数字孪生技术在应急管理领域的应用探讨.pdf
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1、2023年第7期数字孪生技术在应急管理领域的应用探讨周苏旭,杨鹏(广东省电信规划设计院有限公司,广东省广州市 510660)摘要简要叙述数字孪生技术在数据层、模型层、功能层和用户层的应用基础,指出数字孪生技术有助于破解当前应急管理“防”和“救”工作所面临的问题,提出数字孪生技术在各级政府管理部门关注的自然灾害、安全生产和城市安全三大重点领域有极大的应用价值。同时探讨数字孪生技术在这些领域应用面临的困难,并给出加快数字孪生技术在应急管理领域进一步应用的建议。关键词数字孪生;应急管理;监测预警;应急救援0引言数字孪生技术是指利用计算机、数据挖掘和虚拟仿真等技术,将实体的数字化信息与物理世界中的实体
2、相连接,建立虚拟的数字孪生体,实现对实体的全生命周期仿真和管理的技术。数字孪生技术的概念最早可以追溯到美国的 Michael%Grieves 教授提出的镜像空间模型,后来 NASA(美国国家航空航天局)等机构将数字孪生技术应用到航空航天领域1。数字孪生技术具有高度还原度和强大的仿真性能,被广泛应用于航天航空、工业制造、建筑设计、城市管理等领域。北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院陶飞教授带领数字孪生研究组团队经过多年的研究积累,系统提出了数字孪生的五维结构模型和数字孪生驱动的 6 条应用准则,探索了数字孪生驱动的 14 类应用设想,思考了实施过程中所需突破的关键问题与技术2,深入研究提出“
3、何为数字孪生?”“谁在关注数字孪生?”等关键问题,推动广大科研工作者理性对待数字孪生,加快形成对数字孪生的共同认识3。1 数字孪生技术应用基础数字孪生技术在工业制造、建筑设计、城市管理等领域中的共同点是它们都需要通过数字孪生技术将实际场景数字化建模,从而实现对复杂场景的实时监测、预测、优化和决策支持。实际场景数字化建模的实现须基于基础层、模型层、功能层和用户层的有效支撑。1)基础层一是需要针对具体建模物理场景对象部署大量的物联感知设备,实时采集监控对象的关键位置、视频、电、声、热、光等数据,同时接入已有相关监测、监控、模型数据,共同实现感知对象关键数据的采集。二是通过可靠的有线、无线通信网络实
4、现海量、多源、异构监测数据的实时回传和一体汇聚,有效支撑后续海量数据的统一治理。三是实现海量、多源、异构历史汇聚数据、实时回传数据的高效高质量挖掘、治理和增值应用,为孪生模型奠定数据基础。四是可以基于数字孪生模型输出的模拟结果,借助智能设备、自动化机械、远程控制系统等反馈调节现实世界,主动影响现实流程及结果,争取更大的效益。基础层是数字孪生的根基,缺乏基础层的支撑,无法实现对现实世界场景的观测和影响,数字孪生就无法反馈现实并作用于现实。2)模型层一是需要借助倾斜摄影、激光雷达等三维建模技术,结合 GIS(地理信息系统)、CIM(城市信息模型)、BIM(建筑信息模型)等资源实现对象在空间位智 慧
5、 应 急2023年第7期置、外形轮廓、内部构造的基础物理架构的建模。二是需要利用对建模对象的自身运行机理的研究,借助模拟仿真、AI(人工智能)、云计算等技术实现对研究对象内部特征机理的建模。三是需要通过学习研究建模对象和所处环境的关系,构建建模对象与环境相互作用的条件及影响,结合建模对象本身的基础物理结构、内部特征机理的模拟,实时有效映射物理建模对象。模型层是数字孪生的核心,缺乏模型层,数字孪生将无从谈起,无法实现对海量数据的有效集成应用,也无法有效支撑功能层。3)功能层一是基于海量实时监控监测数据实现对物理对象的监控管理,及时掌握跟进物理对象的变化,助力各类设计、生产、管理、维护工作。二是结
6、合模拟仿真技术,基于对象与环境的作用及影响关系,进一步强化预警、评估、预测等能力,提前干预,改造条件避免发生期望外的情况。三是基于历史数据、应对经验和场景预案,提出处置建议,助力优化和决策。功能层是数字孪生技术的关键,它区别于其他对过往及当前数据的呈现技术,基于对地理气候、人与环境、灾害事故、计算机科学等多学科多领域基础理论、发展规律、底层逻辑的深刻理解,开发数字孪生,预测未来一定时间内的事件或者变化,以更好地改造现实世界。4)用户层一是借助强大的可视化引擎和视频、游戏渲染技术,实现对感知对象的全方位、多层次、立体化的可视化呈现,助力数字孪生应用人员通过对感知对象的不同颗粒度的解构、聚合、重组
