數字孿生在應急管理工作中的應用

曹雪松，徐淑珍，官 靜，康翠雯

（天訊瑞達通信技術有限公司研究總院，廣東 廣州 510623）

0 引言

隨著社會的發展和科技的進步，應急管理工作面臨著越來越復雜和嚴峻的挑戰。而傳統的應急管理方法已經無法滿足現代社會的需求，特別是在突發事件應對處置和應急救援過程中，由于救援人員趕到災害發生地點往往需要一定時間，存在指揮部對災害事故現場信息獲取速度緩慢及不全的問題，指揮員難以對事故災難全貌做準確判斷，從而無法保障應急處置各環節能夠及時啟動響應。數字孿生[1]是智慧城市發展到一定程度產生的一種新興的技術手段，在網絡空間再造一個與之對應的“虛擬世界”，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的數字世界同生共存、虛實交融，這種技術可以為應急管理工作提供全新的思路和解決方案。

1 數字孿生的概念和特點

數字孿生是一種通過對實體物體進行虛擬復制和模擬，創建精確的數字模型的技術。數字孿生具有高度精確的仿真和預測能力，可以實現對實體物體的實時監測、分析和優化。數字孿生的特點包括高度可視化、高度交互性和高度智能化[1]。數字孿生按成熟度可分為六級模型精度：L0 級，采用地表模型和建筑白模初步建模，基于GIS 數據生產地形、地貌、路網、水系等；L1 級，基于GIS 數據、傾斜攝像、影像數據還原城市地形、建筑、城市道路，可較好還原城市區域形態；L2 級，基于GIS 數據、衛星影像、項目資料等，對城市地形、建筑結構原始紋理、交通設施、地表植被、水系等進行準確還原，真實程度較高；L3 級，基于GIS、BIM、衛星影像、項目資料等對建筑結構細節、交通設施、水系、地表植被等進行精細還原，能夠準確的反應物理世界的幾何特性，精度達到厘米級；L4 級，基于GIS、BIM、衛星影像、項目資料等對地形、建筑細節、交通設施、地表植被、水系進行超精細建模與細節還原，真實反應其光照及質感，精度達到毫米級；L5 級，對城市建筑物、基礎設施、環境資源1：1 還原，達到現實世界的質感與光效，可稱為影視級的細節與渲染[2]。

而應急管理對災害事故場景的數字孿生建模，其目標就是要以數字化方式在網絡空間再造一個與物理世界中的災害事故現場相匹配、對應的孿生場景，目前采用L0～L3 級別模型較為廣泛。主要通過對物理實體、規則、邊界、屬性的數字化映射，結合歷史數據、實時數據、空間數據以及算法模型等，實現各類突發事件從事前、事發、事中、事后等各環節的全過程、全要素、全方位、全周期的仿真、預測、交互和控制，并據此指導優化突發事件應對各項工作，輔助應急管理部門及時應對各類災害事故，提升輔助指揮決策能力和救援實戰能力，促進應急管理體系和能力現代化[3]。

2 數字孿生在應急管理中的應用解決方案

2.1 災害預警和預測

數字孿生在災害預警方面可以利用高程數據和管網數據模擬地形地貌特征建立地表數字孿生模型，再利用實時數據采集和傳輸技術，及時獲取地震、洪水、臺風等自然災害的相關數據，并將其與數字孿生模型進行實時連接，實時監測和預警可能發生的災害。通過對數字孿生模型中的系統進行實時仿真和模擬，可以提前預測災害的發生時間、地點以及規模等，并及時發出預警信息，幫助相關部門和民眾做好防范和應對準備。數字孿生在災害預測方面可以通過對歷史災害數據和實際系統的建模分析，預測未來可能發生的災害并做出風險評估[4]。通過數字孿生模型可以模擬不同的災害情境，評估不同的防災措施和應對策略的有效性，幫助決策者在災害發生前做出科學的決策，提前采取相應的應對措施，減輕災害帶來的損失。城市災害監測預警數字孿生如圖1 所示。

圖1 城市災害監測預警數字孿生

2.2 應急響應和指揮

數字孿生技術應用在應急響應和指揮中的應用可以提高災害應對能力、減少損失，幫助指揮決策者做出科學、迅速的決策，有效地應對各類緊急情況。如在突發事件發生的緊急情況下可以通過數字孿生構建真實環境的虛擬模型用于模擬和演練各種緊急情況。應急響應人員通過該模型可以進行模擬演練，了解不同情況下的響應策略和決策，評估應急措施的有效性，并培訓應急人員以提高應急響應能力。同時數字孿生技術可以在虛擬場景中通過傳感器網絡和數據采集設備，實時獲取環境、設備和人員等各種數據，以提供準確的狀態信息和決策支持[5]。例如，在火災緊急情況下，數字孿生可以實時監測煙霧、溫度、氧氣含量等數據，提供實時警報和推薦最佳逃生路線。數字孿生還可以模擬和優化資源調度方案。例如，在地震災害中，數字孿生可以模擬受災地區的交通情況、人員分布、醫療資源等，通過智能算法進行優化分析，幫助指揮部門高效地調度救援力量和物資，合理分配資源，提高應急響應效率。應急響應和指揮全流程數字孿生如圖2 所示。

