模擬仿真：預(yù)防城市未發(fā)之疾

陳晨

“在建成之前預(yù)防一定好過建好之后補救，做在前面，我們可以采取的方法也更多?！痹诹钠鹉M仿真對于城市規(guī)劃建設(shè)的作用時范秦寅說道。仿真模擬在今天并不是什么新生事物，隨著城市人口的不斷增長，城市的安全、衛(wèi)生、環(huán)境等方面都需要被感知和把控，面對這些城市問題，如何才能夠做到提前把握、提前預(yù)防？模擬仿真就是基于這樣的想法而被應(yīng)用于城市規(guī)劃建設(shè)的。為了能夠了解模擬仿真技術(shù)是如何指導(dǎo)城市建設(shè)的，近日，《經(jīng)濟》記者專訪了中國城市科學(xué)研究會智慧城市聯(lián)合實驗室首席科學(xué)家、日本大阪大學(xué)流體工程實驗室研究員范秦寅。

城市模擬仿真中的流體力學(xué)

《經(jīng)濟》：您在城市模擬仿真中的主要研究方向是流體力學(xué)，您能為我們具體講講在城市建設(shè)中，流體力學(xué)是怎樣發(fā)揮作用的嗎？

范秦寅：流體力學(xué)在我們的生活中無處不在，風(fēng)的流動、水的流動都可以通過流體力學(xué)來解讀，具體到模擬仿真中的計算，流體力學(xué)的作用就會被更加放大。海嘯來了，如何選擇最佳逃生路徑；來自不同風(fēng)向的季風(fēng)如何影響我們的城市；城市熱島效應(yīng)在具體城市是如何形成的，能否在城市規(guī)劃之初就預(yù)測和采取預(yù)防措施；流體污染物的擴散路徑能否精確預(yù)測，以便采取最佳應(yīng)對之策，這些都是可以通過數(shù)據(jù)的計算、分析來找到答案的。

《經(jīng)濟》：也就是說，流體力學(xué)在模擬仿真方面的應(yīng)用可以讓城市更加安全？

范秦寅：助力城市安全是其中的一大部分，也發(fā)揮了很重要的作用。舉個列子，在東京，有專門的研究人員制作了大雨對地鐵影響的模擬仿真系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)，我們就可以了解到如果東京出現(xiàn)降雨，哪些地鐵站容易進水，會進多少。通過這個系統(tǒng)，也許我們只需要在地鐵站的入口處增加一道很小的門檻，就可以抵御80%的降雨影響，從而保障人們的安全，這就是仿真模擬的價值。

其實除此之外，環(huán)境保護、城市的生活舒適程度都可以通過模擬仿真來提升。通過計算，我們可以知道城市中究竟哪里容易出現(xiàn)污染物的聚集，是什么原因讓其不易擴散。我之前就做過類似的模擬，當(dāng)時選取的是二氧化碳在城市中的擴散情況，這中間用到了很多氣象數(shù)據(jù)，其實不只是二氧化碳，其他空氣污染物的情況也是可以通過模擬仿真來被人們所了解的，而且隨著可視化技術(shù)的不斷提升，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以很直觀地看到這些污染物對我們城市的影響，影響范圍有多大、濃度高低等。如果我們打算建造一個會排出空氣污染物的工廠，在選址與規(guī)劃之前，就可以采用模擬仿真來提前預(yù)測這些污染會影響到多大范圍，通過對邊際條件數(shù)據(jù)的采集，了解到整個區(qū)域的情況，南風(fēng)時如何、北風(fēng)時如何。假設(shè)它周圍有醫(yī)院、學(xué)校等絕對不能在污染范圍中的機構(gòu)，我們也可以采取一些辦法，比如通過更改煙囪的位置來避免。

讓我們“看到”風(fēng)

《經(jīng)濟》：仿真模擬中流體力學(xué)的應(yīng)用非常依賴邊界條件，您能為我們具體講講什么是邊界條件嗎？

范秦寅：邊界條件，是一個專業(yè)問題，如果我們需要做到的是計算整個領(lǐng)域內(nèi)的情況，并通過數(shù)據(jù)來解讀，那么我們就必須要先知道邊界上的情況，這樣整個領(lǐng)域的情況就可以通過計算得出，可見邊界條件非常關(guān)鍵。比如說領(lǐng)域如果是一張桌子，那么桌邊就是邊界，只要邊界的條件被確定了，那么整個領(lǐng)域的內(nèi)容就可以被計算出來，當(dāng)然這是在二維層面上講的。具體到計算一個屋子里的風(fēng)來說，我們都知道風(fēng)一定是通過窗戶和門來進行空氣交換的，可是在這樣的位置氣流往往是散亂而無規(guī)律的，面對這樣的情況，目前來說解決辦法一般是擴大領(lǐng)域，擴大到比較容易測量的邊界，擴大到?jīng)]有建筑的地方，那里的風(fēng)比較規(guī)則，用試紙就可以得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。但就成本而言，這種擴大范圍會讓整個計算的成本提高，可以說計算本身不難，但是很多條件都會成為限制。

《經(jīng)濟》：在我們的城市生活中了解風(fēng)會有哪些方面的作用？

范秦寅：大家肯定都會感覺到，兩個高層建筑之間的風(fēng)是很大的，這種兩個高層建筑之間的突風(fēng)，如果我們能在建筑規(guī)劃設(shè)計時使用模擬仿真，那么流體力學(xué)的計算就會告訴我們，這樣的設(shè)計會讓中間1.5米寬度的風(fēng)速超過5米。超過了限制標(biāo)準(zhǔn)，我們就可以提前采取種植防風(fēng)林、調(diào)整建筑設(shè)計角度之類的辦法來避免這樣的問題。如果已經(jīng)建成了，我們也可以采取補救措施，只是可選用的辦法會少得多，成本也會更高。總的來說，在建成之前預(yù)防一定好過建好之后補救，做在前面，我們可以采取的方法也更多。這就是模擬仿真對于城市的意義。