitaires des canicules qui devraient se multiplier dans les zones tempérées dans les années à venir selon le GIEC.

Prédire avec précision les micro-climats liés aux nouveaux aménagements urbains est donc un enjeu capital. Prendre en compte toutes ses facettes et leurs intéractions requiert une combinaison de modèles physiques plutôt complets et complexes (modèles thermo-radiatifs, aérauliques, évapo-transpiratifs et effets anthropiques). Ceux-ci se basent sur la géométrie 3D des bâtiments, leurs matériaux de construction et son mode d'occupation, mais aussi des données sur leur environnement, la végétation, les sols, l'activité humaine (en particulier les transports) etc... autant de données que peuvent délivrer les maquettes numériques de ville CityGML.

Coupe schématique de visualisation des températures en 2008 pour une nuit de canicule - source : Groupe DESCARTES

Coupe schématique de visualisation des températures en 2008 pour une nuit de canicule - source : Groupe DESCARTES

Prérequis: Maquette numérique de ville (LoD1 au moins), données sur l'état énergétique des bâtiments, la végétation, les plans d'eau, l'activité humaine.

Initiatives & contacts

SOLENE, dévelopment d'une plateforme d'outils de simulations du microclimat urbain.

CITYSIM, logiciel de simulation énergétique urbaine

Prévention des dégâts liés à une explosion

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La simulation en 3D d'une onde de choc dans une modèle numérique de ville permet de prédire l'impact d'une explosion en milieu urbain.

Simulation d'explosion dans le centre de Francfort - Source : VirtualCitySystems

Simulation d'explosion dans le centre de Francfort - Source : VirtualCitySystems

Ces simulations permettent d'identifier les zones urbaines sensible où une bombe de la 2ème guerre mondiale oubliée, l'explosion d'une canalisation de gaz ou encore un engin explosif criminel causerait des dégâts importants sur les personnes et les bâtiments environnants.

L'objectif est aussi de préparer et tester le cas échéant l'évacuation du site, sa sécurité et la coordination des premiers secours.

Prérequis : Maquette numérique de ville (au moins LoD1), données de construction des bâtiments et localisation de lieux sensibles

Initiatives & contacts

Projet Detorba (2013 - 2015, Allemagne)

Simulation de transport et missions

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Les maquettes numériques de ville offrent un terrain de jeu fidèle à la réalité pour les simulateurs de transport (pompiers, ambulanciers, militaires etc...), qui entrainent le personnel à divers scénarios de missions. Ces simulateurs permettent à leur utilisateur d'approfondir la connaissance des lieux de mission et de les préparer à réagir à des conditions difficiles (météo, embouteillage ou accident de transport etc...). Ils permettent aussi de tester et comparer auprès des professionnels de nouvelles mesures (extension de ligne de transport, nouveaux panneaux de signalisation etc...) avant de les appliquer sur le terrain.

Simulateur de tram de Berlin - source: Berliner Verkehrsbetriebe AG

Simulateur de tram de Berlin - source: Berliner Verkehrsbetriebe AG

Chaque niveau de détail des maquettes numériques trouvent son application : LoD1 sera réservé pour les simulateurs de vols et de bateaux, alors que LoD2 et LoD3 seront adaptés aux simulateurs de transport et d'interventions en milieu extérieur. Pour un entrainement aux interventions à l'intérieur des bâtiments (pompier, militaire etc...), un LoD4 sera nécessaire.

Prérequis : Maquette numérique de ville (LoD dépendant de l'application) et de terrain incluant les transports, la végétation, et des modèles dynamique (personnes et véhicules)

Initiatives & contacts

Group Rheinmetall Defence

 

 

 

 

Estimation des besoins thermiques urbains

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Alliant données spatiales et sémantiques, les maquettes numériques de ville offrent un excellent support au calcul des besoins de chauffage et de froid des bâtiments à l'échelle urbaine, donnant une estimation par bâtiment bien plus fiable et réaliste que la méthode traditionnelle basée sur les cartes 2D-SIG.

Besoins spécifiques de chaleur dans un quartier de Ludwigburg - source : HfT Stuttgart

Ils permettent en particulier de calculer individuellement les orientation des facades et volumes de chaque bâtiment, informations essentielles pour la modélisation thermique des bâtiments. Les données collectées sur la construction des fassades, toit et fenêtre, ainsi que sur l'usage du bâtiment peuvent y être stockées, via le modèle d'information urbain CityGML Energy ADE. Les données manquantes sont quant à elle généralement estimées en fonction du type et de l'âge du bâtiment, via des librairies spécialisées.
 
L'incertitude sur l'estimation des besoins de chaleur des bâtiment dépend directement de la qualités des informations collectées. Une étude comparant simulation et mesures de consommation de chaleur a révélé des déviations de l'ordre de 20% ou moins lorsque des données sémantiques riches étaient collectées, et au-delà de 30% sinon.
 
Au delà du simple fait de modéliser l'état thermique existant des bâtiments, cette méthodologie permet aussi de prédire les économies d'énergie liées à des opération de rénovation à l'échelle urbaine, que ce soit à l'échelle du quartier, de la ville, voire de la région.

Prérequis : Maquette numérique de ville (LoD1 ou LoD2 généralement), fonction et âge de chaque bâtiment, opération de rénovation énergétique, bâtiments vacants.

Initiatives & liens

SIMSTADT, Plateforme de simulation énergétique urbaine

  • Quelques applications pour des quartiers de Karlsruhe, Ludwigsburg et Rotterdam, entre 200 et 1000 bâtiments.
  • Estimation des besoins de chaleur, émission CO2 et scénarios de rénovation de ~1000 bâtiments du quartier Bospolder de Rotterdam (Rapport), dans le cadre du projet Européen Music.
  • Contacts : Romain Nouvel, Volker Coors (HFT Stuttgart).

