孿生應(yīng)急:數(shù)字孿生賦能應(yīng)急管理的新范式*

王 秉 徐方廷 曹春秀

(1. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院 長沙 410083;2. 中南大學(xué)安全理論創(chuàng)新與促進研究中心 長沙 410083;3.中南大學(xué)安全科學(xué)與應(yīng)急管理研究中心 長沙 410083)

0 引 言

在當今數(shù)智時代,數(shù)智技術(shù)正在賦能各領(lǐng)域發(fā)生大變革和大發(fā)展[1]。在這樣的背景下,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與數(shù)字孿生等數(shù)智技術(shù)深度嵌入應(yīng)急管理場景,驅(qū)動應(yīng)急管理研究和實踐范式發(fā)生巨大變革。其中,數(shù)字孿生憑借其虛實交互、精準映射與全域感知等特性,可有效解決傳統(tǒng)應(yīng)急管理中的風(fēng)險預(yù)警遲鈍、應(yīng)急信息壁壘和多元主體應(yīng)急協(xié)同不足等現(xiàn)實弊病,被認為是賦能應(yīng)急管理范式變革的潛在重要數(shù)智技術(shù)之一[2-4]。目前,學(xué)界針對數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)急管理領(lǐng)域的應(yīng)用已開展一些有益探索,已有相關(guān)研究主要集中在基于數(shù)字孿生技術(shù)的突發(fā)事件風(fēng)險辨識[5-6]、應(yīng)急預(yù)案制定[7-8]和應(yīng)急演練培訓(xùn)等微觀層面,尚未提煉出具有普適性的孿生應(yīng)急概念,對孿生應(yīng)急機制研究不足。因此,數(shù)字孿生如何嵌入并賦能應(yīng)急管理?數(shù)字孿生以何路徑和手段革新應(yīng)急管理范式?這些問題理應(yīng)引起學(xué)界和實務(wù)界的關(guān)注和深究。鑒于此,本文提出孿生應(yīng)急概念,并分析它的內(nèi)涵、運行機制與可能應(yīng)用場景,以期為孿生應(yīng)急理論研究和實踐發(fā)展提供有益參考,助力數(shù)智賦能應(yīng)急管理范式變革和效能提升。

1 孿生應(yīng)急的概念及內(nèi)涵

1.1 概念提出

數(shù)字孿生因全生命周期管理理論而起,并隨數(shù)智技術(shù)發(fā)展而興,其本質(zhì)是信息建模,強調(diào)通過物理模型、傳感器和歷史數(shù)據(jù)等信息資源,集成多學(xué)科、多物理與多尺度屬性,對實體對象的形態(tài)特征、功能性能與運作機理等進行整體抽象,從而在虛擬空間中建立起與物理實體完全等價的數(shù)字孿生體,實現(xiàn)對物理實體全生命周期的全息感知、實時監(jiān)控和業(yè)務(wù)協(xié)同等任務(wù)功能[9-10]。

孿生應(yīng)急是數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)急管理領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用,通過構(gòu)建與突發(fā)事件真實場景能夠完全映射和實時交互的數(shù)字孿生模型,實現(xiàn)對突發(fā)事件應(yīng)急管理全周期、全要素與全方位的虛擬化、數(shù)字化與智慧化,進而實現(xiàn)應(yīng)急管理精準化、精細化與循證化。從系統(tǒng)視角看,孿生應(yīng)急是一個復(fù)雜巨系統(tǒng),包括物理空間中人員、機器與設(shè)備等實體要素和虛擬空間中的數(shù)據(jù)、模型與算法等非實體要素,二者不斷交互產(chǎn)生自適應(yīng)行為,由此形成孿生應(yīng)急的復(fù)雜適應(yīng)性,主要體現(xiàn)在突發(fā)事件風(fēng)險辨識與評估、風(fēng)險態(tài)勢預(yù)測與預(yù)警,以及應(yīng)急預(yù)案推演與優(yōu)化等方面。

