数字孪生技术：可持续和弹性基础设施的基石

　　快速浏览一下世界范围内的任何媒体，都会发现有关干旱、温度过高、水资源短缺、极端洪水、风暴、火灾以及各种与气候有关的灾难的故事报道。

　　在社区、企业和政府应对这些事件时，我们需要承认我们建造的基础设施在解决我们与地球的关系方面发挥着重要作用。基础设施促进了社区的经济和社会进步，但它在历史上推动了碳排放和其他有害的环境影响。通过推进基础设施的设计、建造和运营方式，我们可以渴望实现我们的经济和可持续发展目标，因为我们可以让我们的物理环境在未来免受气候变化的影响。

　　如今，身临其境的技术作为元宇宙的先驱，让软件开发人员可以在任何环境下为任何目的创建虚拟的、交互式的世界。我们可以使用这项技术使我们的基础设施在现实世界中更具可持续性和弹性。

　　例如，基础设施数字孪生。

　　什么是基础设施数字孪生模型?

　　基础设施数字孪生是物理世界中某些事物的 3D 数字表示，它会不断更新实时数据，使数字孪生成为对象或系统的“实时”交互式数字表示。在仅为娱乐而创建的交互式 3D 世界中，工程级精度和物理定律不一定适用。但对于基础设施而言，它们是必需的。基础设施数字孪生必须具有毫米精度、地理空间对齐并支持复杂的 3D 工程模式。

　　无论是埋在城市街道下方的水管，还是离岸三英里的风力涡轮机，基础设施数字孪生模型都包含从概念到施工的模型数据，例如来自无人机调查的真实数据——包括周围环境。他们还通过连接到物联网 (IoT) 的设备收集数据，例如捕获详细的、富含工程信息的固定或移动传感器，包括温度波动、风速和碳排放。

　　基础设施工程软件公司 Bentley Systems 正在推进基础设施数字孪生。通过将基础设施数字双胞胎与先进的可视化和模拟技术相结合——例如为广受欢迎的在线互动游戏 Fortnite 提供支持的 Epic Games 虚幻引擎，以及来自 NVIDIA (Omniverse) 和 Unity 的领先平台——我们可以利用这些数据进入沉浸式体验虚拟体验来分析山洪的有害影响，监测城市污染，甚至管理城市景观中树木的健康状况。

　　谁会想到在交互式数字世界中设计、建造和运营基础设施可以帮助我们追踪碳排放和节约资源以对气候变化产生积极影响?

　　利用与基础设施相关的地球价值的关键是物理上准确的数字双胞胎，其中包含丰富的工程数据，可以对已建成的基础设施及其周围环境进行建模。想象一下，能够对受气候变化影响的现实世界进行建模，然后生成丰富的元宇宙体验和模拟以找到解决方案。无论是捕捉自然界不断变化的洪泛平原和海平面上升，还是分析电网等关键基础设施的弹性，基础设施数字孪生都是关键。

　　然而，时间点的观点是不够的。通过在我们的建筑环境和自然环境中记录和建模过程，并随着时间的推移跟踪这些变化，我们可以像时间机器一样使用基础设施数字双胞胎来查看我们去过的地方、现在的地方以及我们要去的地方。这是评估、改变甚至扭转我们的碳足迹的强大工具。基础设施数字孪生，以及基于它们的沉浸式交互体验，提供了虚拟的变革推动者，并为可持续地满足世界基础设施需求创造了一个舞台。

　　技术只有在可用和可访问的情况下才有价值。数字孪生技术与不断发展的元宇宙提供跨任何平台的可访问性，以匹配所需的体验——Web、桌面、移动或混合现实。这些进步超越了游戏社区，影响到基础设施设计师和工程师、项目经理以及其他想要可视化和模拟项目可持续性的利益相关者——无论他们是在协调建筑工地、参观发电厂，还是重新设计一座桥梁更能抵御极端天气。工程师可以使用实时数据和人工智能带我们进入未来的模拟旅程，并查看影响我们碳足迹的设计决策、方法和材料选择的结果。

　　应对气候变化的实际应用

　　应对气候变化是一项全球性的努力，任何试图满足可持续发展目标的组织发展目标 (SDG) 需要正确的工具才能实现。该技术可以针对任何项目规模、范围或复杂性进行民主化，无论项目位于世界何处。将数字孪生用于基础设施的经济和环境效益是无限的。相反，在虚拟世界中协作的开源性质充分利用了来自任何地方的人才来解决紧迫的问题。

　　根据美国战略与国际研究中心的说法，清洁水基础设施被认为是 G7 重建更美好世界伙伴关系 (B3W) 设定的“水议程的一个重要方面”，数字孪生技术有望应对水资源挑战全球范围内的资源匮乏和卫生设施。

　　在美国国家海洋和大气管理局，国家气候数据中心的科学家使用数字孪生的历史降雨数据来虚拟测试现有雨水系统的运行情况。然后，他们可以预测数据以模拟重大风暴事件的影响，并查看它对任何当前或未来雨水基础设施设计的影响。使用数字双胞胎映射的水利基础设施项目解决了过时的雨水系统，这些系统在气候变化导致的强降雨和洪水增加的压力下不堪重负。

　　在基础设施数字孪生的帮助下，也有可能实现零排放的未来。科学家和工程师正在虚拟地使用基础设施数字孪生创建无碳能源实验，35 个国家合作建造世界上最大的托卡马克装置——一种旨在证明核聚变可行性的磁聚变装置。位于法国南部的国际热核实验反应堆(ITER) 项目预计，如果成功，该实验将产生 500 兆瓦的能量，可为多达 200,000 户家庭供电。这种潜在的、无限的清洁能源来源将对可持续发展目标产生前所未有的影响。

　　基础设施数字孪生在减少公路和铁路项目的碳排放方面继续发挥重要作用。英国的高速铁路网络是基础设施数字孪生模型如何使工程师能够在施工阶段之前对铁路系统的碳影响进行建模、优化低碳设计并走上正轨以满足规定的碳排放要求的典型示例联合国的净零倡议。

　　由于极端天气事件的频率和强度增加，基础设施在改进监测和检查方面面临越来越大的压力。2021 年，纽约州交通部 (NYSDOT) 使用数字孪生来评估和更换纽约市布朗克斯区的东138街大桥。在这样一个拥挤的地区完成项目涉及复杂的结构设计和协调，使用数字双胞胎作为主要施工文件。数字双胞胎现在可以不断更新并用作资产管理和桥梁检查的工具。

　　随着元宇宙的发展，一些专家预计它可能成为下一个伟大的劳动力平台。目前，在基础设施领域，项目团队和利益相关者已经通过虚拟会议进行沉浸式基础设施设计审查和其他关键任务，例如资源的现场协调，以有效地完成这些项目。

　　渲染虚拟世界可能是计算机密集型的，会增加它们自己的碳足迹。注意到这一点并做出高效的计算设计选择应该是创建元宇宙体验时的考虑因素。

　　随着我们世界的需求不断增长并在规模和范围上发生变化，数字孪生对于面向未来的基础设施和通过减少碳排放和消除浪费的可持续设计推动气候行动至关重要。

　　基础设施数字孪生不是未来主义的。作为基础设施元宇宙 的基本构建块，它们允许专业团队以新的方式进行交互和协作，以帮助解决当今的问题，以实现更具可持续性和弹性的明天。

　　本文作者：Lori Hufford