数字孪生技术在防灾减灾救灾中的应用探索

数字孪生技术在防灾减灾救灾中的应用探索

付运好

西南科技大学土木工程与建筑学院  四川省 绵阳市 621000

摘要：“十四五”期间水利系统高质量发展的主要目标是建设指出，要推进自然灾害防治体系现代化，推进自然灾害防治能力现代化，这对我国现阶段防灾减灾救灾工作提出了总要求与新方向。大数据时代，要实现推进自然灾害防治体系和能力现代化的目标，就要注重数字孪生技术在防灾减灾救灾中的应用。

关键词：数字孪生技术；防灾；减灾；救灾；应用

1核心数字孪生技术

1.1“孪生体”状态同步

数据盆地的建模系统软件不断模拟物理盆地的各种状态，但数据盆地系统模拟在长期运行后会有状态漂移。数据流域模拟的模拟结论偏离了物理流域的状态，导致“虚拟现实组合”的失配。因此，有必要不断检测物理流域的状态数据，将数据传输到数据流域，根据实时校准技术将物理流域状态同化到数据流域中，最终形成“虚拟现实组合投影”数字流域。实时校准技术包括传统的偏差自回归、基于K近邻优化算法（KNN）的非参数校准和基于卡尔曼滤波器的多截面校准。各种校准技术适用于不同类型的模型算法。同时完成“孪生体”状态的一个重要问题是，物理流域检测状态数据在空间和空间尺度上与数据流域的状态数据不一致。空间尺度不一致，这反映在物理流域中检测站非常少，状态数据分散。然而，数据流域的模拟是网格地图的精细化管理，需要高像素状态数据。时域和频域之间的不一致之处在于，物理流域通常被检测为1小时尺度的状态量，而数据流域在时域和频域中较小（如10s尺度）。

为了在时间和空间维度上保持一致，在空间尺度上，可以对物理流域的状态数据进行室内空间插值，以匹配具有较高屏幕分辨率的数据流域，使其大小一致。如果时间分辨率不同，则无需进行插值匹配。可以在同一时间节点执行状态同步。如果需要根据插值方法将两者的状态数据统一到同一时间节点。其他方法是从物理流域获得具有更高空间和时间分辨率的状态数据。例如，使用当代遥感技术获取具有大时间和空间像素的土壤湿度和河流表面等实时状态数据，并将其投影到数据流域，以完成将数据流域的状态与精细数据同步的过程。通过“孪生体”状态同步技术让数字流域和物理流域保持统一，让数字流域能持续、准确地反映出物理流域的状态及变化是“虚实映射”的重要技术之一。

1.2数字化场景

智能场景技术是通过3D GIS、VR、粒子效应等技术，以虚拟现实技术的形式向客户展示数据流域，让消费者通过数据流域对物理流域进行监督、分析和控制。现阶段，虚拟现实技术有许多技术方法，如虚拟现实技术以改进虚拟现实技术（AR）、增强现实技术（Mr.Lao）、扩展现实技术（XR）等，它必须得到虚拟现实技术平台的支持。虚拟现实平台如Cesium、UE4、X3D等，其中Cesium是支持B/S环境中的各类三维场景渲染，UE4或UE5能够更加真实地模拟现实世界。在中国水利水电科学研究院示范点建设中的数字孪生流域中，利用高精度DEM（2m）、DOM（0.1m）、湖底地貌和池河倾斜摄影测量以及水资源和水电工程的Bim实体模型，建立了黄河流域王家坝-正阳关段的数据库。在这个示范点的应用中，虚拟现实技术服务平台使用了铯服务平台。除了加载上述高精度数字基底数据以构建三维场景外，还使用粒子技术模拟降水和洪水演变等虚拟现实技术的实际效果，并通过Bim模型操纵模拟工程项目的生产调度（如闸门打开和放水），基本满足当前洪水场景下虚拟现实的技术要求。虚拟现实技术是数字孪生的关键技术之一，它立即承载了各种防汛“四预”应用，也是改善用户体验的重要组成部分。虚拟现实技术的应用还处于起步阶段。通过不断的科学研究，有必要扩展集成范围广、更逼真、3D渲染更高效的智能场景技术。