1.2 主要特征

孿生應(yīng)急既是將數(shù)字孿生引入應(yīng)急管理后迭代升級的產(chǎn)物,亦是信息交互變革下的數(shù)智化應(yīng)急管理訴求,既具有數(shù)字孿生技術(shù)的共性,又具有應(yīng)急管理的特征[11],強調(diào)通過真實場景和虛擬模型的雙向映射、實時交互與動態(tài)反饋,使應(yīng)急管理主體能夠在突發(fā)事件發(fā)展演化的同時,全面辨識風(fēng)險并精準預(yù)測態(tài)勢,預(yù)演并驗證應(yīng)急管理可能影響,并由此動態(tài)調(diào)整應(yīng)急預(yù)案,使突發(fā)事件損失最小化和應(yīng)急管理效能最大化。概括而言,孿生應(yīng)急具有寫實性、自主性和預(yù)測性3大特征,具體解釋如下:

a. 寫實性,主要體現(xiàn)在對應(yīng)急管理全要素的精準映射。借助模擬仿真技術(shù)與3R(VR、AR與MR)技術(shù)等,對物理空間中的應(yīng)急管理要素進行全面數(shù)字化建模,在虛擬空間中還原真實應(yīng)急場景。借助傳感技術(shù)與標識技術(shù)等,實時采集、處理和儲存環(huán)境中支撐應(yīng)急管理與決策的各類數(shù)據(jù),并隨突發(fā)事件演化實時更新數(shù)據(jù)。

b.自主性,主要體現(xiàn)在自動辨識風(fēng)險和自主應(yīng)急決策方面。與傳統(tǒng)執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的應(yīng)急管理動作的“自動化應(yīng)急”不同,孿生應(yīng)急基于對突發(fā)事件態(tài)勢的感知和理解,自動辨識風(fēng)險要素并對應(yīng)急管理情況作出反映,無需預(yù)先配置數(shù)據(jù)環(huán)境,具有極高的適應(yīng)性和靈活性。

c.預(yù)測性,主要體現(xiàn)在對應(yīng)急預(yù)案的迭代優(yōu)化。借助機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等人工智能算法模型,基于實時數(shù)據(jù)對突發(fā)事件真實應(yīng)急場景進行仿真模擬,并將結(jié)果反饋作用至物理空間中的應(yīng)急管理要素,在虛實空間的不斷交互中實現(xiàn)應(yīng)急預(yù)案的迭代優(yōu)化與完善。

1.3 要素范疇

結(jié)合應(yīng)急管理基本要素和陶飛等[12]提出的數(shù)字孿生五維模型,提出孿生應(yīng)急的5大基本要素(如圖1所示),即應(yīng)急管理物理實體、應(yīng)急管理虛擬實體、應(yīng)急管理服務(wù)、應(yīng)急管理數(shù)據(jù)和各部分間的連接,具體解釋見表1。可見,孿生應(yīng)急是上述5大要素的一個集合體。

表1 孿生應(yīng)急的基本要素內(nèi)涵

圖1 孿生應(yīng)急的5大基本要素

2 孿生應(yīng)急的運行機制

2.1 總體機制

根據(jù)孿生應(yīng)急的基本要素及其相互間的邏輯關(guān)系,提出孿生應(yīng)急的總體運行機制,如圖2所示。在圖2中,根據(jù)“仿真建?！涸谶B接—虛實映射—迭代優(yōu)化”的內(nèi)在邏輯,通過構(gòu)建應(yīng)急管理孿生體優(yōu)化現(xiàn)實空間中的應(yīng)急管理要素與流程,實現(xiàn)應(yīng)急管理效能最大化。圖2所構(gòu)建的框架可幫助應(yīng)急決策者認知突發(fā)事件應(yīng)急管理的內(nèi)在機制,輔助其提高建模的準確性,從而不斷提高虛擬模型仿真的孿生性和有限性。

圖2 孿生應(yīng)急的總體運行機制

a.仿真建模,對應(yīng)急管理要素的數(shù)字化重構(gòu)。將物理世界中應(yīng)急管理所涉及的一切人(即應(yīng)急管理主體,如應(yīng)急管理決策者、指揮者與服務(wù)者等)、機(即應(yīng)急管理載體,如機器、設(shè)備與設(shè)施等)、物(即應(yīng)急管理客體,主要指風(fēng)險源或突發(fā)事件)和環(huán)(即風(fēng)險環(huán)境)等要素模型化、虛擬化與數(shù)字化,建立成計算機和網(wǎng)絡(luò)能夠感知、識別、處理和分析的全息數(shù)字模型,如應(yīng)急管理幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型等。

