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)計更具可持續(xù)性和穩(wěn)健性的未來基礎(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，都會發(fā)現(xiàn)有關(guān)干旱、溫度過高、水資源短缺、極端洪水、風暴、火災以及各種與氣候有關(guān)的災難的故事報道。

在社區(qū)、企業(yè)和政府應(yīng)對這些事件時，我們需要承認我們建造的基礎(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)施促進了社區(qū)的經(jīng)濟和社會進步，但它在歷史上推動了碳排放和其他有害的環(huán)境影響。通過推進基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計、建造和運營方式，我們可以渴望實現(xiàn)我們的經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展目標，因為我們可以讓我們的物理環(huán)境在未來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。我們可以使用這項技術(shù)使我們的基礎(chǔ)設(shè)施在現(xiàn)實世界中更具可持續(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，它會不斷更新實時數(shù)據(jù)，使數(shù)字孿生成為對象或系統(tǒng)的“實時”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，工程級精度和物理定律不一定適用。但對于基礎(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、地理空間對齊并支持復雜的 3D 工程模式。

無論是埋在城市街道下方的水管，還是離岸三英里的風力渦輪機，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)，例如來自無人機調(diào)查的真實數(shù)據(jù)——包括周圍環(huán)境。他們還通過連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的設(shè)備收集數(shù)據(jù)，例如捕獲詳細的、富含工程信息的固定或移動傳感器，包括溫度波動、風速和碳排放。

基礎(chǔ)設(shè)施工程軟件公司 Bentley Systems 正在推進基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生。通過將基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字雙胞胎與先進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游戲 Fortnite 提供支持的 Epic Games 虛幻引擎，以及來自 NVIDIA (Omniverse) 和 Unity 的領(lǐng)先平臺——我們可以利用這些數(shù)據(jù)進入沉浸式體驗虛擬體驗來分析山洪的有害影響，監(jiān)測城市污染，甚至管理城市景觀中樹木的健康狀況。

誰會想到在交互式數(shù)字世界中設(shè)計、建造和運營基礎(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)的地球價值的關(guān)鍵是物理上準確的數(shù)字雙胞胎，其中包含豐富的工程數(shù)據(jù)，可以對已建成的基礎(chǔ)設(shè)施及其周圍環(huán)境進行建模。想象一下，能夠?qū)κ軞夂蜃兓绊懙默F(xiàn)實世界進行建模，然后生成豐富的元宇宙體驗和模擬以找到解決方案。無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，時間點的觀點是不夠的。通過在我們的建筑環(huán)境和自然環(huán)境中記錄和建模過程，并隨著時間的推移跟蹤這些變化，我們可以像時間機器一樣使用基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字雙胞胎來查看我們?nèi)ミ^的地方、現(xiàn)在的地方以及我們要去的地方。這是評估、改變甚至扭轉(zhuǎn)我們的碳足跡的強大工具?；A(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生，以及基于它們的沉浸式交互體驗，提供了虛擬的變革推動者，并為可持續(xù)地滿足世界基礎(chǔ)設(shè)施需求創(chuàng)造了一個舞臺。

技術(shù)只有在可用和可訪問的情況下才有價值。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的可訪問性，以匹配所需的體驗——Web、桌面、移動或混合現(xiàn)實。這些進步超越了游戲社區(qū)，影響到基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計師和工程師、項目經(jīng)理以及其他想要可視化和模擬項目可持續(xù)性的利益相關(guān)者——無論他們是在協(xié)調(diào)建筑工地、參觀發(fā)電廠，還是重新設(shè)計一座橋梁更能抵御極端天氣。工程師可以使用實時數(shù)據(jù)和人工智能帶我們進入未來的模擬旅程，并查看影響我們碳足跡的設(shè)計決策、方法和材料選擇的結(jié)果。

應(yīng)對氣候變化的實際應(yīng)用

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

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

在美國國家海洋和大氣管理局，國家氣候數(shù)據(jù)中心的科學家使用數(shù)字孿生的歷史降雨數(shù)據(jù)來虛擬測試現(xiàn)有雨水系統(tǒng)的運行情況。然后，他們可以預測數(shù)據(jù)以模擬重大風暴事件的影響，并查看它對任何當前或未來雨水基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計的影響。使用數(shù)字雙胞胎映射的水利基礎(chǔ)設(shè)施項目解決了過時的雨水系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在氣候變化導致的強降雨和洪水增加的壓力下不堪重負。

在基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生的幫助下，也有可能實現(xiàn)零排放的未來?？茖W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)建無碳能源實驗，35 個國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。位于法國南部的國際熱核實驗反應(yīng)堆(ITER) 項目預計，如果成功，該實驗將產(chǎn)生 500 兆瓦的能量，可為多達 200,000 戶家庭供電。這種潛在的、無限的清潔能源來源將對可持續(xù)發(fā)展目標產(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目的碳排放方面繼續(xù)發(fā)揮重要作用。英國的高速鐵路網(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鐵路系統(tǒng)的碳影響進行建模、優(yōu)化低碳設(shè)計并走上正軌以滿足規(guī)定的碳排放要求的典型示例聯(lián)合國的凈零倡議。

由于極端天氣事件的頻率和強度增加，基礎(chǔ)設(shè)施在改進監(jiān)測和檢查方面面臨越來越大的壓力。2021 年，紐約州交通部 (NYSDOT) 使用數(shù)字孿生來評估和更換紐約市布朗克斯區(qū)的東138街大橋。在這樣一個擁擠的地區(qū)完成項目涉及復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和協(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，一些專家預計它可能成為下一個偉大的勞動力平臺。目前，在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，項目團隊和利益相關(guān)者已經(jīng)通過虛擬會議進行沉浸式基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計審查和其他關(guān)鍵任務(wù)，例如資源的現(xiàn)場協(xié)調(diào)，以有效地完成這些項目。

渲染虛擬世界可能是計算機密集型的，會增加它們自己的碳足跡。注意到這一點并做出高效的計算設(shè)計選擇應(yīng)該是創(chuàng)建元宇宙體驗時的考慮因素。

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

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生不是未來主義的。作為基礎(chǔ)設(shè)施元宇宙 的基本構(gòu)建塊，它們允許專業(yè)團隊以新的方式進行交互和協(xié)作，以幫助解決當今的問題，以實現(xiàn)更具可持續(xù)性和彈性的明天。

本文作者：Lori Hufford