L’IA aide les villes à renforcer leur résilience face au changement climatique

La « rivière atmosphérique » qui a frappé la Californie en décembre a déversé plus de cinq pouces de pluie sur la ville de San Francisco en une seule journée, submergeant les voitures, obstruant l’autoroute 101 et envoyant les habitants vers leurs kayaks.

Alors que le changement climatique entraîne davantage de tempêtes catastrophiques et une montée des eaux, quels investissements San Francisco et les autres villes côtières devraient-elles faire pour atténuer le choc de la prochaine catastrophe ? Devraient-ils reconstruire les systèmes de drainage, soulever les routes, déplacer les maisons inondées vers un sol plus sec, tout cela ?

L’intelligence artificielle aide les maires et les acteurs municipaux à trouver comment rendre leurs villes plus résilientes aux ravages du changement climatique. Un nouveau type de simulation, appelé « jumeau numérique », intègre de grandes quantités de données sur chaque ville particulière, notamment ses infrastructures, ses populations et les menaces climatiques. Construits avec un type d’IA appelé apprentissage automatique, les jumeaux numériques aident les planificateurs à effectuer une analyse coûts-avantages des projets climatiques et à hiérarchiser les programmes climatiques.

Devenir une ville résiliente aux inondations peut nécessiter une ingénierie urbaine sérieuse, allant de la création de nouveaux parcs et de la plantation de dizaines de milliers d’arbres à la construction de digues ou au creusement de nouveaux canaux d’eau. Étant donné que de tels mégaprojets peuvent coûter des centaines de millions de dollars et résoudre ou non le problème, de nombreuses villes hésitent à se lancer. « Il existe des solutions, mais les villes ne savent pas par où commencer », déclare Isabel Belliard. , cadre de la société française de services d’urbanisme Siradel, qui fait partie d’une poignée d’entreprises, d’agences gouvernementales et de groupes de recherche développant des jumeaux numériques.

L’adoption des jumeaux numériques n’en est qu’à ses débuts. Les villes françaises de Paris et d’Angers, ainsi que la principauté de Monaco, ont commencé à utiliser une première version d’un jumeau numérique réalisé par Siradel. En janvier, l’entreprise a publié sa « Boîte à outils sur la résilience urbaine au climat » qui permet aux urbanistes et aux dirigeants urbains d’obtenir un aperçu 3D simulé de l’impact probable des inondations et des chaleurs extrêmes provoquées par le changement climatique sur leurs populations, et d’expérimenter virtuellement sur peu de frais avec des correctifs possibles pour voir ce qui fonctionnera le mieux.

Bentley Systems, une société d’ingénierie mondiale dont le siège est à Exton, en Pennsylvanie, est une autre entreprise qui fait progresser l’approche du jumeau numérique. Bentley utilise son logiciel de jumeau numérique pour aider les villes à gérer l’impact du changement climatique sur les infrastructures, depuis les ponts, barrages et routes jusqu’au réseau électrique et à l’approvisionnement en eau. “Nous devons mettre à jour la façon dont nous mesurons et calculons le risque lié aux décisions des villes, afin de mieux représenter ce qui se passe réellement dans le monde”, déclare Rodrigo Fernandes, responsable du développement durable chez Bentley. “Un jumeau numérique peut le faire de manière plus dynamique et plus précise.”

Grâce au changement climatique, les inondations deviennent un problème de plus en plus grave dans une grande partie du monde et aux États-Unis en particulier. Selon l’Agence américaine de protection de l’environnement, les inondations dues à l’élévation du niveau de la mer dans les villes proches des zones côtières des États-Unis sont déjà cinq fois plus fréquentes que dans les années 1950, et la tendance s’accélère.

Vivre loin des côtes n’aidera pas nécessairement. Une étude réalisée par le Centre national américain pour la recherche atmosphérique et d’autres groupes de recherche, publiée en avril de l’année dernière dans Nature Portfolio’s Communications Terre et Environnement journal, prédit que le centre des États-Unis est de plus en plus sujet aux crues soudaines.

