“現代城市如果不更新發展觀念，將最新的技術運用到極致，那么明天它可能成為一座鬼城。”

——比爾?蓋茨

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隨著IOT物聯網、5G、云計算、虛擬現實、AI人工智能等技術的普及，人們對“智慧城市”或“數字城市”已經不再陌生。但將工程仿真技術應用于城市規劃以及應急救援領域以應對自然災害就顯得很比較陌生了。今天小優除了呼吁為“河南加油”外，還科普一下城市仿真規劃與應急救援的話題。

洪澇、臺風和風暴、地震等自然災害嚴重威脅著人類的生命安全和財產安全，對城市的規劃和應急救援工作也帶來了嚴重的挑戰。這次備受人們關注的河南洪澇中發生的“7.20鄭州地鐵5號線積水事件”，“鄭州發布”官方微博給出了結論并作出解釋：強降雨造成鄭州地鐵5號線五龍口停車場及其周邊區域嚴重積水。7月20日晚6點多，積水沖垮出入場線擋水墻，進入正線區間，直奔地勢更低凹的地鐵隧道，造成鄭州地鐵5號線列車在海灘寺街站和沙口路站隧道停運。而擋水墻一般處于值班和監控盲區，一旦出現出入場線擋水墻短時大量積水情況，很難及時被發現。最終導致擋水墻被沖垮前沒能得到及時有效的預警。

從世界范圍來看，不僅“城市管理新生”的中國面臨極端自然災害中城市排水輸電、交通運輸等問題，最近連號稱“城市排水優等生”的德國因為強降雨發生了洪澇災害，“電力超級大國”的美國因強降雪發生了電力危機。就城市排水問題而言，由于極端天氣的發生和人口的增長，使世界各地城市本不完備的現有排水基礎設施更加不堪重負，由此導致的洪澇災害不僅會造成財產和基礎設施損失，還會影響人身安全，阻礙經濟發展。 

2015年聯合國報告稱，在過去10年中，洪災占全世界記錄的所有自然災害的43%，影響人口達23億，造成了6,620億美元的經濟損失。而且，這一情況正變得越來越糟。據經濟合作與發展組織(OECD)報告稱，在2000年-2009年這10年間全世界發生洪災的次數較前10年幾乎翻了一番。由于氣候變化導致出現極端天氣和海平面上升，這也加劇了洪災風險，特別是在沿海和低洼地區。與此同時，洪災區和沿海地區人口數量的持續增長，讓本就極其嚴峻的形勢進一步惡化。據預測，到2030年，全球將有大約一半的人口生活在距離海岸線100公里以內的地區。

       為應對這些自然災害的威脅，城市規劃與應急救援的重要性就凸顯出來了。世界各地的城市正在努力通過數據驅動的規劃、開發和運營來提高抗洪能力。為實現這一目標，一些城市通過使用“ 數字孿生 ”技術來提高當前基礎設施的適應力，從而推動城市的持續發展和未來規劃。例如，葡萄牙首都里斯本因氣候變化，包括海平面上升和頻繁的極端降雨，加劇了里斯本市的洪災風險。葡萄牙城市的周邊區域這幾年還加速了城市化進程，導致土壤板結，進一步加重了該地區的水災。而里斯本的現有基礎設施不足以確保洪災期間充分排澇。因此，里斯本的洪水，尤其在城區，已經成為近年頻繁發生的現象。里斯本通過使用先進的洪水建模軟件，開展了里斯本市政排澇總計劃有效性研究：通過創建  城市洪災模擬數字孿生模型 ，使其能夠全方位地對各種備選方案進行建模并制定針對多個重現期的計劃。這可幫助該城市在未來一百年中避免20次大型洪災。基于此，里斯本制定了排澇總體規劃，為氣候條件變化和城市化的管理做好了準備。

在2008年“5.12汶川大地震”發生近10年后的2018年3月，中國政府根據第十三屆全國人民代表大會第一次會議批準的國務院機構改革方案，中華人民共和國應急管理部成功組建。于是，城市應急管理正式成為中國城市管理的重要內容，城市仿真規劃與應急救援也逐漸成為城市管理的必修課題。2019年5月23日，基于城市仿真系統的ISO智慧城市國際標準《智慧城市規劃多源數據集成標準》（ISO 37166 Smartcommunity infrastructures —— Specification ofmulti-source urban data integration for smart city planning（SCP））立項成功。該標準旨在協調城市發展資源配置，優化城市空間功能布局，促進城市科學發展，通過智能城市基礎設施空間規劃數據集成，協助政府智慧決策，為智慧城市規劃、建設提供重要的指導。

