Los gemelos digitales urbanos: un nuevo paradigma en la gestión de los servicios públicos municipales

por Víctor Almonacid Lamelas. Directivo público profesional y Letrado experto en Derecho digital.  Miembro de OSPIA.

1.Definición.

Un Gemelo Digital es una réplica virtual de un ente físico que utiliza los datos en tiempo real enviados por los sensores del objeto, a fin simular su comportamiento en situaciones reales y ensayar diferentes situaciones. Por su parte, el llamado Gemelo Digital Urbano (GDU), también conocido como Urban Digital Twin, representa un avance significativoen la gestión y planificación urbana al proporcionar un modelo digital preciso y en tiempo real de un municipio (normalmente una ciudad).

Este modelo, promocionado en España e Italia por el Observatorio Sector Público e Inteligencia Artificial (OSPIA), se alimenta de una amplia gama de datos e información recopilados de diversas fuentes, como sensores IoT, sistemas de información geográfica (GIS), imágenes de satélite, datos de tráfico, datos meteorológicos y más. Integrando estos datos en un solo lugar, el GDU ofrece una representación virtual detallada y completa de la ciudad y sus infraestructuras.

Las citadas tecnologías permiten recopilar datos, analizar información y tomar decisiones basadas en datos para mejorar la eficiencia y la calidad de vida en las poblaciones. El objetivo sigue siendo la gestión inteligente de los recursos y servicios municipales, como el agua, la energía, los residuos, el transporte y la infraestructura. Mediante la recopilación y análisis de datos en tiempo real, se pueden identificar patrones, optimizar el uso de estos recursos y mejorar la eficiencia operativa en diferentes áreas. Por otra parte, los GDU proporcionan una plataforma idónea para simular diferentes escenarios y analizar el impacto de las decisiones de planificación urbana antes de implementarlas en el mundo real. Esto facilita la toma de decisiones informadas y la planificación estratégica de los servicios públicos, ya que permite evaluar el rendimiento y los riesgos asociados con diferentes intervenciones urbanas. Además, la transparencia y la accesibilidad a la información favorecen la participación ciudadana, lo que ayuda a construir una mayor confianza entre la ciudadanía y las autoridades municipales.

2. Funcionalidades.

En el contexto de las competencias municipales, los GDU pueden ser una herramienta clave para la gestión urbana y la planificación de los municipios inteligentes. Algunas de sus principales aplicaciones afectan positivamente a los servicios públicos ya estudiados, e incluyen los siguientes métodos y funcionalidades, todos ellos desarrollados dentro del entorno de simulación de un GDU (si bien pensando en su futura reproducción en los espacios y las situaciones reales):

·      Monitoreo y mantenimiento predictivo de infraestructuras públicas. Los GDU permiten a los ayuntamientos crear réplicas digitales de infraestructuras críticas, como carreteras, puentes, sistemas de agua o redes eléctricas. Con la ayuda de sensores, recopilan datos en tiempo real que, junto con algoritmos de IA, pueden predecir fallos y planificar el mantenimiento antes de que ocurran problemas.

·      Optimización de recursos. En sistemas como alumbrado público o distribución de agua, los GDU pueden simular diferentes escenarios para optimizar el uso de recursos y reducir costos energéticos.

·      Simulaciones de crecimiento urbano. Los GDU ayudan a modelar el crecimiento de la ciudad, permitiendo a los planificadores simular el impacto de nuevas infraestructuras, como edificios, parques o carreteras, antes de su construcción. Esto incluye el análisis de tráfico, áreas verdes y servicios.

·      Evaluación de políticas públicas. Al simular de manera realista diferentes políticas de movilidad, urbanismo o gestión de residuos, los ayuntamientos pueden visualizar sus efectos en la vida de la ciudad y optimizar la toma de decisiones.

·      Gestión de emergencias a través de la simulación de desastres. Los GDU pueden ser fundamentales para preparar a las poblaciones frente a catástrofes naturales o emergencias. Por ejemplo, al replicar la ciudad, es posible simular inundaciones, terremotos o incendios y ensayar respuestas ante estas situaciones.

·      Emergencias. Asimismo, los GDU también pueden modelar y mejorar sistemas de videovigilancia o el despliegue de servicios de seguridad, como la policía y los bomberos, optimizando las rutas y tiempos de respuesta ante emergencias.