2数字孪生技术有利于提升防灾减灾救灾水平

2.1有利于提升风险识别与预警监测

在传统认知层面，自然灾害的不可预测性通常会导致自然灾害的毁灭性扩大，威胁到人们的生命和健康基金的安全。数字孪生技术的应用可以及时动态地检测生态资源的状况，并从微妙的危机中探索自然生态环境的转变。数字孪生技术可以用于检测生态环境，解释和管理自然灾害的开始、发展趋势和衰退的整个过程。

2.2有利于减少灾害损失和应急救援成本

现代化、人口增长和全球变暖相对较高的发展趋势加剧了自然灾害的突发性和连锁反应。各种自然灾害的积累以及各种灾害承担者的暴露度和市场集中度的增加，加强了灾害的预测预警信息和应急管理的难度系数。迫切需要引入一种新的技术解决方案。数字孪生具有虚实互动、和谐进步、精确测量、数据分析等特点，能够满足防灾的要求。它可以用于灾害预警信息、灾后重建、修复和重建以及单位与其他行业场景之间的合作，也为提高防灾水平提供了新的解决方案和途径。

2.3有利于提升应急能力与救援效果

数字孪生技术提供专业的数字识别、数据连接、智能控制系统、平台服务等数据服务。根据新测绘工程技术、空间信息技术、三维建模技术、模拟和钻探技术的紧密结合，它可以产生一个全面的数据交互管理系统。自然灾害各个阶段的数据都反映在网站空间中，可以保证两者相对较高的相似度和模拟真实性，有利于利用虚拟环境为灾害预警信息、灾害应急救援和灾后修复重建提供技术支持。

3数字孪生技术在防灾减灾救灾工作中的具体思路

3.1应用数字孪生技术，以期优化防灾减灾救灾科学决策

在灾害应急准备期间，构建数字孪生实体模型，利用卫星遥感、大数据和人工智能技术，从环境监测和预警信息、给出网络资源数据两个方面构建数字孪生。首先是建立预测和预警的数字孪生实体模型，实时检测灾害风险状态，并识别长期、中期和短期即将发生的灾害的精度。根据智能评估分析模型，基于上述预测分析和大数据分析数据，升级相应的预警提醒，并将反馈信息发布给受众，从而实现实物产品的实时控制和改进，从而达到实时检测网站空间风险全过程的效果。二是构建风险现场环境和应急救援资源的实体模型，将灾害现场探测和应急救援进展、物资供应状况等方面的具体数据持续传输到智能虚拟机进行数据可视化，然后进行测量结果并设置变量值，具体的救援和救援物资供应配置和存储从多个角度将具体的应急救援事件与预计的库存时间和处理时间进行比较，以完成对整个过程的全面检测和对应急救援设备消耗的实时监控系统和分析改进。

3.2应用数字孪生技术，以期提升防灾减灾救灾响应效率

基于多源数据的数字孪生可以充分发挥标准化机构的公信力、示范和带动作用，利用数据研发、实验研究、专利实施等手段，为应急管理和应急救援、灾后重建、修复和重建提供数据服务项目，营销和促销以及其他形式。综合灾害预测和预警的数字孪生体从各个领域和地区收集业务数据，然后将其结合起来解决问题，促进实体模型的动态运行，并立即公布检查判断、数据分析系统和评估过程。一方面，可以围绕气象、水利、电力、自然资源、应急管理等行业和领域灾害监测感知信息资源，构建与信息环境和决策模型相匹配、相衔接的数字场景。另一方面，可以将物理实体、控制系统、传感器等，包括设计模型、仿真模型、使用工况、运行信息等，贯穿灾害防治的全过程，对重大灾害进行实时监控和风险诊断，并以离线方式对灾害风险发生趋势进行预测，实现防灾减灾救灾个性化保证和视情预警，提高应急响应效率，降低运行成本。

结论

应用数字孪生技术，以期为救灾工作提供支持。救援救灾管理需要整合地震、地质、气象、水旱、海洋、森林草原火灾等信息的数据资料，汇总测算灾害发生的阈值和实际值，确定面临救援人员力量、装备配备，完成应急任务。应用数字孪生技术可以构建应急物资数据库、应急救援知识库和灾害监测网络布局模型库，为应对巨灾发生的不同需求提供直接支撑。

参考文献：

[1]蔡阳，成建国，曾焱，等.加快构建具有“四预”功能的智慧水利体系[J].中国水利，2021(20):2-5.