       城市實時仿真 ，是基于人口、交通、環境、經濟等學科的基礎理論，將“數字孿生”技術應用在城市規劃、建筑設計等領域，分析城市的實際問題，預測城市的發展。城市實時仿真建立一個與現城市同步的數字虛擬城市，收集城市中各個方面的動態數據，實時監測，建立一個基于物聯網和服務的城市管理架構。城市仿真可以說是新時代的“風水師”，可以預測各種災害和意外突發事件并提出應急預案，預測城市人口的變化以及人口在城市中的分布，預測城市交通流量的變化和新規交通設施的使用效果。城市仿真主要有三部分，一是水利、水務仿真，二是城市雨控仿真，三是突發性意外災害。從仿真角度來說，這三種場景都可以進行預測，如下雨時是否會造成積水，程度如何，是否會造成污染，尤其是飲用水源，應該采取哪些措施予以保護等。

       中國城市科學研究會智慧城市聯合實驗室首席科學家（仿真）范秦寅認為：城市仿真為城市規劃、管理、防災減災等提供科學依據的一種手段。通過城市仿真可以實現城市問題診斷、解決方案輔助設計、方案驗證、城市未來預測，從而為城市治理提供數據、決策支持。

數字孿生城市

 

數字孿生模型是實體資產、流程或系統的虛擬表示。城市數字孿生模型可為參與洪災風險評估、災害預防、響應、災后恢復和減災的城市機構提供準確、可靠的數據。用戶可借助其中包含的信息，對長期城市規劃、時間緊迫的應急響應等一系列活動進行分析并做出明智決策。

       數字孿生城市模型基于多來源并持續更新的數據進行創建，這使其不同于靜態三維模型。此外，如今城市正利用云服務、物聯網、傳感器、RFID和智能手機，將數字孿生模型更新為幾近實時的城市狀態。利用這些更新，城市可以使用數字孿生模型更好地管理和優化基礎設施資產。

 

應用場景

1、 城建規劃仿真

城建規劃仿真能夠更快更真實的模擬出規劃設計的方案和效果，同時能夠根據建筑項目的評判標準來檢查方案是否符合規劃要求和建筑標準。

2、 城市應急仿真

在地震、洪汛、臺風等自然災害發生時，或者踩踏、恐怖襲擊等人為災難時，城市應急仿真能夠第一時間模擬出最佳的應急方案，在最短的時間內給出疏散撤離與救援指導意見，能夠為救援爭取更多的有利空間和提高救援效率。

3、污染物擴散模擬

近期，北方某特大城市（新區）計劃打造水環境仿真水質監測相關產品，已在區域內建立了一套以水質監測站、無人船、無人機為主的監測站網，將進行水上水下全方位監測。將通過仿真，預測污染物擴散路徑或趨勢，對區域內水域環境進行實時監測，在治理上更好決策。

4、小區風環境模擬

就“城市風環境仿真”而言，在城市范圍，可預測臺風災害、優化應急預案；可通過地形分析，進行風電選址，并分析其對城市的影響；還可進行城市風，水，污染物，熱島等現象的仿真。

5、 無人駕駛仿真

“無人駕駛”作為城市未來交通的新領域，它給我們帶來全新世界、全新系統，但是也給我們帶來新的挑戰。怎樣用仿真對下一步的挑戰進行研究，來推動無人駕駛的發展，將是未來改變社會的重要依據。清華大學教授、清華大學-劍橋大學-麻省理工學院“未來交通”研究中心主任吳建平表示：仿真不僅是人們看到的畫面，更重要的功能是給出定量的結果，如旅行時間、車流穩定性、能力提升等各方面。未來交通仿真會對新交通模式的出現做出更大的貢獻。