b.泛在連接,在物理實體與虛擬實體間建立關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)泛在連接的核心技術(shù),通過物聯(lián)網(wǎng)、傳感器和監(jiān)控設(shè)備等,實時采集突發(fā)事件基礎(chǔ)數(shù)據(jù),作為應(yīng)急管理虛擬模型運行的新初始值和新邊界值。其中,高帶寬技術(shù)支持海量信息同步傳輸,降低非必要時延;云儲存中心在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)的支持下,可實時獲取、儲存和分析應(yīng)急管理數(shù)據(jù),為智慧應(yīng)急管理和服務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐。

c.虛實映射,在大數(shù)據(jù)處理技術(shù)支持下,融合采集和提取得到的應(yīng)急管理物理實體數(shù)據(jù)、虛擬實體數(shù)據(jù)、連接數(shù)據(jù)與服務(wù)數(shù)據(jù)等,實現(xiàn)物理實體和虛擬實體間的實時映射與數(shù)據(jù)流動,實現(xiàn)從虛擬化到數(shù)字化再到鏡像化的過程。同時,利用各類高精準的映射算法、邊緣計算算法和5G通信等技術(shù),實現(xiàn)應(yīng)急管理場景的虛實融合和智慧運行,體現(xiàn)孿生應(yīng)急的可交互性。

d.迭代優(yōu)化,基于時間、空間、效率、性能和成本等約束條件,在大數(shù)據(jù)、云計算和區(qū)塊鏈等數(shù)智技術(shù)和機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法驅(qū)動下,實現(xiàn)不同級別孿生體的自運行和自優(yōu)化。其中,單元級孿生體內(nèi)部各元器件間的數(shù)據(jù)率先實現(xiàn)共享,進而通過自主學(xué)習(xí)形成更大規(guī)模的智慧應(yīng)急管理孿生體,實現(xiàn)與虛實空間完全同步的共生、共治和共演化。

2.2 功能機制

為全面展現(xiàn)孿生應(yīng)急的功能屬性,結(jié)合應(yīng)急管理業(yè)務(wù)流程[16-17],將孿生應(yīng)急劃分為風(fēng)險態(tài)勢感知、應(yīng)急信息儲存、虛實空間交互、應(yīng)急數(shù)據(jù)處理和應(yīng)急管理服務(wù)5大功能模塊,不同模塊的基本功能和交互對象不同,具體解釋見表2。基于此,運用數(shù)字孿生思想表達各模塊間的交互關(guān)系,見圖3。

表2 孿生應(yīng)急功能機制的構(gòu)成模塊

圖3 孿生應(yīng)急的內(nèi)在功能機制

a.風(fēng)險態(tài)勢感知模塊,是孿生應(yīng)急體系的基礎(chǔ)支撐。傳統(tǒng)突發(fā)事件應(yīng)急場景中的物理傳感器存在風(fēng)險自主辨識和處理能力弱、體積和功耗較大、移動和維護困難等功能缺陷,導(dǎo)致其僅能滿足局部應(yīng)急管理需要,難以實現(xiàn)全生命周期應(yīng)急管理。風(fēng)險態(tài)勢感知模塊將物理傳感器、監(jiān)控設(shè)備、紅外線、RFID與WiFi/ZIGBEE節(jié)點等多端智慧傳感設(shè)備連接起來,實時采集突發(fā)事件場景中的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化應(yīng)急管理數(shù)據(jù)。此外,在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和5G通信等技術(shù)支持下,結(jié)合地理物流系統(tǒng)采集突發(fā)事件輿情信息,并根據(jù)應(yīng)急調(diào)控指令內(nèi)容,開展新一輪的風(fēng)險態(tài)勢感知工作。

