數(shù)字孿生在應(yīng)急管理工作中的應(yīng)用

曹雪松，徐淑珍，官 靜，康翠雯

（天訊瑞達(dá)通信技術(shù)有限公司研究總院，廣東 廣州 510623）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，應(yīng)急管理工作面臨著越來越復(fù)雜和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的應(yīng)急管理方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代社會(huì)的需求，特別是在突發(fā)事件應(yīng)對(duì)處置和應(yīng)急救援過程中，由于救援人員趕到災(zāi)害發(fā)生地點(diǎn)往往需要一定時(shí)間，存在指揮部對(duì)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)信息獲取速度緩慢及不全的問題，指揮員難以對(duì)事故災(zāi)難全貌做準(zhǔn)確判斷，從而無法保障應(yīng)急處置各環(huán)節(jié)能夠及時(shí)啟動(dòng)響應(yīng)。數(shù)字孿生[1]是智慧城市發(fā)展到一定程度產(chǎn)生的一種新興的技術(shù)手段，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(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數(shù)字世界同生共存、虛實(shí)交融，這種技術(shù)可以為應(yīng)急管理工作提供全新的思路和解決方案。

1 數(shù)字孿生的概念和特點(diǎn)

數(shù)字孿生是一種通過對(duì)實(shí)體物體進(jìn)行虛擬復(fù)制和模擬，創(chuàng)建精確的數(shù)字模型的技術(shù)。數(shù)字孿生具有高度精確的仿真和預(yù)測(cè)能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體物體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生的特點(diǎn)包括高度可視化、高度交互性和高度智能化[1]。數(shù)字孿生按成熟度可分為六級(jí)模型精度：L0 級(jí)，采用地表模型和建筑白模初步建模，基于GIS 數(shù)據(jù)生產(chǎn)地形、地貌、路網(wǎng)、水系等；L1 級(jí)，基于GIS 數(shù)據(jù)、傾斜攝像、影像數(shù)據(jù)還原城市地形、建筑、城市道路，可較好還原城市區(qū)域形態(tài)；L2 級(jí)，基于GIS 數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像、項(xiàng)目資料等，對(duì)城市地形、建筑結(jié)構(gòu)原始紋理、交通設(shè)施、地表植被、水系等進(jìn)行準(zhǔn)確還原，真實(shí)程度較高；L3 級(jí)，基于GIS、BIM、衛(wèi)星影像、項(xiàng)目資料等對(duì)建筑結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)、交通設(shè)施、水系、地表植被等進(jìn)行精細(xì)還原，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)物理世界的幾何特性，精度達(dá)到厘米級(jí)；L4 級(jí)，基于GIS、BIM、衛(wèi)星影像、項(xiàng)目資料等對(duì)地形、建筑細(xì)節(jié)、交通設(shè)施、地表植被、水系進(jìn)行超精細(xì)建模與細(xì)節(jié)還原，真實(shí)反應(yīng)其光照及質(zhì)感，精度達(dá)到毫米級(jí)；L5 級(jí)，對(duì)城市建筑物、基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境資源1：1 還原，達(dá)到現(xiàn)實(shí)世界的質(zhì)感與光效，可稱為影視級(jí)的細(xì)節(jié)與渲染[2]。

而應(yīng)急管理對(duì)災(zāi)害事故場(chǎng)景的數(shù)字孿生建模，其目標(biāo)就是要以數(shù)字化方式在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與物理世界中的災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)相匹配、對(duì)應(yīng)的孿生場(chǎng)景，目前采用L0～L3 級(jí)別模型較為廣泛。主要通過對(duì)物理實(shí)體、規(guī)則、邊界、屬性的數(shù)字化映射，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)以及算法模型等，實(shí)現(xiàn)各類突發(fā)事件從事前、事發(fā)、事中、事后等各環(huán)節(jié)的全過程、全要素、全方位、全周期的仿真、預(yù)測(cè)、交互和控制，并據(jù)此指導(dǎo)優(yōu)化突發(fā)事件應(yīng)對(duì)各項(xiàng)工作，輔助應(yīng)急管理部門及時(shí)應(yīng)對(duì)各類災(zāi)害事故，提升輔助指揮決策能力和救援實(shí)戰(zhàn)能力，促進(jìn)應(yīng)急管理體系和能力現(xiàn)代化[3]。

2 數(shù)字孿生在應(yīng)急管理中的應(yīng)用解決方案

2.1 災(zāi)害預(yù)警和預(yù)測(cè)

