Bentley軟件公司工程協(xié)作副總裁 Lori Hufford就數(shù)字孿生技術(shù)如何在設(shè)計(jì)更具可持續(xù)性和穩(wěn)健性的未來(lái)基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮重要作用提供了專家見解。

快速瀏覽一下世界范圍內(nèi)的任何媒體，都會(huì)發(fā)現(xiàn)有關(guān)干旱、溫度過(guò)高、水資源短缺、極端洪水、風(fēng)暴、火災(zāi)以及各種與氣候有關(guān)的災(zāi)難的故事報(bào)道。

在社區(qū)、企業(yè)和政府應(yīng)對(duì)這些事件時(shí)，我們需要承認(rèn)我們建造的基礎(chǔ)設(shè)施在解決我們與地球的關(guān)系方面發(fā)揮著重要作用。基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)了社區(qū)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)進(jìn)步，但它在歷史上推動(dòng)了碳排放和其他有害的環(huán)境影響。通過(guò)推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)方式，我們可以渴望實(shí)現(xiàn)我們的經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，因?yàn)槲覀兛梢宰屛覀兊奈锢憝h(huán)境在未來(lái)免受氣候變化的影響。

如今，身臨其境的技術(shù)作為元宇宙的先驅(qū)，讓軟件開發(fā)人員可以在任何環(huán)境下為任何目的創(chuàng)建虛擬的、交互式的世界。我們可以使用這項(xiàng)技術(shù)使我們的基礎(chǔ)設(shè)施在現(xiàn)實(shí)世界中更具可持續(xù)性和彈性。

例如，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生。

什么是基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生模型？

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生是物理世界中某些事物的 3D 數(shù)字表示，它會(huì)不斷更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使數(shù)字孿生成為對(duì)象或系統(tǒng)的“實(shí)時(shí)”交互式數(shù)字表示。在僅為娛樂而創(chuàng)建的交互式 3D 世界中，工程級(jí)精度和物理定律不一定適用。但對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施而言，它們是必需的?；A(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生必須具有毫米精度、地理空間對(duì)齊并支持復(fù)雜的 3D 工程模式。

無(wú)論是埋在城市街道下方的水管，還是離岸三英里的風(fēng)力渦輪機(jī)，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生模型都包含從概念到施工的模型數(shù)據(jù)，例如來(lái)自無(wú)人機(jī)調(diào)查的真實(shí)數(shù)據(jù)——包括周圍環(huán)境。他們還通過(guò)連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的設(shè)備收集數(shù)據(jù)，例如捕獲詳細(xì)的、富含工程信息的固定或移動(dòng)傳感器，包括溫度波動(dòng)、風(fēng)速和碳排放。

基礎(chǔ)設(shè)施工程軟件公司 Bentley Systems 正在推進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生。通過(guò)將基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字雙胞胎與先進(jìn)的可視化和模擬技術(shù)相結(jié)合——例如為廣受歡迎的在線互動(dòng)游戲 Fortnite 提供支持的 Epic Games 虛幻引擎，以及來(lái)自 NVIDIA (Omniverse) 和 Unity 的領(lǐng)先平臺(tái)——我們可以利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)入沉浸式體驗(yàn)虛擬體驗(yàn)來(lái)分析山洪的有害影響，監(jiān)測(cè)城市污染，甚至管理城市景觀中樹木的健康狀況。

誰(shuí)會(huì)想到在交互式數(shù)字世界中設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)設(shè)施可以幫助我們追蹤碳排放和節(jié)約資源以對(duì)氣候變化產(chǎn)生積極影響？

利用與基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的地球價(jià)值的關(guān)鍵是物理上準(zhǔn)確的數(shù)字雙胞胎，其中包含豐富的工程數(shù)據(jù)，可以對(duì)已建成的基礎(chǔ)設(shè)施及其周圍環(huán)境進(jìn)行建模。想象一下，能夠?qū)κ軞夂蜃兓绊懙默F(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行建模，然后生成豐富的元宇宙體驗(yàn)和模擬以找到解決方案。無(wú)論是捕捉自然界不斷變化的洪泛平原和海平面上升，還是分析電網(wǎng)等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的彈性，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生都是關(guān)鍵。

然而，時(shí)間點(diǎn)的觀點(diǎn)是不夠的。通過(guò)在我們的建筑環(huán)境和自然環(huán)境中記錄和建模過(guò)程，并隨著時(shí)間的推移跟蹤這些變化，我們可以像時(shí)間機(jī)器一樣使用基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字雙胞胎來(lái)查看我們?nèi)ミ^(guò)的地方、現(xiàn)在的地方以及我們要去的地方。這是評(píng)估、改變甚至扭轉(zhuǎn)我們的碳足跡的強(qiáng)大工具。基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生，以及基于它們的沉浸式交互體驗(yàn)，提供了虛擬的變革推動(dòng)者，并為可持續(xù)地滿足世界基礎(chǔ)設(shè)施需求創(chuàng)造了一個(gè)舞臺(tái)。

技術(shù)只有在可用和可訪問(wèn)的情況下才有價(jià)值。數(shù)字孿生技術(shù)與不斷發(fā)展的元宇宙提供跨任何平臺(tái)的可訪問(wèn)性，以匹配所需的體驗(yàn)——Web、桌面、移動(dòng)或混合現(xiàn)實(shí)。這些進(jìn)步超越了游戲社區(qū)，影響到基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)師和工程師、項(xiàng)目經(jīng)理以及其他想要可視化和模擬項(xiàng)目可持續(xù)性的利益相關(guān)者——無(wú)論他們是在協(xié)調(diào)建筑工地、參觀發(fā)電廠，還是重新設(shè)計(jì)一座橋梁更能抵御極端天氣。工程師可以使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和人工智能帶我們進(jìn)入未來(lái)的模擬旅程，并查看影響我們碳足跡的設(shè)計(jì)決策、方法和材料選擇的結(jié)果。