7、深化对感知对象的理解及掌握,提升用户体验。二是基于 VR(虚拟现实)、AR(增强现实)、MR(混合现实)等技术,通过相关人机接口,为数字孪生应用人员提供沉浸式交互体验,助力打造更真实的服务能力,助力身临“现场”,但对于感知对象的理解更加真实直观、深刻全面且符合客观规律。用户层面向各类数字孪生需求用户,更加友好、便利、简洁的服务能力将能吸引更多客户和团队,吸收更多各类资源投入数字孪生技术的开发利用,缩短相关技术的开发周期,更好更快地服务于各级政府部门等相关用户。2数字孪生在应急管理领域的应用2.1“防”和“救”的困境 中华人民共和国突发事件应对法规定,突发事件是指突然发生,造成或者可能造成严重社
8、会危害,需要采取应急处置措施予以应对的自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件。而应急管理是针对各类突发事件(包括自然灾害、事故灾难、公共卫生事件和社会安全事件),从预防与应急准备、监测与预警、应急处置与救援到事后恢复与重建等全方位、全过程的管理。2018 年 3 月,根据第十三届全国人民代表大会第一次会议批准的国务院机构改革方案,国务院设立中华人民共和国应急管理部,满足新时代人民群众对以自然灾害、事故灾难两类突发事件为主的灾害事故应对需要。为加快应急管理工作机制、工作模式、业务流程的革命性重塑,将推动应急管理决策从经验决策为主向智能辅助决策与经验决策相融合转变,应急管理部统领全国各级应
9、急管理部门以“全国一盘棋”的形式推进了以“智慧应急”为核心的应急管理信息化建设事业。应急管理工作的业务核心在于“防”和“救”,即灾害事故事发前中期的预先防范和灾害事故发生中后期的紧急救援。“防”侧重于对具有较大风险隐患对象的实时动态监测预警,并且预先做好预案、调集物资等各方面准备。“救”侧重于对风险隐患发展成灾后对受灾人员财产的抢救,避免灾害事故的进一步扩大以至于需要投入更多的应急资源和造成更大的人员伤亡、财产损失和社会经济影响。但受各种因素影响,整体上突发事件的发生具有高度不确定性,即突发事件在何时、何地、以何种形式、何种规模爆发,当前的科技水平难以预知.因此无论是“防”和“救”,实践中工作
10、开展都具有较大难度,业务开展面临一定的困境。由于全面监测预警能力和灾害事故演变发展预测能力的不足,且欠缺灾害事故现场全方位、多层次、立体化的掌控能力,将难以支撑救援队伍、专家、物资等各类应急资源的精准调度,无法在第一时间展开应急救援工作。智 慧 应 急2023年第7期2.2破局在山洪灾害防治方面,韩培等人结合区域山洪灾害防御现实的需求,以新疆托里县为例,提出了基于数字孪生技术的山洪灾害预报、预警、预演、预案试点建设的系统框架,解决当前该县山洪灾害防治资料缺乏、预报精度低、预警传达弱、预演实施难等问题4。在城市内涝灾害防治方面,叶陈雷等人针对城市日益严峻的暴雨洪涝问题,提出构建面向城市的数字孪生
11、系统,集实时感知、仿真模拟、预测预警、指挥决策于一体,实现对城市全域降水、径流、管网、河网、地表、闸泵全要素实时动态监测和模拟5。在城市应急管理方面,仇保兴等人提出数字孪生平台,通过可视化界面实时展示各种应急资源的位置、状态,并可基于空间实际地理坐标对可用应急资源进行查询,实现可用资源的平衡匹配,实现数据到场景全过程的数字化、可视化、智能化,为政府恰当地使用行政干预来处置应急事件提供有效切入口,有效提升城市应急管理的敏捷性6。在安全生产方面,姚江等人提出的基于工业互联网的露天矿数字孪生建模系统和方法,在鞍钢矿业齐大山铁矿进行了应用。矿山所有单元、模块中的设备运转信息、生产过程信息、图像信息都能
12、够与三维模型进行联动,并在三维模型上进行动态仿真展示,实现生产过程的可视化管理、全方位立体管控,以及集中优化指挥调度7。在灾后重建方面,李兵祖等人建立了一套地质遗迹数字孪生系统,系统显示效果拟真度好,空间复原精确,大大降低了标本的存储、管理、传输和查看成本,方便了各种规模的标本共享交流,有助于实现滑坡、泥石流等地质灾害场景的数字重建8。总体上,数字孪生技术的出现发展及在应急管理相关领域的初步应用,将极大助力应急管理预防与应急准备、监测与预警、应急救援和灾后重建等阶段业务的开展。在预防与应急准备阶段,各级应急管理部门可以借助数字孪生技术模拟预测各种灾害的发生和发展趋势,制定相应的应急预案和防范措
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