數(shù)字孿生在災(zāi)害預(yù)警方面可以利用高程數(shù)據(jù)和管網(wǎng)數(shù)據(jù)模擬地形地貌特征建立地表數(shù)字孿生模型，再利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸技術(shù)，及時(shí)獲取地震、洪水、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將其與數(shù)字孿生模型進(jìn)行實(shí)時(shí)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警可能發(fā)生的災(zāi)害。通過對(duì)數(shù)字孿生模型中的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和模擬，可以提前預(yù)測(cè)災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)以及規(guī)模等，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息，幫助相關(guān)部門和民眾做好防范和應(yīng)對(duì)準(zhǔn)備。數(shù)字孿生在災(zāi)害預(yù)測(cè)方面可以通過對(duì)歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)和實(shí)際系統(tǒng)的建模分析，預(yù)測(cè)未來可能發(fā)生的災(zāi)害并做出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[4]。通過數(shù)字孿生模型可以模擬不同的災(zāi)害情境，評(píng)估不同的防災(zāi)措施和應(yīng)對(duì)策略的有效性，幫助決策者在災(zāi)害發(fā)生前做出科學(xué)的決策，提前采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，減輕災(zāi)害帶來的損失。城市災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)字孿生如圖1 所示。

圖1 城市災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警數(shù)字孿生

2.2 應(yīng)急響應(yīng)和指揮

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在應(yīng)急響應(yīng)和指揮中的應(yīng)用可以提高災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力、減少損失，幫助指揮決策者做出科學(xué)、迅速的決策，有效地應(yīng)對(duì)各類緊急情況。如在突發(fā)事件發(fā)生的緊急情況下可以通過數(shù)字孿生構(gòu)建真實(shí)環(huán)境的虛擬模型用于模擬和演練各種緊急情況。應(yīng)急響應(yīng)人員通過該模型可以進(jìn)行模擬演練，了解不同情況下的響應(yīng)策略和決策，評(píng)估應(yīng)急措施的有效性，并培訓(xùn)應(yīng)急人員以提高應(yīng)急響應(yīng)能力。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬場(chǎng)景中通過傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)時(shí)獲取環(huán)境、設(shè)備和人員等各種數(shù)據(jù)，以提供準(zhǔn)確的狀態(tài)信息和決策支持[5]。例如，在火災(zāi)緊急情況下，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙霧、溫度、氧氣含量等數(shù)據(jù)，提供實(shí)時(shí)警報(bào)和推薦最佳逃生路線。數(shù)字孿生還可以模擬和優(yōu)化資源調(diào)度方案。例如，在地震災(zāi)害中，數(shù)字孿生可以模擬受災(zāi)地區(qū)的交通情況、人員分布、醫(yī)療資源等，通過智能算法進(jìn)行優(yōu)化分析，幫助指揮部門高效地調(diào)度救援力量和物資，合理分配資源，提高應(yīng)急響應(yīng)效率。應(yīng)急響應(yīng)和指揮全流程數(shù)字孿生如圖2 所示。

圖2 應(yīng)急響應(yīng)和指揮全流程數(shù)字孿生

2.3 安全生產(chǎn)

通過數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)安全生產(chǎn)領(lǐng)域的模擬、監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，幫助提高安全性、降低事故風(fēng)險(xiǎn)，并及時(shí)采取措施保護(hù)人員和設(shè)備的安全。如針對(duì)?；飞a(chǎn)、儲(chǔ)存企業(yè)建立工業(yè)生產(chǎn)園區(qū)的數(shù)字孿生模型可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并預(yù)測(cè)潛在的故障風(fēng)險(xiǎn)，這有助于及時(shí)采取措施以避免事故發(fā)生，提高廠區(qū)和設(shè)備的安全性，數(shù)字孿生還可以在礦山中模擬采礦設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并預(yù)測(cè)潛在的危險(xiǎn)和事故風(fēng)險(xiǎn)。這幫助礦山運(yùn)營(yíng)商及時(shí)采取措施，確保礦工和設(shè)備的安全。數(shù)字孿生還可以模擬城市的基礎(chǔ)設(shè)施，如橋梁、道路、管道等。通過對(duì)這些基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，建立城市生命線的全生命周期體系，預(yù)防潛在的破壞和事故，并采取相應(yīng)的維修和保養(yǎng)措施。安全生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生如圖3 所示。

圖3 安全生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生

2.4 演練和培訓(xùn)