b.應(yīng)急信息儲存模塊,是孿生應(yīng)急的“信息倉庫”。由于突發(fā)事件的不確定性、復(fù)雜性和衍生性,海量異構(gòu)的風(fēng)險信息不斷涌現(xiàn),呈現(xiàn)多主體和分散化的特點。因此,對多類(如音頻、圖片和文字等)、多源(包括應(yīng)急管理部門、機構(gòu)組織與社會大眾等)突發(fā)事件信息進行采集并儲存,形成支持應(yīng)急管理與決策的應(yīng)急信息云儲存中心至關(guān)重要。應(yīng)急信息云儲存中心可為整個孿生應(yīng)急體系運行提供數(shù)據(jù)支撐,可實現(xiàn)應(yīng)急管理物理實體數(shù)據(jù)、應(yīng)急管理虛擬實體數(shù)據(jù)、應(yīng)急管理服務(wù)數(shù)據(jù)、應(yīng)急管理連接數(shù)據(jù)及其以上四類數(shù)據(jù)的融合數(shù)據(jù)的海量儲存與高速調(diào)用。

c.虛實空間交互模塊,是溝通物理空間與虛擬空間的“綠色通道”。通過集成溫度、濕度、光線、壓力與動作感知等感知技術(shù)[3],為相關(guān)人員復(fù)現(xiàn)突發(fā)事件真實場景提供技術(shù)支撐,通過構(gòu)建突發(fā)事件虛擬場景,支持應(yīng)急管理虛擬漫游,為應(yīng)急管理決策者提供風(fēng)險信息、應(yīng)急資源信息與應(yīng)急服務(wù)信息等,方便其快速定位風(fēng)險位置和應(yīng)急管理進程。此外,還可借助增強現(xiàn)實技術(shù),完成智能終端、操作界面與門戶網(wǎng)站間的切換交互,支持決策者實時查看應(yīng)急管理歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù),支持歷史應(yīng)急情況重演和遠程資源調(diào)配。

d.應(yīng)急信息處理模塊,為精細化應(yīng)急管理提供“數(shù)字底座”。信息處理主要是對含有突發(fā)事件發(fā)生時間和地點的非空間地理信息空間進行空間化處理,生成含有經(jīng)緯度坐標的時空數(shù)據(jù),在地理空間信息技術(shù)的支持下完成突發(fā)事件實況三維、電子地圖和數(shù)字地表模型等的信息更新,進而形成孿生應(yīng)急信息庫,并將處理后的應(yīng)急管理信息反饋至終端人員,為智慧應(yīng)急提供多尺度、精細化的輔助決策支持。

e.應(yīng)急管理服務(wù)模塊,面向?qū)嶋H的應(yīng)急管理需求并提供相應(yīng)的功能。主要應(yīng)用形式有:突發(fā)事件專題地圖,一圖掌控風(fēng)險要素和應(yīng)急資源的空間分布,為風(fēng)險辨識、物資調(diào)配和搶險救災(zāi)等應(yīng)急活動提供科學(xué)依據(jù);風(fēng)險隱患“一張圖”,探索并實現(xiàn)如礦山、發(fā)電廠、學(xué)校和科研單位等應(yīng)急重點單位的風(fēng)險辨識評估,按照風(fēng)險等級生成風(fēng)險四色圖,可直觀了解區(qū)域風(fēng)險要素信息和應(yīng)急管理分級情況;應(yīng)急響應(yīng)“e鍵通”,打破應(yīng)急管理部門桎梏,連通各職能部門間的數(shù)據(jù)孤島,通過數(shù)字孿生應(yīng)急平臺進行雙向?qū)崟r音視頻交流,滿足突發(fā)事件現(xiàn)場實時通信的應(yīng)急要求,使應(yīng)急響應(yīng)工作部署更加準確。

3 孿生應(yīng)急的應(yīng)用場景分析

第一,應(yīng)急管理戰(zhàn)略規(guī)劃與部署。在數(shù)字孿生驅(qū)動下,整合現(xiàn)實場景中的所有應(yīng)急管理數(shù)據(jù)信息、應(yīng)急管理規(guī)劃行為和應(yīng)急管理需求等相關(guān)信息資源,通過孿生應(yīng)急模型對虛擬應(yīng)急管理規(guī)劃進行模擬,動態(tài)研判執(zhí)行效果,預(yù)測分析應(yīng)急管理戰(zhàn)略的實施情況,從而對規(guī)劃的科學(xué)性、合理性和可行性進行監(jiān)管評估,實現(xiàn)應(yīng)急管理戰(zhàn)略規(guī)劃的最優(yōu)化決策。

