數(shù)字孿生技術(shù)在環(huán)境治理上的應(yīng)用分析

孫偉偉

（新疆中科絲路物聯(lián)科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

隨著環(huán)保信息化管理工作的大力開(kāi)展，各級(jí)環(huán)保管理部門的環(huán)境生態(tài)數(shù)據(jù)成指數(shù)級(jí)的速度增加，數(shù)據(jù)產(chǎn)生的范圍也逐步擴(kuò)大，這些數(shù)據(jù)涵蓋了環(huán)境保護(hù)科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生對(duì)環(huán)境保護(hù)管理部門的決策至關(guān)重要，但大部分時(shí)間這些數(shù)據(jù)都是以最原始的狀態(tài)存在，數(shù)據(jù)的來(lái)源格式多樣，數(shù)據(jù)之間也缺乏共享機(jī)制。

一、數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生，是通過(guò)對(duì)物理世界的人、物、事件、環(huán)境等所有現(xiàn)實(shí)世界的各種要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間映射出一個(gè)“虛擬世界”，再造一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的“虛擬世界”，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融、數(shù)據(jù)交互的格局。其充分利用物理模型、數(shù)學(xué)模型、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR 等多種技術(shù)手段，集成多學(xué)科、多理論、多維度的仿真過(guò)程。其創(chuàng)造了一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界同生共存的平行世界，完整的映射現(xiàn)實(shí)世界的全生命周期，模擬現(xiàn)實(shí)世界的各種行為，在網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境中創(chuàng)造出一個(gè)數(shù)字版的克隆體。

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)可以快速、有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的模擬、分析和預(yù)測(cè)，準(zhǔn)確進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)、環(huán)境生態(tài)科學(xué)、生命科學(xué)、地球地理學(xué)等方面的分析和仿真。

二、環(huán)境保護(hù)信息系統(tǒng)管理現(xiàn)狀

環(huán)境保護(hù)管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)中的重點(diǎn)包括：重點(diǎn)污染源監(jiān)控、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控、工況在線監(jiān)控等，在業(yè)務(wù)管理的應(yīng)用包括重點(diǎn)污染物總量控制、排污管理、環(huán)境質(zhì)量管理、環(huán)境應(yīng)急管理等。

現(xiàn)有的信息化系統(tǒng)手段的不足，需要在以下方面進(jìn)行改造和能力提升：

（一）對(duì)環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)大氣環(huán)境、地表水環(huán)境、地下水環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、土壤環(huán)境、聲環(huán)境、環(huán)境輻射、振動(dòng)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全要素環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量變化與污染物排放量之間的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。定量分析和預(yù)測(cè)排污情況變化對(duì)環(huán)境質(zhì)量變化的影響，通過(guò)信息化手段對(duì)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)規(guī)劃和污染物總量控制做出明確的要求。

（二）對(duì)環(huán)境管理的海量監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、深度解析，為科學(xué)決策和智慧化管理提供依據(jù)。引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)學(xué)模型，物理模型對(duì)大氣、水、土壤、聲、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量及污染物擴(kuò)散等變化趨勢(shì)進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬、分析和預(yù)測(cè)。改變現(xiàn)有簡(jiǎn)單分析和人為經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)的方式，通過(guò)數(shù)學(xué)、物理模型對(duì)重大環(huán)境污染事件進(jìn)行分析研判，有效的預(yù)測(cè)、管控、處置和應(yīng)急管理。

三、數(shù)字孿生技術(shù)在環(huán)境管理中的應(yīng)用

（一）建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的共享能力

數(shù)字孿生的本質(zhì)是以數(shù)據(jù)的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和物理世界的資源優(yōu)化，因此通過(guò)感知設(shè)備采集到的各類環(huán)境數(shù)據(jù)，包括污染源數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等各類真實(shí)世界的環(huán)境數(shù)據(jù)，可以利用數(shù)字孿生對(duì)環(huán)保管理的實(shí)體各要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)描述、動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。

