數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市中獲得深度應(yīng)用,各地著力推動的數(shù)字孿生城市建設(shè)為城市應(yīng)急管理的數(shù)字化提供了有力支撐。城市應(yīng)急數(shù)字孿生系統(tǒng)可將城市中井蓋、排水管道、河道流量等數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng),模擬在遭遇大規(guī)模降雨時城市范圍內(nèi)的“聯(lián)排聯(lián)調(diào)”,對城市給排水系統(tǒng)優(yōu)化提供直接參考。
城市在應(yīng)對火災(zāi)時,可根據(jù)不同商業(yè)建筑模型,通過商業(yè)大樓內(nèi)承載人員數(shù)量、火災(zāi)蔓延速度和逃生通道容量規(guī)劃最佳逃生路線。還可通過消防栓、煙感傳感器、視頻等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)為消防救援提供最佳指引。在應(yīng)對?;沸孤稌r,可仿真某存儲?;返墓S發(fā)生有害氣體泄露,根據(jù)空氣擴(kuò)散模型計算受影響的城市范圍,并計算疏散路徑。在應(yīng)對疫情擴(kuò)散時,可仿真病毒攜帶人員在城市內(nèi)行動軌跡,根據(jù)病毒擴(kuò)散與傳播控制模型,計算可能受到影響的城市范圍,對隔離方案進(jìn)行精準(zhǔn)指導(dǎo)。
城市應(yīng)急數(shù)字孿生系統(tǒng)通過對海量公共安全數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、挖掘、呈現(xiàn),最終閉環(huán)作用于物理世界,促進(jìn)城市應(yīng)急管理的全面透徹感知、系統(tǒng)整體掌控、迅捷精確響應(yīng),使應(yīng)急管理主體能夠信息共享、互聯(lián)互通并推動形成一體化的預(yù)警防控體系。
1.數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)
感知層:感知層主要包括物理實體中搭載先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類新型基礎(chǔ)設(shè)施。
數(shù)據(jù)層:數(shù)據(jù)層主要包括保證運(yùn)算準(zhǔn)確性的高精度的數(shù)據(jù)采集、保證交互實時性的高速率數(shù)據(jù)傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數(shù)據(jù)管理。
運(yùn)算層:運(yùn)算層是數(shù)字孿生體的核心,其充分借助各項先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)對下層數(shù)據(jù)的利用,以及對上層功能的支撐。
功能層:功能層是數(shù)字變生體的直接價值體現(xiàn),實現(xiàn)系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)分析、故障診斷、預(yù)測推演功能,從而起到輔助決策作用。系統(tǒng)認(rèn)知,數(shù)字孿生體能夠真實描述及呈現(xiàn)物理實體的狀態(tài),它是實現(xiàn)數(shù)字孿生體其它高級和智能化功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)分析可實現(xiàn)數(shù)字孿生體的狀態(tài)監(jiān)測功能,發(fā)揮對物理實體的早期預(yù)警作用。故障診斷,通過分析物理實體的運(yùn)行狀態(tài),了解現(xiàn)象背后的原因。預(yù)測推演,是利用仿真技術(shù)來預(yù)見物理實體未來的狀態(tài)演變,從而指導(dǎo)當(dāng)前的運(yùn)行決策。
應(yīng)用層:應(yīng)用層是面向各類場景的數(shù)字孿生體的最終價值體現(xiàn),具體表現(xiàn)為不同行業(yè)的各種產(chǎn)品,能夠明顯推動各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
2.數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型特征
等價映射:數(shù)字孿生體是對物理實體的等價描述,是對物理實體進(jìn)行數(shù)字化而松建的模型數(shù)字孿生體的變化能夠真實反映現(xiàn)實世界中的物理實體的變化。數(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互,起到“數(shù)化”、“保真”效果。