Pendant ce temps, la majeure partie de l’Amérique sera probablement confrontée à des vagues de chaleur écrasantes au cours des prochaines décennies. Les températures estivales atteignant 125 degrés deviendront la règle pour plus de 100 millions de personnes aux États-Unis d’ici 2053, selon une étude évaluée par des pairs et publiée par le groupe de recherche à but non lucratif First Street Foundation. Les villes seront les plus touchées, car le béton, l’asphalte et d’autres matériaux de construction absorbent efficacement la chaleur et la renvoient vers l’environnement, y compris vers les personnes. Les scientifiques appellent cela l’effet « îlot de chaleur urbain ».

Le moyen le plus simple et l’un des plus efficaces pour une ville de réduire sa vulnérabilité aux inondations et aux dommages causés par la chaleur consiste à planter des arbres et à créer des espaces verts. Le sol et la végétation exposés peuvent absorber de grandes quantités d’eau qui autrement s’écouleraient dans les rues et dans les bâtiments et les maisons. Les arbres, la végétation et le sol ne deviennent pas aussi chauds que le béton et dispersent la majeure partie de la chaleur qu’ils captent plus profondément dans le sol.

Mais les urbanistes ne sont guère en mesure de démolir des kilomètres de routes ou de démolir des centaines de bâtiments et d’habitations pour les remplacer par de vastes étendues d’arbres, de parcs et de jardins. Compte tenu de l’espace limité qui peut être consacré à la verdure, la question se pose de savoir où un nombre limité de parcelles vertes peuvent être placées pour faire le plus de bien.

Un jumeau numérique est conçu pour envisager de tels scénarios, mais son efficacité dépend de la richesse des données dont il dispose sur une ville particulière et de modèles mathématiques précis sur les impacts météorologiques. Au cours de ses années d’efforts pour créer sa boîte à outils sur la résilience climatique urbaine, Siradel a travaillé avec des climatologues et des météorologues pour intégrer leurs formules dans son propre logiciel, et avec des ingénieurs en construction, en matériaux et en agronomie pour garantir que le logiciel puisse modéliser avec précision la façon dont les bâtiments, les routes et les parcs interagissent avec la lumière du soleil, la chaleur, le vent et l’eau.

Charger les modèles résultants avec des données détaillées sur des villes spécifiques représentait un défi encore plus important. Pour obtenir des données sur 3 000 grandes villes du monde, Siradel a d’abord récupéré toutes les informations accessibles au public sur la configuration des villes, la taille des bâtiments et la verdure. Pour étoffer ces images de base, il a extrait les modèles numériques 3D disponibles pour les bâtiments individuels – des modèles que les architectes développent désormais régulièrement pour leurs projets et qu’ils laissent généralement dans les dossiers des villes. “Certains de ces modèles descendent jusqu’au niveau des briques individuelles”, précise Belliard.

Cela laissait encore de nombreuses lacunes dans la plupart des villes. Pour les fermer, Siradel a envoyé des gens circuler dans les villes avec des dispositifs de cartographie vidéo montés sur le toit des voitures et destinés aux bâtiments. Et comme les villes d’Europe, d’Asie et d’autres régions sont bordées de ruelles minuscules trop petites pour le passage des voitures, la société a également envoyé des personnes équipées de versions montées sur sac à dos de l’équipement de cartographie vidéo se promener dans les ruelles.

Enfin, Siradel a intégré des données démographiques dans ses bases de données urbaines. De cette façon, les modèles pourraient être informés non seulement du nombre de personnes vivant dans un bâtiment ou un quartier donné, mais également de leur vulnérabilité particulière aux pressions liées aux conditions météorologiques. Les vagues de chaleur, par exemple, sont particulièrement dangereuses pour les résidents à faible revenu, qui sont moins susceptibles de disposer de la climatisation, ainsi que pour les personnes âgées, malades, enceintes ou très jeunes.