數(shù)字孿生可以通過對(duì)不同應(yīng)急場(chǎng)景的模擬和演練，提供實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練和指導(dǎo)。通過數(shù)字孿生可以模擬不同的災(zāi)害場(chǎng)景，培訓(xùn)應(yīng)急人員的應(yīng)變能力和決策能力，提高應(yīng)急管理的整體水平。數(shù)字孿生技術(shù)可以創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，模擬各類應(yīng)急情景，如火災(zāi)、地震、化學(xué)泄漏等。參與者通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)時(shí)感受到緊急情況下的應(yīng)對(duì)壓力，并在虛擬環(huán)境中進(jìn)行反應(yīng)和決策。這有助于提高應(yīng)急響應(yīng)的效率和準(zhǔn)確性。在應(yīng)急演練中通過數(shù)字孿生模型可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析參與者的行為和應(yīng)急響應(yīng)?；谀M結(jié)果和分析數(shù)據(jù)可以識(shí)別出潛在的問題和改進(jìn)空間，并通過模擬優(yōu)化進(jìn)行反復(fù)演練和改進(jìn)。可以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)在虛擬環(huán)境中進(jìn)行訓(xùn)練，并模擬實(shí)際應(yīng)急情況下的協(xié)同工作，通過團(tuán)隊(duì)合作的演練可以提高團(tuán)隊(duì)成員之間的配合能力和溝通效率，有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的應(yīng)急情況。最后可以記錄和分析每個(gè)參與者的應(yīng)急表現(xiàn)，并提供實(shí)時(shí)反饋和評(píng)估報(bào)告。這有助于參與者了解自身的表現(xiàn)，并發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的地方，提高自身的應(yīng)急能力。基于預(yù)案的應(yīng)急演練和培訓(xùn)數(shù)字孿生如圖4 所示。

3 數(shù)字孿生在應(yīng)急管理中的前景和挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生是一種創(chuàng)新技術(shù)，但在應(yīng)急管理工作中仍面臨著一些重大挑戰(zhàn)，制約該項(xiàng)技術(shù)對(duì)這個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的支撐，主要包括以下5 個(gè)方面。

3.1 數(shù)據(jù)精確性和準(zhǔn)確性

數(shù)字孿生需要依賴大量的數(shù)據(jù)來構(gòu)建模型，但數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精確性是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果模型建立在不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)上，可能導(dǎo)致模擬結(jié)果不真實(shí)或者對(duì)實(shí)際情況無效。因此在數(shù)字孿生中確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵。

3.2 數(shù)字孿生建模的及時(shí)性

突發(fā)事件往往發(fā)生非常突然，地點(diǎn)非常隨機(jī)，救援機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)瞬即逝，數(shù)字孿生建模往往需要時(shí)間，很難滿足事件處置的及時(shí)性要求，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)急管理中的應(yīng)用受限。

3.3 模型復(fù)雜性和維護(hù)

數(shù)字孿生模型的復(fù)雜性往往較高，需要投入大量時(shí)間和資源來構(gòu)建和維護(hù)。模型的更新和維護(hù)也需要及時(shí)調(diào)整，以使其始終與現(xiàn)實(shí)情況保持一致。這對(duì)應(yīng)急管理團(tuán)隊(duì)來說可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，需要投入相應(yīng)的人力和物力來維護(hù)模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

3.4 技術(shù)和設(shè)備需求

數(shù)字孿生技術(shù)通常需要配備高性能的計(jì)算機(jī)、傳感器和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備等，并且需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)和操作。這對(duì)于一些資源有限的應(yīng)急管理機(jī)構(gòu)可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，限制了其在數(shù)字孿生領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

3.5 數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)

數(shù)字孿生建模通常需要使用大量的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建真實(shí)世界的模型。在應(yīng)急管理工作中涉及的數(shù)據(jù)可能包含敏感信息和隱私內(nèi)容，因此，需要妥善處理數(shù)據(jù)共享和隱私保護(hù)的問題，確保數(shù)據(jù)的安全性和機(jī)密性。

雖然數(shù)字孿生在應(yīng)急管理工作中面臨一些挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)的積累，這些挑戰(zhàn)可以逐漸得以克服。應(yīng)急管理單位需要充分了解和準(zhǔn)備這些挑戰(zhàn)，并積極尋求解決方案來推動(dòng)數(shù)字孿生在應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生作為一種新興的技術(shù)手段在應(yīng)急管理工作中具有廣泛的應(yīng)用前景。它能提高應(yīng)急響應(yīng)的效率和準(zhǔn)確性，減少人員和物質(zhì)損失，并提升應(yīng)急管理的整體水平。然而數(shù)字孿生的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)，需要綜合考慮技術(shù)、資源和法律等方面的因素，加強(qiáng)相關(guān)研究和合作，推動(dòng)數(shù)字孿生在應(yīng)急管理中的更廣泛應(yīng)用。