實時交互:基于實時傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取,孿生體可全面、精準(zhǔn)、動態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化,包括外觀、性能、位置、異常等。“實時”體現(xiàn)數(shù)字孿生體所處狀態(tài)是物理實體狀態(tài)的實時虛擬映射;“交互”體現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實體間存在數(shù)據(jù)及指令互動。
共生演進(jìn):“共生”體現(xiàn)在數(shù)字孿生體與物理實體同步構(gòu)建,在全生面周期中相互依存,孿生體隨著孿生對象的生長而不斷演變。共智體現(xiàn)在三個層面:孿生體與孿生對象間共享智慧(包括:數(shù)據(jù)、算法)、孿生體內(nèi)部各種孿生模型間共享智慧、不同生命周期階段的孿生體間共享智慧。
預(yù)測優(yōu)化:根據(jù)物理實體的各項真實數(shù)據(jù),通過數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真,實現(xiàn)對物理實體未來狀態(tài)的預(yù)測,預(yù)先知曉未來狀態(tài)能夠輔助用戶做出更合理的決策。根據(jù)物理實體的實時運(yùn)行狀態(tài),通過數(shù)字孿生體進(jìn)行監(jiān)測,實現(xiàn)對系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)的預(yù)測,預(yù)先覺察即將可能發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài),使用戶更從容地處理該問題。
建立數(shù)字孿生體的最終目的,是通過描述物理實體集合內(nèi)在機(jī)理,分析規(guī)律、洞察趨勢,基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略,實現(xiàn)對物理實體決策優(yōu)化功能的閉壞。根據(jù)數(shù)字孿生的典型特征,可以得出數(shù)字孿生的體系架構(gòu)。
3.城市應(yīng)急智慧數(shù)字孿生監(jiān)控系統(tǒng)
(1)綜合態(tài)勢監(jiān)測
支持整合城市安防、生產(chǎn)生活、自然災(zāi)害、消防事故等各領(lǐng)域信息資源,基于三維GIS系統(tǒng),對目標(biāo)區(qū)域的建筑、道路、企業(yè)、危險源、基礎(chǔ)設(shè)施、監(jiān)控點(diǎn)位等重點(diǎn)要素信息進(jìn)行詳細(xì)展現(xiàn)。與公安、消防、醫(yī)療、交管等多部門實時聯(lián)動,實現(xiàn)對突發(fā)事件的及時響應(yīng),輔助應(yīng)急部門綜合掌控大范圍區(qū)域安全態(tài)勢。
(2)城市安全監(jiān)測
建筑監(jiān)測
支持對橋梁、大型體育場館、大型綜合體等各類大型建筑的數(shù)量、空間位置分布、實時狀態(tài)等信息進(jìn)行監(jiān)測和可視化管理;集成各傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù),對大型建筑沉降、變形、位移、火災(zāi)報警、消防設(shè)施水位水壓、室內(nèi)外溫度等運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)測,支持異常狀態(tài)實時告警。
公用設(shè)備設(shè)施監(jiān)測
平臺可對交通樞紐、工廠、人員密集場所等重點(diǎn)區(qū)域,以及特種設(shè)備(電梯等)、變電站、能源站、調(diào)配站等公用設(shè)施的位置、分布、類型進(jìn)行實時監(jiān)測;對大型公用設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)、特種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、地下管網(wǎng)壓力等管理要素運(yùn)行信息進(jìn)行實時監(jiān)控,支持故障實時預(yù)警告警,及時發(fā)現(xiàn)安全隱患,提升基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)管力度。
城市公共空間監(jiān)測
對公共空間的分布、人車信息、空氣質(zhì)量等要素進(jìn)行可視化監(jiān)測;對重點(diǎn)點(diǎn)位布置監(jiān)控感知設(shè)備,建設(shè)視頻一張圖,對人員密度、環(huán)境指標(biāo)、突發(fā)事件等公共安全態(tài)勢進(jìn)行實時監(jiān)測。當(dāng)指標(biāo)超過預(yù)設(shè)安全閾值,系統(tǒng)將通過Icon變色、自動告警等形式進(jìn)行呈現(xiàn),實現(xiàn)公共空間和重點(diǎn)場所的全方位、無死角管控。