應(yīng)對(duì)氣候變化的實(shí)際應(yīng)用

應(yīng)對(duì)氣候變化是一項(xiàng)全球性的努力，任何試圖滿足可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的組織發(fā)展目標(biāo) (SDG) 需要正確的工具才能實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)可以針對(duì)任何項(xiàng)目規(guī)模、范圍或復(fù)雜性進(jìn)行民主化，無(wú)論項(xiàng)目位于世界何處。將數(shù)字孿生用于基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益是無(wú)限的。相反，在虛擬世界中協(xié)作的開源性質(zhì)充分利用了來(lái)自任何地方的人才來(lái)解決緊迫的問(wèn)題。

根據(jù)美國(guó)戰(zhàn)略與國(guó)際研究中心的說(shuō)法，清潔水基礎(chǔ)設(shè)施被認(rèn)為是 G7 重建更美好世界伙伴關(guān)系 (B3W) 設(shè)定的“水議程的一個(gè)重要方面”，數(shù)字孿生技術(shù)有望應(yīng)對(duì)水資源挑戰(zhàn)全球范圍內(nèi)的資源匱乏和衛(wèi)生設(shè)施。

在美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局，國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心的科學(xué)家使用數(shù)字孿生的歷史降雨數(shù)據(jù)來(lái)虛擬測(cè)試現(xiàn)有雨水系統(tǒng)的運(yùn)行情況。然后，他們可以預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)以模擬重大風(fēng)暴事件的影響，并查看它對(duì)任何當(dāng)前或未來(lái)雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)的影響。使用數(shù)字雙胞胎映射的水利基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目解決了過(guò)時(shí)的雨水系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在氣候變化導(dǎo)致的強(qiáng)降雨和洪水增加的壓力下不堪重負(fù)。

在基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生的幫助下，也有可能實(shí)現(xiàn)零排放的未來(lái)?？茖W(xué)家和工程師正在虛擬地使用基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生創(chuàng)建無(wú)碳能源實(shí)驗(yàn)，35 個(gè)國(guó)家合作建造世界上最大的托卡馬克裝置——一種旨在證明核聚變可行性的磁聚變裝置。位于法國(guó)南部的國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER) 項(xiàng)目預(yù)計(jì)，如果成功，該實(shí)驗(yàn)將產(chǎn)生 500 兆瓦的能量，可為多達(dá) 200,000 戶家庭供電。這種潛在的、無(wú)限的清潔能源來(lái)源將對(duì)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)產(chǎn)生前所未有的影響。

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生在減少公路和鐵路項(xiàng)目的碳排放方面繼續(xù)發(fā)揮重要作用。英國(guó)的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生模型如何使工程師能夠在施工階段之前對(duì)鐵路系統(tǒng)的碳影響進(jìn)行建模、優(yōu)化低碳設(shè)計(jì)并走上正軌以滿足規(guī)定的碳排放要求的典型示例聯(lián)合國(guó)的凈零倡議。

由于極端天氣事件的頻率和強(qiáng)度增加，基礎(chǔ)設(shè)施在改進(jìn)監(jiān)測(cè)和檢查方面面臨越來(lái)越大的壓力。2021 年，紐約州交通部 (NYSDOT) 使用數(shù)字孿生來(lái)評(píng)估和更換紐約市布朗克斯區(qū)的東138街大橋。在這樣一個(gè)擁擠的地區(qū)完成項(xiàng)目涉及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)，使用數(shù)字雙胞胎作為主要施工文件。數(shù)字雙胞胎現(xiàn)在可以不斷更新并用作資產(chǎn)管理和橋梁檢查的工具。

隨著元宇宙的發(fā)展，一些專家預(yù)計(jì)它可能成為下一個(gè)偉大的勞動(dòng)力平臺(tái)。目前，在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)和利益相關(guān)者已經(jīng)通過(guò)虛擬會(huì)議進(jìn)行沉浸式基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)審查和其他關(guān)鍵任務(wù)，例如資源的現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)，以有效地完成這些項(xiàng)目。

渲染虛擬世界可能是計(jì)算機(jī)密集型的，會(huì)增加它們自己的碳足跡。注意到這一點(diǎn)并做出高效的計(jì)算設(shè)計(jì)選擇應(yīng)該是創(chuàng)建元宇宙體驗(yàn)時(shí)的考慮因素。

隨著我們世界的需求不斷增長(zhǎng)并在規(guī)模和范圍上發(fā)生變化，數(shù)字孿生對(duì)于面向未來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施和通過(guò)減少碳排放和消除浪費(fèi)的可持續(xù)設(shè)計(jì)推動(dòng)氣候行動(dòng)至關(guān)重要。

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生不是未來(lái)主義的。作為基礎(chǔ)設(shè)施元宇宙 的基本構(gòu)建塊，它們?cè)试S專業(yè)團(tuán)隊(duì)以新的方式進(jìn)行交互和協(xié)作，以幫助解決當(dāng)今的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)更具可持續(xù)性和彈性的明天。

本文作者：Lori Hufford