王 秉 徐方廷 曹春秀

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

0 引 言

在當今數(shù)智時代,數(shù)智技術正在賦能各領域發(fā)生大變革和大發(fā)展[1]。在這樣的背景下,物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能與數(shù)字孿生等數(shù)智技術深度嵌入應急管理場景,驅動應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)應急管理中的風險預警遲鈍、應急信息壁壘和多元主體應急協(xié)同不足等現(xiàn)實弊病,被認為是賦能應急管理范式變革的潛在重要數(shù)智技術之一[2-4]。目前,學界針對數(shù)字孿生技術在應急管理領域的應用已開展一些有益探索,已有相關研究主要集中在基于數(shù)字孿生技術的突發(fā)事件風險辨識[5-6]、應急預案制定[7-8]和應急演練培訓等微觀層面,尚未提煉出具有普適性的孿生應急概念,對孿生應急機制研究不足。因此,數(shù)字孿生如何嵌入并賦能應急管理?數(shù)字孿生以何路徑和手段革新應急管理范式?這些問題理應引起學界和實務界的關注和深究。鑒于此,本文提出孿生應急概念,并分析它的內涵、運行機制與可能應用場景,以期為孿生應急理論研究和實踐發(fā)展提供有益參考,助力數(shù)智賦能應急管理范式變革和效能提升。

1 孿生應急的概念及內涵

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)智技術發(fā)展而興,其本質是信息建模,強調通過物理模型、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)務協(xié)同等任務功能[9-10]。

孿生應急是數(shù)字孿生技術在應急管理領域的創(chuàng)新應用,通過構建與突發(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)應急管理精準化、精細化與循證化。從系統(tǒng)視角看,孿生應急是一個復雜巨系統(tǒng),包括物理空間中人員、機器與設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,二者不斷交互產生自適應行為,由此形成孿生應急的復雜適應性,主要體現(xiàn)在突發(fā)事件風險辨識與評估、風險態(tài)勢預測與預警,以及應急預案推演與優(yōu)化等方面。

1.2 主要特征

孿生應急既是將數(shù)字孿生引入應急管理后迭代升級的產物,亦是信息交互變革下的數(shù)智化應急管理訴求,既具有數(shù)字孿生技術的共性,又具有應急管理的特征[11],強調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,全面辨識風險并精準預測態(tài)勢,預演并驗證應急管理可能影響,并由此動態(tài)調整應急預案,使突發(fā)事件損失最小化和應急管理效能最大化。概括而言,孿生應急具有寫實性、自主性和預測性3大特征,具體解釋如下:

a. 寫實性,主要體現(xiàn)在對應急管理全要素的精準映射。借助模擬仿真技術與3R(VR、AR與MR)技術等,對物理空間中的應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急場景。借助傳感技術與標識技術等,實時采集、處理和儲存環(huán)境中支撐應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)在自動辨識風險和自主應急決策方面。與傳統(tǒng)執(zhí)行預先設定好的應急管理動作的“自動化應急”不同,孿生應急基于對突發(fā)事件態(tài)勢的感知和理解,自動辨識風險要素并對應急管理情況作出反映,無需預先配置數(shù)據(jù)環(huán)境,具有極高的適應性和靈活性。

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

1.3 要素范疇

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

表1 孿生應急的基本要素內涵

圖1 孿生應急的5大基本要素

2 孿生應急的運行機制

2.1 總體機制

根據(jù)孿生應急的基本要素及其相互間的邏輯關系,提出孿生應急的總體運行機制,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”的內在邏輯,通過構建應急管理孿生體優(yōu)化現(xiàn)實空間中的應急管理要素與流程,實現(xiàn)應急管理效能最大化。圖2所構建的框架可幫助應急決策者認知突發(fā)事件應急管理的內在機制,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 孿生應急的總體運行機制

a.仿真建模,對應急管理要素的數(shù)字化重構。將物理世界中應急管理所涉及的一切人(即應急管理主體,如應急管理決策者、指揮者與服務者等)、機(即應急管理載體,如機器、設備與設施等)、物(即應急管理客體,主要指風險源或突發(fā)事件)和環(huán)(即風險環(huán)境)等要素模型化、虛擬化與數(shù)字化,建立成計算機和網絡能夠感知、識別、處理和分析的全息數(shù)字模型,如應急管理幾何模型、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聯(lián)和數(shù)據(jù)交換。物聯(lián)網是實現(xiàn)泛在連接的核心技術,通過物聯(lián)網、傳感器和監(jiān)控設備等,實時采集突發(fā)事件基礎數(shù)據(jù),作為應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)塊鏈基礎的支持下,可實時獲取、儲存和分析應急管理數(shù)據(jù),為智慧應急管理和服務提供數(shù)據(jù)支撐。

c.虛實映射,在大數(shù)據(jù)處理技術支持下,融合采集和提取得到的應急管理物理實體數(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,實現(xiàn)應急管理場景的虛實融合和智慧運行,體現(xiàn)孿生應急的可交互性。

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)智技術和機器學習、神經網絡等算法驅動下,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,進而通過自主學習形成更大規(guī)模的智慧應急管理孿生體,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)孿生應急的功能屬性,結合應急管理業(yè)務流程[16-17],將孿生應急劃分為風險態(tài)勢感知、應急信息儲存、虛實空間交互、應急數(shù)據(jù)處理和應急管理服務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系,見圖3。