Plan Énergie Climat Territoire du Comté de Ludwigsburg

  • Klimaschutzkonzept (Plan Énergie Climat Territoire) des 32 communes du Comté de Ludwigsburg (500.000 habitants)
  • Partenaires : HFT Stuttgart, Drees & Sommer, Landkreis Ludwigsburg
  • Contacts : Volker Coors, Romain Nouvel (HFT Stuttgart).

"Citywide urban building energy model" de Boston

  • Estimation des demandes horaires de gaz et électricité de chacun des 100.000 bâtiments de la ville de Boston
  • Contacts : Christoph Reinhart, Carlos Cerezo (MIT).

Projet Sunshine

 

Propagation des nuisances sonores

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Cartedu bruit de Zürich - source : Ville de Zürich

Les maquettes numériques de ville combinées aux modèles de terrain (DGM) offrent une base de donnée adéquates aux calculs de propagation des ondes sonores en milieu urbain.
 
De telles études sont requises en particulier par la directive Européenne 2002/49/EG relative au bruit dans l'environnement pour évaluer les niveaux de pollutions sonores et mettre en place les actions d'amélioration nécessaires. Les agglomérations de plus de 100.000 habitants sont tenues d'effectuer de telles études tous les 5 ans.

Pour les nouveaux aménagements urbains, cette méthode basée sur les maquettes numériques 3D permet d'optimiser les formes urbaines et tracés des axes de transport afin de limiter la pollution sonore.

Prérequis : Maquette numérique de ville (LoD1 suffisant) incluant DGM, données de traffic routier, féroviaire et aérien ainsi que d'activités industrielles. En option: Données de construction des bâtiments et infrastructures urbaines  (en particulier leur coefficient de réverbération).

Potentiel d’énergie solaire

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L'une des plus anciennes applications des maquettes numériques de ville est l'étude du potentiel solaire (aussi appelé atlas solaire, ou encore cadastre solaire), calculant précisément l'énergie solaire incidente sur chaque pente de toit et facade des bâtiments et infrastructures urbaines.

Solar atlas du centre de Vienne - source: projet iScope

Solar atlas du centre de Vienne - source: projet iScope

À partir d'un certain seuil d'énergie solaire annuelle recue, un toit ou une facade peut offrir un support rentable pour l'installation de panneaux solaires thermiques ou photovoltaiques. L'identification de ces surfaces et l'estimation de l'énergie renouvelable qui peut y être produite est une étape essentielle d'un Plan Climat Énergie Territoire. De nombreuses villes ont mis ces information en ligne via un web-SIG (généralement 2D, parfois 3D).

Les algorithmes de calcul sont basés sur des modèles de ciel (Perez, Hai etc.) et de radiations solaires (modèle de radiosité, ray tracing etc.). Ils prennent généralement en compte des intéractions avec les bâtiments voisins (ombre et réflexion), des reliefs et de la végétation environnante.

Prérequis : Maquette numérique de ville (LoD2 au moins), modèle de terrain lointain en cas de reliefs importants. Éventuellement information de végétation.

Initiatives & contacts

Projet iScope

Berliner Solar Atlas / Energy Atlas Berlin

  • Partenaires principaux: TU Berlin, Vilel de Berlin, VirtualCitySystems
  • Webportal (lien anglais)
  • Contact: Till Belusa

Circulation et qualité de l’air

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En ville, le vent peut être une menace pour les infrastructures et objets urbains, ainsi que pour le confort des piétons. D'un autre côté, une bonne circulation de l'air dissipera plus rapidement les polluants et aura un rôle rafraichissant sur les piétons et les bâtiments en été.

Modélisation aérodynamique - source : Virtual Singapore

Les études aérauliques à l’échelle urbaine basées sur des maquettes numériques de ville permettent de prédire la circulation de l'air pour des conditions météorologiques données. Elles utilisent généralement des modèles pronostiques qui calculent avec une très bonne résolution les paramètres direction et vitesse des vents, turbulence, pression, température et humidité dans le champ tridimensionnel. Ces modèles sont particulièrement bien adaptés à des zones de fortes turbulences comme les zones urbaines, ils permettent d’estimer la turbulence aussi bien mécanique que thermique, ce qui permet de savoir si le champ de vent doit contourner un obstacle ou passer par dessus [Maignant, 2007].

Essentielles pour le développement de larges zones urbaines avec de hauts bâtiments et infrastructures, ces études permettent de prédire et maitriser le confort des piétons, en vérifiant l'incidence des vents sur les espaces libres et en identifiant les formes de bâtiments génératrices de phénomènes d’accélération. Parallèlement, il est possible d'utiliser le pouvoir naturel de rafraîchissement des vents dans certaines zones en proie aux phénomènes de canicules l'été, en créant des microclimats en jouant sur les formes urbaines et architecturales.

La circulation de l'air et la morphologie urbaine ont toutes deux une influence directe sur la qualité de l'air, créant des différenciations spatiales en matière de pollution, et ceci dans l’espace tridimensionnel. Des études aérauliques permettront de simuler la distribution et concentration des polluants dûs à différentes sources d'émissions intra-urbaines (e.g. transport, industrie) et de prédire les phénomènes de persistance/dissipation de smogs de particules fines qui en résultent.

Prérequis: Maquette numérique de ville (LoD1 suffit), données météorologiques locales, sources de polluants pour des études de qualité de l'air.