·      Medio ambiente. Los GDU, junto con la IA, pueden ayudar a monitorizar la calidad del aire, la gestión de residuos y el uso eficiente de recursos naturales. Las distintas simulaciones de escenarios climáticos o ecológicos permiten a los ayuntamientos diseñar políticas de sostenibilidad más efectivas (monitoreo ambiental). Por otra parte, los ayuntamientos también pueden usar gemelos digitales para modelar la reducción de la huella de carbono de la ciudad, simulando las emisiones en diferentes áreas y probando estrategias de mitigación.

·      Movilidad Inteligente. Los GDU permiten crear modelos de tráfico en tiempo real, ayudando a gestionar la movilidad urbana de manera más eficiente. Con el uso de IA, pueden predecir cuellos de botella y ajustar el flujo de tráfico en consecuencia, optimizando rutas de transporte público y privado. Además, los GDU son esenciales para el desarrollo y prueba de vehículos autónomos en entornos urbanos, ya que permiten simular el comportamiento de estos vehículos en un entorno digital antes de ponerlos en las calles.

3. Beneficios: especial referencia a la sostenibilidad.

En cuanto a los beneficios concretos que el GDU reporta al Ayuntamiento, destacamos los siguientes: la mejora de la calidad en la toma de decisiones, ya que nos ofrecen datos y simulaciones fiables que permiten a los ayuntamientos prever el impacto de sus decisiones antes de implementarlas en la vida real, reduciendo riesgos y optimizando los recursos; el ahorro presupuestario, pues gracias a la capacidad de modelar y predecir, los GDU permiten un uso más eficiente de los recursos y reducen la necesidad de mantenimiento reactivo; una mayor sostenibilidad, pues facilitan la creación de políticas más sostenibles, tanto en términos ambientales como económicos, ayudando a reducir las emisiones y a optimizar el uso de energía; y un aumento de la resiliencia frente a desastres naturales u otros eventos críticos, gracias a la simulación de diferentes escenarios de emergencia, dando con ello un margen mucho mayor tanto para la planificación como para la capacidad de reacción.

Haremos un inciso para desarollar el citado principio de sostenibilidad, quizá el punto más fuerte de los GDU. La IA equivale a innovación, desarrollo. Pero el avance tecnológico no puede comprometer la calidad de vida de las generaciones futuras. El desarrollo sostenible es un principio fundamental del Tratado de la Unión Europea y un objetivo prioritario de las políticas interior y exterior de la UE. La Agenda 2030 de las Naciones Unidas incluye los famosos 17 Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS). El desarrollo sostenible se definió por primera vez en el Informe Brundtland de 1987 titulado «Nuestro futuro común» de la Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo como «aquel desarrollo que satisface las necesidades actuales sin poner en peligro la capacidad de las generaciones futuras de satisfacer sus propias necesidades». Tiene por objeto conciliar la promoción de la prosperidad económica con la inclusión social y la gestión del medio ambiente y sirve de base para todas las políticas e iniciativas de la Unión Europea (UE). El desarrollo sostenible es oficialmente uno de los objetivos a largo plazo de la UE en virtud del artículo 3.3 del Tratado de la Unión Europea. Dicho lo cual, la figura los GDU se presenta como uno de los mejores ejemplos posibles de conciliación del desarrollo tecnológico con la sostenibilidad, cumpliendo al mismo tiempo de manera excelente los principios de eficacia y eficiencia. Los GDU no solo permiten basar las decisiones relativas a la gestión del municipio en base a los datos, sino que estos se obtienen en un entorno virtual inocuo, seguro y barato.

4. Coste del proyecto.

Mencionamos la palabra “barato” de forma intencionada. Precisamente hablaremos del coste de esta iniciativa. Los beneficios que se acaban de indicar redundan en una mejora clara del servicio público en términos de calidad, sostenibilidad, economía, eficacia y eficiencia, produciendo en este sentido un retorno claro de la inversión a partir de cierto momento. No obstante, el proyecto lógicamente tiene un coste inicial, y al mismo tiempo representa una serie de desafíos comunes a cualquier proyecto de IA. A saber:

·      Coste de implementación. La creación de GDU requiere inversiones en infraestructura tecnológica, sensores, almacenamiento de datos y personas expertas en IA. Si el Ayuntamiento viene de un proyecto Smart City o Smart Village, es muy probable que pueda reutilizar una buena parte de las infraestructuras existentes. En todo caso, este es un proyecto financiable con diferentes ayudas destinadas, directa o indirectamente, a la transformación digital, incluidos los Fondos Next Generation EU, ya que están destinados a la recuperación, transformación y resiliencia.