經驗教訓與未來城市管理

對本次河南洪澇災害所取得的經驗教訓而言，未來城市管理可以利用“數字孿生”技術做如下事情：

1、創建洪災適應力模型

要創建數字孿生模型提高洪災適應力，需要將城市級別的實景建模、三維測繪和洪災建模集成到一起。得出的洪災適應力模型可用于分析、模擬、可視化和信息交流。

首先，使用實景建模和三維測繪軟件，借助無人機拍攝的重疊影像和地面影像，輔以必要的激光掃描，可以生成高分辨率的城市級別三維實景模型。實景模型/格網信息按空間進行了分類，這意味著網格化城市景觀中的各個建筑物、地塊和其他要素是與地表適用的GIS數據關聯在一起的。這也就生成了原始的工程級別實景模型，該模型具有足夠的分辨率和可擴展性，可以放大某個區域并脫離網格直接執行工程工作。關鍵的一點是，這一實景模型包括數字地形數據，這是所有水文模擬的基礎。

其次，通過為相關區域（無論是整座城市還是其中的一小部分）設置計算網格，可以創建洪災適應力模型。然后，使用洪災模擬所用的數據填充此計算網格。數字地形數據可以從實景模型中直接獲取，為洪災建模軟件提供精確的地表數據，并為查看洪災模擬提供實景環境。實景模型還可用于識別街道、人行道、綠地、樹木和洪災適應力模型所需的其他信息。洪災軟件使用數字模型來模擬一系列的水力和水文過程，包括降雨、滲入、地表徑流、渠道流量和地下水流量。此洪災適應力模型可與污水和雨水管網模型集成，動態模擬城市雨水水流和排水狀況，以及風暴潮所引起的沿海地區洪澇情況。

數字孿生模型還可以結合與最新氣象數據、當前水文條件和現有基礎設施資產的運營狀況等相關的實時信息源。這些信息源可能包括最近的降雨量、當前的河流流速、水泵的工作狀態等。此外，由于如今手機和社交媒體的普及率很高，甚至可以利用它們作為現場信息源，記錄當地街道和潮汐漲潮信息，用以支持與洪澇災害相關的危機管理。根據多個來源（例如傳感器、持續勘測或GIS更新）的信息不斷地刷新模型，來顯示城市現狀。

2 、使用洪災適應力模型

洪災適應力模型支持與洪災評估、預防和響應相關的各種活動。該模型可用于評估河流或沿海洪災范圍、計算河流的運輸能力、測試基礎設施的抗災能力，或評估當前洪水區的土地利用策略。

洪水模型的主要用途之一是模擬假設情景，顯示洪災對房屋、財產、街道和基礎設施的影響。這些模擬可用于確定現有條件下的洪災風險，并評估提議的減災策略。例如，城市可以模擬洪災發生期間的河流流量，并對比建筑物數據（如財產價值）根據洪災范圍進行損失分析。據此反饋信息，規劃師可以使用軟件的內置建模工具制定減災措施（例如加高堤壩，增大雨水系統容量，或提高環保屋頂和透水路面的使用率），并重新運行模擬來測試規劃師所提議的減災措施是否有效。

針對日常運作和應急響應，相關機構可以使用連續運行的可操作洪水模型來預測和減輕洪災的影響。這些可操作模型根據來自觀測和預測的天氣狀況、水庫水位、水文站數據以及雷達和衛星圖像的最新信息進行更新。通過將這些信息綁定到單一系統中并配合使用洪災適應力模型，城市能夠準確預測未來數小時或幾天的情況。然后，可以利用這些可操作系統產生的信息，采取以下措施來實現抗洪減災：

?采取積極措施，例如在洪水波到來之前排水，以增加水庫的蓄水能力

?采取預防性措施，例如安裝臨時防洪設施

?發送預警信息

洪災適應力模型還可顯示城市周邊地區環境模擬，這也有助于更好地傳播信息。將這些信息以簡單易懂的方式傳達和直觀呈現出來，可以幫助利益相關方就城市規劃和基礎設施建設提議作出決策，也可以讓市民參與公共宣傳工作。

 

結論

數字孿生模型可以全方位展示出環境中各方面的狀況，從而支持抗洪規劃，以及城市基礎設施的持續管理和運營。此外，利用這些直觀表達出來的可操作信息還可以幫助利益相關方做出更明智的決策，避免在設計或施工過程中浪費不必要的人力物力。數字孿生模型為城市優化市政基礎設施資產性能和采取積極措施進行抗洪規劃提供了絕佳機會。未來已來，面對基于城市仿真的智慧城市，你準備好了嗎？

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