Les jumeaux numériques qui en résultent offrent aux urbanistes un moyen d’obtenir des informations sur les types d’atténuation qui offriraient le plus de protection contre quel type de conditions météorologiques et sur le nombre de personnes qui en bénéficieraient. L’évaluation de propositions spécifiques peut nécessiter des compromis complexes, explique Belliard. Installer un panneau solaire sur le toit d’un grand bâtiment peut sembler une victoire facile en matière de durabilité, note-t-il, mais un jardin sur le toit pourrait être plus utile en tant que défense contre la chaleur et l’eau de pluie. Dans les communautés présentant un risque élevé d’inondation mais disposant de peu d’espace pour la verdure, un planificateur peut déterminer les coûts et les avantages du remplacement des trottoirs, des places et des routes par de nouveaux types de béton et d’asphalte capables d’absorber l’eau et de l’évacuer dans le sol.

Bentley a utilisé sa technologie de jumeau numérique pour aider la ville de Rotterdam aux Pays-Bas à modifier son énorme système de pompes à eau afin de mieux conserver l’eau et de réduire la consommation d’énergie et les émissions de carbone des pompes. Le projet impliquait l’installation de capteurs qui surveillaient le fonctionnement des pompes en temps réel et alimentaient ces données dans un jumeau numérique incluant le système d’eau de la ville. Un logiciel d’apprentissage automatique signalait quand et où les pompes pompaient trop ou pas assez d’eau. En laissant le logiciel ajuster les pompes à la volée, la ville a réduit la consommation d’énergie et les émissions du système d’eau de 30 pour cent et a considérablement réduit la quantité d’eau gaspillée.

La société a également travaillé avec Singapour sur un jumeau numérique plus complexe incluant toutes les rues et tous les bâtiments et qui inclura à terme des cartes des immenses infrastructures souterraines de services publics de la ville. Le modèle est précis en pouces et comprend 25 000 gigaoctets de données. L’un des objectifs du projet est de trouver les emplacements idéaux pour les panneaux solaires dans toute la ville et de gérer les inondations. Pourtant, de tels projets ne font qu’effleurer la surface de ce que les jumeaux numériques pourraient faire, affirme Fernandes. “Un jumeau numérique unique qui simulerait tout ce qui se passe dans la ville serait une entreprise plus vaste”, dit-il. “Mais c’est notre vision.”

Les jumeaux numériques peuvent déjà répondre à une série de questions complexes, telles que l’emplacement d’un grand parc urbain pour offrir la meilleure protection contre la chaleur et l’eau aux personnes les plus à risque, ou la manière de gérer le développement des bâtiments dans une section de la ville afin de pour créer une ventilation naturelle à partir des vents. Pour les villes prêtes à entreprendre des projets massifs de contrôle des inondations, tels que des canaux ou des digues, être capable de modéliser les impacts des changements proposés pourrait économiser des dizaines, voire des centaines de millions de dollars et maximiser le nombre de personnes qui en bénéficieront. Par exemple, Bilbao, en Espagne, a creusé un canal au pied de la ville en 2017, séparant la ville du continent, afin de réduire les problèmes croissants liés aux inondations des rivières. Le projet a jusqu’à présent abaissé le niveau de la rivière d’un pied, mais il faudra peut-être des décennies avant que la ville sache avec certitude si le canal était le moyen le plus efficace pour résoudre le problème.

Outre Paris, Angers et Monaco, Belliard indique que Siradel est en discussion avec d’autres villes du monde, dont plusieurs aux États-Unis. Orlando, en Floride, siège de Disney World, envisage également d’utiliser un jumeau numérique, selon la mairie. Outre Singapour et Rotterdam, Bentley a travaillé avec la ville argentine de Mendoza et la ville brésilienne de Joinville.

En fin de compte, les phénomènes météorologiques extrêmes dus au changement climatique devront être combattus par des actions, et non par des cartes affichées sur un écran d’ordinateur. Mais si une carte peut indiquer la voie vers la bonne action, c’est un bon premier pas.