·      Integración con los sistemas existentes. En la misma línea, debemos intentar optimizar la inversión tecnológica existente, en este caso en relación a los sistemas de información y gestión. Cabe advertir que la integración de GDU en los sistemas de gestión anteriores a la IA puede ser compleja y requiere un estudio detallado para asegurar una interoperabilidad eficiente.

·      Protección de datos personales y privacidad. Una vez más debemos tener en cuenta esta cuestión. La implementación de gemelos digitales implica la recolección y gestión masiva de datos de carácter personal procedentes de distintas fuentes, dentro de los cuales encontramos infinidad de datos e información sensibles. No tener en cuenta esta cuestión no solo podría tener un coste económico adicional (inversiones posteriores en seguridad, multas de las autoridades de protección de datos), sino también un coste reputacional. Esta cuestión relativa a la seguridad y ciberseguridad merece un desarrollo aparte.

5. Riesgos asociados[1].

“El empleo de GDU no está exento de riesgos en materia de ciberseguridad. En estos casos, los riesgos asociados a la ciberseguridad adquieren una relevancia aún mayor debido a su potencial impacto en el mundo físico. La interconexión entre los Gemelos Digitales y los sistemas físicos los convierte en un punto crítico de vulnerabilidad, donde cualquier brecha de seguridad podría tener consecuencias directas en la operatividad de equipos industriales, procesos de producción o incluso en la seguridad de los trabajadores.

Imaginemos una situación en la que una compañía de trenes se apoya en un GDU para evaluar el estado actual de los componentes de sus trenes y determinar cuándo es necesario realizar mantenimiento preventivo o retirar un tren del servicio. Si un actor malintencionado logra comprometer la integridad de los datos, ya sea manipulándolos desde la red de captura de datos o directamente en el sistema final, para hacer que el sistema muestre un estado más favorable de los trenes de lo que realmente es, podríamos enfrentarnos a una situación crítica. Esto podría desencadenar fallos mecánicos que afecten el funcionamiento del tren, como, por ejemplo, problemas con los frenos.

Conforme las organizaciones siguen incorporando estas innovadoras tecnologías con el fin de potenciar la eficiencia y las decisiones empresariales, se vuelve esencial identificar y abordar los riesgos de ciberseguridad que conllevan. A continuación, examinaremos algunos de estos riesgos que pueden poner en peligro la integridad y el funcionamiento de los GDU en entornos industriales:

• Manipulación de datos: existe la posibilidad de que individuos con intenciones maliciosas manipulen los datos empleados por los Gemelos Digitales, lo cual podría desencadenar decisiones erróneas con repercusiones directas en procesos industriales y servicios críticos.
• Vulnerabilidades en la infraestructura: las vulnerabilidades en la seguridad de la infraestructura subyacente, que incluyen sistemas de red y dispositivos OT, IoT e IIoT, representan una amenaza potencial para la integridad de los Gemelos Digitales. En particular, los activos en entornos industriales suelen utilizar protocolos de comunicación poco robustos, lo que los hace susceptibles a compromisos si no se implementan medidas adecuadas desde una perspectiva de ciberseguridad.
• Denegación de servicio: los Gemelos Digitales podrían ser blanco de ataques de denegación de servicio, lo que afectaría su funcionamiento normal y comprometería la capacidad de las organizaciones para tomar decisiones fundamentadas y mejorar la eficiencia de los procesos. Esta susceptibilidad se debe al continuo flujo de datos que reciben los Gemelos Digitales de los objetos en tiempo real o cercano a tiempo real. Una interrupción del sistema resultaría en la pérdida de información sobre los estados actuales de los objetos, lo que dificultaría la toma de decisiones.
• Amplio campo de exposición: para garantizar el correcto funcionamiento del Gemelo Digital, suele ser necesario conectar numerosos objetos equipados con diversos sensores, lo que amplía significativamente el campo de exposición. Este elevado número de elementos aumenta la superficie de ataque potencial, ya que cada uno de ellos podría representar una posible vía de entrada en la red para actores maliciosos. La complejidad y la extensión del campo de exposición de los Gemelos Digitales destacan la necesidad de adoptar enfoques proactivos y exhaustivos en materia de ciberseguridad.
• Diversidad de dispositivos: la digitalización de objetos físicos para alimentar los Gemelos Digitales implica una variedad de elementos de diferentes fabricantes, modelos y tecnologías. Esta diversidad presenta desafíos en la administración y mantenimiento, ya que cada caso requiere recursos específicos que pueden volverse obsoletos o ser incompatibles con elementos ya integrados o nuevos despliegues”.