（二）建立環(huán)境治理數(shù)學(xué)模型支撐

數(shù)字孿生的核心是面向物理實(shí)體和邏輯對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，通過(guò)模型支撐從而形成物理空間在模擬空間的虛實(shí)交互，通過(guò)這些方法可以清晰地描述環(huán)境污染過(guò)程中的內(nèi)在關(guān)系和規(guī)律，可以在大范圍內(nèi)對(duì)區(qū)域、流域、空間環(huán)境進(jìn)行數(shù)學(xué)模型模擬，并在此過(guò)程中對(duì)環(huán)境變量、干擾和決策變量進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。例如，可以利用數(shù)字孿生技術(shù)建立如下模型推測(cè)污染物在環(huán)境介質(zhì)中的傳輸和稀釋擴(kuò)散特征：

1.推流遷移模型：污染物會(huì)隨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的位置變化，在不改變環(huán)境介質(zhì)中污染物的濃度的情況下，通過(guò)某斷面單位面積的污染物通量f，利用，分解到三個(gè)坐標(biāo)軸，則有，公式中，u 為該處環(huán)境介質(zhì)流速，C 為該處污染物濃度。

2.擴(kuò)散作用預(yù)測(cè)

污染物在湍流流動(dòng)的介質(zhì)中，在濃度梯度作用下主要存在三種擴(kuò)散作用：分子擴(kuò)散作用、剪切離散作用和紊流擴(kuò)散作用。通過(guò)分析分子擴(kuò)散，對(duì)分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的分散現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)，擴(kuò)散過(guò)程服從費(fèi)克（Fick）定律第一擴(kuò)散定律，即在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積的擴(kuò)散物質(zhì)流量與該截面處的濃度梯度成正比，也就是說(shuō)，濃度梯度越大，擴(kuò)散通量越大。因此對(duì)于這三個(gè)坐標(biāo)軸，有如下公式可以計(jì)算：

3.紊流擴(kuò)散預(yù)測(cè)。紊流擴(kuò)散是紊流流場(chǎng)中質(zhì)點(diǎn)隨機(jī)運(yùn)動(dòng)引起的一種分散現(xiàn)象。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的條件下，其系數(shù)是紊流擴(kuò)散系數(shù)，和分子擴(kuò)散系數(shù)不同，紊流擴(kuò)散系數(shù)往往是各向異性的，其數(shù)學(xué)模型公式如下：，其中C 為一定時(shí)間周期內(nèi)的平均濃度；

（三）建立預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制

利用數(shù)字孿生建立的數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)環(huán)境量變化的可能性，在分析過(guò)去和預(yù)測(cè)未來(lái)的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境保護(hù)管理的行為進(jìn)行監(jiān)督、指導(dǎo)和決策。

數(shù)字孿生系統(tǒng)利用分析預(yù)測(cè)模型進(jìn)行層次分析并解決問(wèn)題，最突出的特點(diǎn)是分層比較，綜合優(yōu)化，在計(jì)算制定計(jì)劃，資源分配，排序，政策分析，決策預(yù)報(bào)等領(lǐng)域都可以廣泛應(yīng)用。同時(shí)模型還可以依據(jù)目前已有的數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做出預(yù)測(cè)，通過(guò)選取平均值作為計(jì)算的關(guān)鍵量，充分考慮空氣質(zhì)量的人為因素影響，運(yùn)用平均值預(yù)測(cè)抵消極端情況，從而預(yù)測(cè)出空氣質(zhì)量等級(jí)分布。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)及其數(shù)學(xué)建模的能力，可以把環(huán)境數(shù)據(jù)的使用率得到不斷提升。鑒于環(huán)境數(shù)據(jù)的不確定性，數(shù)字孿生技術(shù)比傳統(tǒng)的建模仿真更適用解決環(huán)境治理中，傳統(tǒng)機(jī)理模型無(wú)法解決的非線性、不確定性問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)構(gòu)成一個(gè)不斷進(jìn)化的系統(tǒng)，對(duì)于環(huán)境變量中無(wú)法進(jìn)行有效建模的干擾、非線性提出了有效控制方法，通過(guò)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)回歸特性或關(guān)聯(lián)關(guān)系，極大了提升了信息化手段在環(huán)境保護(hù)管理中的作用和價(jià)值。