表2 孿生應急功能機制的構成模塊

圖3 孿生應急的內在功能機制

a.風險態(tài)勢感知模塊,是孿生應急體系的基礎支撐。傳統(tǒng)突發(fā)事件應急場景中的物理傳感器存在風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,導致其僅能滿足局部應急管理需要,難以實現(xiàn)全生命周期應急管理。風險態(tài)勢感知模塊將物理傳感器、監(jiān)控設備、紅外線、RFID與WiFi/ZIGBEE節(jié)點等多端智慧傳感設備連接起來,實時采集突發(fā)事件場景中的結構化和非結構化應急管理數(shù)據(jù)。此外,在物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)和5G通信等技術支持下,結合地理物流系統(tǒng)采集突發(fā)事件輿情信息,并根據(jù)應急調控指令內容,開展新一輪的風險態(tài)勢感知工作。

b.應急信息儲存模塊,是孿生應急的“信息倉庫”。由于突發(fā)事件的不確定性、復雜性和衍生性,海量異構的風險信息不斷涌現(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(包括應急管理部門、機構組織與社會大眾等)突發(fā)事件信息進行采集并儲存,形成支持應急管理與決策的應急信息云儲存中心至關重要。應急信息云儲存中心可為整個孿生應急體系運行提供數(shù)據(jù)支撐,可實現(xiàn)應急管理物理實體數(shù)據(jù)、應急管理虛擬實體數(shù)據(jù)、應急管理服務數(shù)據(jù)、應急管理連接數(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[3],為相關人員復現(xiàn)突發(fā)事件真實場景提供技術支撐,通過構建突發(fā)事件虛擬場景,支持應急管理虛擬漫游,為應急管理決策者提供風險信息、應急資源信息與應急服務信息等,方便其快速定位風險位置和應急管理進程。此外,還可借助增強現(xiàn)實技術,完成智能終端、操作界面與門戶網站間的切換交互,支持決策者實時查看應急管理歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù),支持歷史應急情況重演和遠程資源調配。

d.應急信息處理模塊,為精細化應急管理提供“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,生成含有經緯度坐標的時空數(shù)據(jù),在地理空間信息技術的支持下完成突發(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,進而形成孿生應急信息庫,并將處理后的應急管理信息反饋至終端人員,為智慧應急提供多尺度、精細化的輔助決策支持。

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

3 孿生應急的應用場景分析

第一,應急管理戰(zhàn)略規(guī)劃與部署。在數(shù)字孿生驅動下,整合現(xiàn)實場景中的所有應急管理數(shù)據(jù)信息、應急管理規(guī)劃行為和應急管理需求等相關信息資源,通過孿生應急模型對虛擬應急管理規(guī)劃進行模擬,動態(tài)研判執(zhí)行效果,預測分析應急管理戰(zhàn)略的實施情況,從而對規(guī)劃的科學性、合理性和可行性進行監(jiān)管評估,實現(xiàn)應急管理戰(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。應急管理強調同步關注信息、物理和社會三元空間的風險要素[18],實時感知突發(fā)事件風險態(tài)勢,這就需在多元孿生大數(shù)據(jù)的驅動下,根據(jù)應急管理孿生模型構建多模態(tài)、高保真與精細化的應急管理智慧大腦,通過“物理-信息-社會”三元空間的作用與交互[19],智能預測突發(fā)事件整體態(tài)勢,發(fā)現(xiàn)復雜風險環(huán)境下的突發(fā)事件演變規(guī)律及風險要素間的潛在關聯(lián)與多元應急主體隱性規(guī)則,形成全方位風險態(tài)勢感知、全周期應急管理和全要素應急協(xié)同的孿生應急模式。

第三,應急演練模擬仿真與災后重建。孿生應急可對突發(fā)事件應急管理全要素、全業(yè)務和全過程進行精準映射和模擬仿真,通過事先設置的閾值驅動相關主體按照應急預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、物資調配情況與預案執(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,真實還原突發(fā)事件現(xiàn)場環(huán)境,為突發(fā)事件恢復與重建提供了參考依據(jù)和數(shù)據(jù)保障。

第四,應急指揮與教育培訓。數(shù)字孿生應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)遠程應急智慧和全息化教育培訓。應急指揮人員、受訓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,讓應急信息傳遞可感可知,重塑應急知識傳統(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)化應急預案,不斷更新應急管理知識庫。

4 結束語

數(shù)字孿生為重塑應急管理基本邏輯提供了良好契機,為應急管理范式變革提供了技術路徑。本文所提出的孿生應急是應急管理的未來發(fā)展方向,致力于實現(xiàn)應急數(shù)據(jù)的有效整合、應急主體的多元協(xié)同和虛實世界的同步應急,賦能全周期智慧應急。與傳統(tǒng)應急管理范式相比,孿生應急在風險態(tài)勢實時監(jiān)測、異常數(shù)據(jù)自動告警、應急資源協(xié)同調度、應急預案模擬演練和應急管理決策輔助等方面具有明顯優(yōu)勢。孿生應急作為一個由新興技術驅動的新構想,孿生應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)探索孿生應急的內在機理、運行邏輯和賦能路徑等,豐富孿生應急理論,并結合實例檢驗孿生應急理論的科學性和可行性。此外,還應配合組織結構調整、制度政策變革、技術升級創(chuàng)新以及強烈的革新信念,實現(xiàn)孿生應急的美好愿景,充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術在應急管理數(shù)智化進程中的重要作用。