消防重點(diǎn)單位監(jiān)測
對人員聚集的公共場景的周圍消防資源進(jìn)行信息迭代監(jiān)測,支持通過三維建模,對重點(diǎn)建筑及各類消防設(shè)施的外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等進(jìn)行三維仿真顯示,并對建筑內(nèi)的空氣煙霧、溫度、人流量、消防設(shè)施水位水壓等運(yùn)行態(tài)勢進(jìn)行監(jiān)控,配置工單調(diào)取、巡檢路線、應(yīng)急預(yù)案等關(guān)鍵輔助功能,提升消防安全監(jiān)管力度。
(3)自然災(zāi)害監(jiān)測
氣象災(zāi)害監(jiān)測
支持集成氣象管理部門業(yè)務(wù)系統(tǒng)、氣象觀測站、天氣雷達(dá)等數(shù)據(jù)資源,對降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、雷電等氣象參數(shù)進(jìn)行實時可視化監(jiān)測,支持臺風(fēng)、高溫、雷暴、漢朝等災(zāi)害氣象的預(yù)警告警,并對極端氣象災(zāi)害的轉(zhuǎn)移路線進(jìn)行模擬,輔助管理者掌握氣候氣象態(tài)勢,提高應(yīng)急響應(yīng)效率。
水旱災(zāi)害監(jiān)測
支持集成氣象監(jiān)測、水利工程監(jiān)測、城市內(nèi)澇監(jiān)測、水位監(jiān)測等各類數(shù)據(jù)資源,對天氣、降水量及江河湖泊、水庫的水位、水庫蓄水量、總庫容等要素進(jìn)行實時監(jiān)測和可視化分析;支持對大壩、河堤等要素對象進(jìn)行三維顯示,對壩體、河堤位移變形等異常情況進(jìn)行告警,為防汛抗旱、洪災(zāi)風(fēng)險評估工作提供支持。
4.系統(tǒng)主要功能
(1)綜合態(tài)勢監(jiān)測
支持整合城市安防、生產(chǎn)生活、自然災(zāi)害、消防事故等各領(lǐng)域信息資源,基于三維GIS系統(tǒng),對目標(biāo)區(qū)域的建筑、道路、企業(yè)、危險源、基礎(chǔ)設(shè)施、監(jiān)控點(diǎn)位等重點(diǎn)要素信息進(jìn)行詳細(xì)展現(xiàn)。為預(yù)警信息發(fā)布、災(zāi)情發(fā)布提供數(shù)據(jù)支撐,實現(xiàn)監(jiān)測信息的整合和可視化展示,為應(yīng)急中掌握事發(fā)態(tài)勢,優(yōu)化資源配置提供有效輔助決策。
(2)應(yīng)急資源整合
平臺通過對接應(yīng)急、糧食、消防、公安、衛(wèi)健、交通、民政等應(yīng)急資源儲備和管理部門,匯聚減災(zāi)救災(zāi)資源數(shù)據(jù),實現(xiàn)各類應(yīng)急資源的整合和可視化展示。通過結(jié)合具體災(zāi)害場景進(jìn)行方案推演,確保救援指揮時能迅速、全面了解、掌握應(yīng)急信息資源,為應(yīng)急救援指揮提供智慧支撐。
(3)智能預(yù)警告
警基于時間、空間、數(shù)據(jù)等多個維度,為各類焦點(diǎn)事件建立閾值告警觸發(fā)規(guī)則,自動監(jiān)控各類焦點(diǎn)事件的發(fā)展?fàn)顟B(tài),對來自不同部門和不同系統(tǒng)的告警信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,結(jié)合預(yù)警模型進(jìn)行風(fēng)險研判,確定告警信息的風(fēng)險級別,提前進(jìn)行可視化預(yù)警告警。
(4)應(yīng)急預(yù)案部署
支持將預(yù)案的相關(guān)要素及指揮過程進(jìn)行多種方式的可視化呈現(xiàn)與部署,支持對應(yīng)急管理資源部署、資源分布、行動路線、重點(diǎn)目標(biāo)等進(jìn)行展現(xiàn)和動態(tài)推演,提高指揮效率、人員對預(yù)案的熟悉程度、增強(qiáng)處置突發(fā)事件的能力和水平。
(5)應(yīng)急指揮調(diào)度
基于災(zāi)險情或者歷史災(zāi)害,能夠快速定位并搜索事發(fā)地點(diǎn)周邊范圍內(nèi)的應(yīng)急搶險物資、救援隊伍、避災(zāi)場所等,生成調(diào)度方案。各級指揮中心、救援隊伍和救援現(xiàn)場可通過平臺進(jìn)行雙向語音通信,實時視頻傳至指揮中心大屏,實現(xiàn)指揮調(diào)度上下聯(lián)動、橫向協(xié)同、扁平高效、快速接入。滿足對災(zāi)害的快速響應(yīng)和綜合一體化的應(yīng)急救援指揮需求,實現(xiàn)重大突發(fā)事件的綜合救援和協(xié)調(diào)聯(lián)動,提升應(yīng)急救援的協(xié)同性、整體性、專業(yè)性。