第二,突發(fā)事件態(tài)勢感知與推演。應(yīng)急管理強調(diào)同步關(guān)注信息、物理和社會三元空間的風(fēng)險要素[18],實時感知突發(fā)事件風(fēng)險態(tài)勢,這就需在多元孿生大數(shù)據(jù)的驅(qū)動下,根據(jù)應(yīng)急管理孿生模型構(gòu)建多模態(tài)、高保真與精細化的應(yīng)急管理智慧大腦,通過“物理-信息-社會”三元空間的作用與交互[19],智能預(yù)測突發(fā)事件整體態(tài)勢,發(fā)現(xiàn)復(fù)雜風(fēng)險環(huán)境下的突發(fā)事件演變規(guī)律及風(fēng)險要素間的潛在關(guān)聯(lián)與多元應(yīng)急主體隱性規(guī)則,形成全方位風(fēng)險態(tài)勢感知、全周期應(yīng)急管理和全要素應(yīng)急協(xié)同的孿生應(yīng)急模式。

第三,應(yīng)急演練模擬仿真與災(zāi)后重建。孿生應(yīng)急可對突發(fā)事件應(yīng)急管理全要素、全業(yè)務(wù)和全過程進行精準映射和模擬仿真,通過事先設(shè)置的閾值驅(qū)動相關(guān)主體按照應(yīng)急預(yù)案中的既定角色和功能步驟開展演練,并對整個演練過程中的人員協(xié)同情況、物資調(diào)配情況與預(yù)案執(zhí)行情況等進行評估與優(yōu)化[20]。此外,通過GPS、智能物聯(lián)感知和三維測繪技術(shù),真實還原突發(fā)事件現(xiàn)場環(huán)境,為突發(fā)事件恢復(fù)與重建提供了參考依據(jù)和數(shù)據(jù)保障。

第四,應(yīng)急指揮與教育培訓(xùn)。數(shù)字孿生應(yīng)急管理模型可模擬突發(fā)事件真實情形,提供沉浸式和情境化的突發(fā)事件情景體驗,實現(xiàn)遠程應(yīng)急智慧和全息化教育培訓(xùn)。應(yīng)急指揮人員、受訓(xùn)人員和體驗者等可通過增強現(xiàn)實裝備連接突發(fā)事件孿生體,遠程感受突發(fā)事件現(xiàn)場,通過手勢交互、語言交互和遠程標注等[21]手段進行實時通信,讓應(yīng)急信息傳遞可感可知,重塑應(yīng)急知識傳統(tǒng)形式。此外,通過分析文本、語音、錄像和三維標注等反饋信息,可進一步優(yōu)化應(yīng)急預(yù)案,不斷更新應(yīng)急管理知識庫。

4 結(jié)束語

數(shù)字孿生為重塑應(yīng)急管理基本邏輯提供了良好契機,為應(yīng)急管理范式變革提供了技術(shù)路徑。本文所提出的孿生應(yīng)急是應(yīng)急管理的未來發(fā)展方向,致力于實現(xiàn)應(yīng)急數(shù)據(jù)的有效整合、應(yīng)急主體的多元協(xié)同和虛實世界的同步應(yīng)急,賦能全周期智慧應(yīng)急。與傳統(tǒng)應(yīng)急管理范式相比,孿生應(yīng)急在風(fēng)險態(tài)勢實時監(jiān)測、異常數(shù)據(jù)自動告警、應(yīng)急資源協(xié)同調(diào)度、應(yīng)急預(yù)案模擬演練和應(yīng)急管理決策輔助等方面具有明顯優(yōu)勢。孿生應(yīng)急作為一個由新興技術(shù)驅(qū)動的新構(gòu)想,孿生應(yīng)急的探索實踐才剛剛開始,其在發(fā)展過程中必然會面臨到倫理道德、隱私保護與數(shù)據(jù)安全等諸多問題和爭議。未來,需繼續(xù)探索孿生應(yīng)急的內(nèi)在機理、運行邏輯和賦能路徑等,豐富孿生應(yīng)急理論,并結(jié)合實例檢驗孿生應(yīng)急理論的科學(xué)性和可行性。此外,還應(yīng)配合組織結(jié)構(gòu)調(diào)整、制度政策變革、技術(shù)升級創(chuàng)新以及強烈的革新信念,實現(xiàn)孿生應(yīng)急的美好愿景,充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)在應(yīng)急管理數(shù)智化進程中的重要作用。