6. Conclusión.

En definitiva, un GDU es un modelo digital preciso para un municipio que recopila datos e información, gestionándolos incluso en tiempo real. Su función principal es apoyar los procesos de toma de decisiones mediante sistemas de análisis y previsión predictiva avanzados. Hablamos de una tecnología que crea un "modelo digital" que permite experimentar, predecir y optimizar antes de implementar cambios en el mundo físico. En combinación con Inteligencia Artificial (IA), los gemelos digitales de cualquier tipo, especialmente los GDU, pueden proporcionar simulaciones avanzadas, hacer predicciones y optimizar recursos de manera mucho más eficiente, sostenible e inteligente, mejorando la calidad de vida de las personas. Por tanto, sus funcionalidades coinciden totalmente con los objetivos y principios de funcionamiento del servicio público. Los GDU “están cobrando protagonismo como método de trabajo en las nuevas tecnologías a partir de la transformación digital que el desarrollo multiplicador de las bases de datos y su implicación en las Tecnologías de la Información y la Comunicación (TIC) está produciendo, pero esta tecnología no se limita exclusivamente al sector industrial y tampoco se basa únicamente en modelos virtuales tridimensionales. Su desarrollo es más complejo, basándose fundamentalmente en modelos matemáticos que permiten predecir comportamientos y anticipar situaciones y soluciones. La tecnología de los gemelos digitales deben ser bidireccionales basados en la monitorización y la sensorización. Por otra parte, la digitalización de la sociedad es un reto que se está impulsando por los gobiernos y entre sus principales estrategias se encuentra el desarrollo de las Smart Villages, en las que está implícita la necesidad de la tecnología como elemento principal para disminuir la distancia con los grandes centros urbanos y las convierta en enclaves atractivos”[2].

Animamos a los ayuntamientos a probar la experiencia de tener un GDU. Ya hemos visto que entre sus numerosas aplicaciones se encuentran la gestión de distintos recursos públicos, la optimización del consumo de energía, la gestión de incidentes, la movilidad urbana, la planificación del suelo urbano, la conservación del patrimonio artístico y arquitectónico, la lucha contra el cambio climático, la gestión de fenómenos naturales, el turismo y la mejora de los servicios públicos. Finalmente, entre los ejemplos de ciudades que han implementado GDU en mayor o menor medida encontramos Singapur, Helsinki, Cambridge, Ámsterdam, Boston y Perugia, además de Madrid[3], Zaragoza, Barcelona y Las Palmas de Gran Canaria en España. Cierto es que todas son grandes ciudades, pero nuestra visión es que un modelo más modesto pero igual de funcional de GDU puede utilizarse en los municipios medianos y pequeños. De hecho este es un proyecto que, en su caso, podrían impulsar las diputaciones provinciales.

Anexo. Referencias bibliográficas.

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• GUILLERMO, Carlos, ASENJO, Felipe, y CASTAÑO, Enrique. 2023. “El Gemelo Digital Urbano como herramienta de eficaz en la gestión de Smart Villages”. Revista europea de investigación en arquitectura nº23, pp. 56-67.

• GOULDING, J. S., 2008. Building and construction classification systems. Architectural Engineering and Design Management, n. 3-4 (vol. 4), pp. 206-220.
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• SZPOR, Grażyna. 2021. The concept of" smart village" in legal acts and official documents of the European Union. En GIS Odyssey Journal, vol. 1, no 1.
• UNESCO. (s.f.). Man and the Biosphere (MAB) Programme. https://es.unesco.org/node/302852/
• VIZCAÍNO, M. E. L., Patiño, C. L. I., y Ocampo, M. E. C., 2020. Propuesta metodológica para la georreferenciación de la población y primeras aplicaciones en Galicia. En Revista de estudios regionales, n. 117, pp. 17-43.
• VVAA, 2018. Smart Village Network. https://www.smart-village-network.eu/