圖2 應急響應和指揮全流程數字孿生

2.3 安全生產

通過數字孿生技術可以實現對安全生產領域的模擬、監測和預測，幫助提高安全性、降低事故風險，并及時采取措施保護人員和設備的安全。如針對危化品生產、儲存企業建立工業生產園區的數字孿生模型可以實時監測設備運行狀態并預測潛在的故障風險，這有助于及時采取措施以避免事故發生，提高廠區和設備的安全性，數字孿生還可以在礦山中模擬采礦設備的運行狀態，并預測潛在的危險和事故風險。這幫助礦山運營商及時采取措施，確保礦工和設備的安全。數字孿生還可以模擬城市的基礎設施，如橋梁、道路、管道等。通過對這些基礎設施進行監測和預測，建立城市生命線的全生命周期體系，預防潛在的破壞和事故，并采取相應的維修和保養措施。安全生產基礎設施數字孿生如圖3 所示。

圖3 安全生產基礎設施數字孿生

2.4 演練和培訓

數字孿生可以通過對不同應急場景的模擬和演練，提供實戰訓練和指導。通過數字孿生可以模擬不同的災害場景，培訓應急人員的應變能力和決策能力，提高應急管理的整體水平。數字孿生技術可以創建虛擬現實環境，模擬各類應急情景，如火災、地震、化學泄漏等。參與者通過虛擬現實技術可以實時感受到緊急情況下的應對壓力，并在虛擬環境中進行反應和決策。這有助于提高應急響應的效率和準確性。在應急演練中通過數字孿生模型可以實時監測和分析參與者的行為和應急響應。基于模擬結果和分析數據可以識別出潛在的問題和改進空間，并通過模擬優化進行反復演練和改進。可以實現多人同時在虛擬環境中進行訓練，并模擬實際應急情況下的協同工作，通過團隊合作的演練可以提高團隊成員之間的配合能力和溝通效率，有效應對復雜的應急情況。最后可以記錄和分析每個參與者的應急表現，并提供實時反饋和評估報告。這有助于參與者了解自身的表現，并發現改進的地方，提高自身的應急能力。基于預案的應急演練和培訓數字孿生如圖4 所示。

3 數字孿生在應急管理中的前景和挑戰

數字孿生是一種創新技術，但在應急管理工作中仍面臨著一些重大挑戰，制約該項技術對這個行業領域的支撐，主要包括以下5 個方面。

3.1 數據精確性和準確性

數字孿生需要依賴大量的數據來構建模型，但數據的準確性和精確性是一個挑戰。如果模型建立在不準確的數據上，可能導致模擬結果不真實或者對實際情況無效。因此在數字孿生中確保數據的質量和準確性非常關鍵。

3.2 數字孿生建模的及時性

突發事件往往發生非常突然，地點非常隨機，救援機會轉瞬即逝，數字孿生建模往往需要時間，很難滿足事件處置的及時性要求，這會導致數字孿生技術在應急管理中的應用受限。

3.3 模型復雜性和維護

數字孿生模型的復雜性往往較高，需要投入大量時間和資源來構建和維護。模型的更新和維護也需要及時調整，以使其始終與現實情況保持一致。這對應急管理團隊來說可能是一項挑戰，需要投入相應的人力和物力來維護模型的準確性和實用性。

3.4 技術和設備需求

數字孿生技術通常需要配備高性能的計算機、傳感器和虛擬現實設備等，并且需要專業的技術人員進行維護和操作。這對于一些資源有限的應急管理機構可能是一個挑戰，限制了其在數字孿生領域的應用和發展。

3.5 數據共享和隱私保護

數字孿生建模通常需要使用大量的數據來創建真實世界的模型。在應急管理工作中涉及的數據可能包含敏感信息和隱私內容，因此，需要妥善處理數據共享和隱私保護的問題，確保數據的安全性和機密性。

雖然數字孿生在應急管理工作中面臨一些挑戰，但隨著技術的不斷進步和經驗的積累，這些挑戰可以逐漸得以克服。應急管理單位需要充分了解和準備這些挑戰，并積極尋求解決方案來推動數字孿生在應急管理領域的應用。

4 結語

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