设计未来城市
一百年前，每5个人中有1个人生活在城市。到2050年，这一数字将会激增至4/5。
这么迅速的城市化会给世界带来巨大的问题。即使适度的人口年均增长率3%或5%也意味着成千上万的新居民，每一个新居民都需要能源、交通、饮用水、食物和其他的基础设施服务，这会加剧有限的资源紧张。
美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学的研究人员们正在开发能将科学分析融入城市设计的工具，以改良与大型城市开发相关的决策过程。通过与芝加哥建筑工程设计公司Skidmore及Qwings&Merrill、清洁能源信托公司和房地产开发商McCaffery Interests合作，他们已经开发出了一款与此类似的工具原型，被称为LakeSim，最初其关注消费者带动的能源和交通需求。LakeSim应大家所需解决了关于城市设计与规划的实际问题，其使大家能够更深入地理解芝加哥南部600英亩开发工程对能源和交通需求的设计决策的长期影响，也就是芝加哥湖滨开发工程。
几十年来，城市规划师和开发商都依赖直觉来指导自己的决策过程。但是对于那些成千上万建筑和许多互联服务需要存在几十年的大型开发项目来说，第六感显然不太有效。
LakeSim联合首席研究员、阿贡数学与计算机科学部计算学科学家和城市计算与数据中心主任Charlie Catlett说:“对于单一的项目，开发商必须基于来自能源开发商、经济分析师、交通规划师以及其他各类人员的各种报告做出决策。真正的挑战在于处理那些将存在20年的成群建筑。”
为了应对拥有许多复杂变量的大型规划的不确定性，LakeSim的开发者们已经制作出了一种新型平台。这种平台旨在帮助开发商实施大规模规划，同时也期待拥有在诸如气候变化的未来场景中建设城市的能力、提高建筑物和交通系统的效率和增加可再生能源及微电网的应用。
大型规划既是一门艺术也是一门科学。规划师希望建设令人赏心悦目的城市，但建筑物又必须得起到专门的居住或就业作用。
LakeSim需要使用源于从能源部数据库到Skidmore、Owings&Merrill公司的许多建筑物设计类型明细。每一个建筑物类型拥有独特的结构参数，这样设计者就可以挑选不同类型的建筑物并将其置入虚拟地图。为了将科学与工程模型集成到工业平台中，项目选用一种来自于计算机辅助环境系统研究所（ESRI）Redlands的交互式三维设计系统CityEngine作为LakeSim的核心组件。ESRI提供地理信息系统软件，这就允许相关的组织和工厂对表达三维计算机模型之间的关系与趋势的数据进行咨询、分析和解释。
CityEngine充当城市设计师与城市的设计之间互动的“仪表盘”。计算模型可以被用来分析能源需求随时间的变化。开发商也有望将其他模型集成到其中。
这种地图的未来目标是创建一种互联的虚拟城市，可以实时分析其中的设计变化，而不是以周为单位进行分析。规划师能精化和监控独立的建筑物聚集成区，然后区之间形成居住区和商业区的边界的发展过程。不要忘了， LakeSim用于决策的最重要的部分之一是能源。
输送到住户和企业的能量在能源供应商和能源生产商之间达成一个平衡。为了更好的预测整个开发期间的能源需求，LakeSim利用了由阿贡和佐治亚治亚理工学院开发的能源性能标准计算工具包（EECalc）。
EEcalc每月对建筑物或大厦内的由加热和冷却引起的热能需求和消耗做出预测。因为每一个建筑物都有其独特的建筑特点，所以它们也拥有独特的能源需求。考虑一系列包括通风、照明、加热和冷却在内的终端因素，EECalc能够评估一种建筑设计的能源效率。
LakeSim的联合首席研究员Leah Guzowski、一位来自阿贡的能源对策科学家和芝加哥大学的研究员所带领的团队负责开发EECalc。她的团队使用了相比传统方法速度更快、成本更低和数据量更小的分析方法，同时也能处理不确定性问题。
Guzowski说：“我们已经研究能源评估分析许多年了，我们已经发展出了并将继续优化用于预测不同条件下的能源消耗的关键数据点。”
她还指出：“把我们的注意力转移到确定经济上可行的供应一侧的选择上来将是特别有趣的。这会以一种不受传统基础设施的界限约束的方法来最小化其未来对全球的影响。”
由于LakeSim会评估规划中每一部分之间的相互联系，用户可以做出结构变动，然后实时查看变动是怎样影响对大厦或整个区域的能源需求和供应的。芝加哥房地产开发商McCaffery Interests的董事长Ed Woodbury 说：“LakeSim是房地产开发商与建筑师之间非常出色的桥梁。它将帮助我们识别和解决设计师遇到的问题。因此我们能提出现实世界的解决方案。”
目前，通常使用台式机对数据进行消化吸收和建模处理。但是可以想象的是，对一个受成千上万的参数影响的城市环境执行实时计算需要强大的计算能力。或许将来，一款类似于LakeSim的工具需要使用到Argonne Leadership Computing Facility的资源，这个叫做米拉的房子在当今世界上最快的超级计算机中排第五。拥有这种计算能力，城市规划师将能更好地预测极端天气或停电事故和为他们设计的建筑和能源系统建立安全设施。设想2045年7月的一天纽约市第五大街遭遇停电事故。通过模拟多种场景和确定每一个建筑及大厦对特定事件的反应，规划师能使用更多的太阳能或风能来优化能源平衡，或增加城市开发中的一个特定部分的能量存储容量，从而最小化严重的天气或能源事故的影响。
这能在几分钟内为能源生产商和建筑商提供更加科学、严谨的短期或长期能源需求的范围。从而使他们在开发之前就能更好地预测对可再生能源和传统能源的需求。 Woodbury 说：“这些工具基于大量针对不同场景的模拟为世界上的任何开发商提供关于设计决策的长期后果的科学洞察。没有这种工具的话，将使用20世纪‘有根据猜测’城市设计原则来指导快速的城市化。过去这种过程或许会起作用，但是它将不会被用于21世纪及其以后的城市建设当中。”
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