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

快速瀏覽一下世界范圍內的任何媒體，都會發(fā)現(xiàn)有關干旱、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的災難的故事報道。

在社區(qū)、企業(yè)和政府應對這些事件時，我們需要承認我們建造的基礎設施在解決我們與地球的關系方面發(fā)揮著重要作用。基礎設施促進了社區(qū)的經濟和社會進步，但它在歷史上推動了碳排放和其他有害的環(huán)境影響。通過推進基礎設施的設計、建造和運營方式，我們可以渴望實現(xiàn)我們的經濟和可持續(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，身臨其境的技術作為元宇宙的先驅，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使我們的基礎設施在現(xiàn)實世界中更具可持續(xù)性和彈性。

例如，基礎設施數(shù)字孿生。

什么是基礎設施數(shù)字孿生模型？

基礎設施數(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，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。但對于基礎設施而言，它們是必需的?；A設施數(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，基礎設施數(shù)字孿生模型都包含從概念到施工的模型數(shù)據，例如來自無人機調查的真實數(shù)據——包括周圍環(huán)境。他們還通過連接到物聯(lián)網 (IoT) 的設備收集數(shù)據，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。

基礎設施工程軟件公司 Bentley Systems 正在推進基礎設施數(shù)字孿生。通過將基礎設施數(shù)字雙胞胎與先進的可視化和模擬技術相結合——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 的領先平臺——我們可以利用這些數(shù)據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)字世界中設計、建造和運營基礎設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生積極影響？

利用與基礎設施相關的地球價值的關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，可以對已建成的基礎設施及其周圍環(huán)境進行建模。想象一下，能夠對受氣候變化影響的現(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，還是分析電網等關鍵基礎設施的彈性，基礎設施數(shù)字孿生都是關鍵。

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設施數(shù)字雙胞胎來查看我們去過的地方、現(xiàn)在的地方以及我們要去的地方。這是評估、改變甚至扭轉我們的碳足跡的強大工具。基礎設施數(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)地滿足世界基礎設施需求創(chuàng)造了一個舞臺。

技術只有在可用和可訪問的情況下才有價值。數(shù)字孿生技術與不斷發(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)，影響到基礎設施設計師和工程師、項目經理以及其他想要可視化和模擬項目可持續(xù)性的利益相關者——無論他們是在協(xié)調建筑工地、參觀發(fā)電廠，還是重新設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計決策、方法和材料選擇的結果。

應對氣候變化的實際應用

應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)字孿生用于基礎設施的經濟和環(huán)境效益是無限的。相反，在虛擬世界中協(xié)作的開源性質充分利用了來自任何地方的人才來解決緊迫的問題。

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

在美國國家海洋和大氣管理局，國家氣候數(shù)據中心的科學家使用數(shù)字孿生的歷史降雨數(shù)據來虛擬測試現(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設施設計的影響。使用數(shù)字雙胞胎映射的水利基礎設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。

在基礎設施數(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設施數(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堆(ITER) 項目預計，如果成功，該實驗將產生 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)展目標產生前所未有的影響。

基礎設施數(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。英國的高速鐵路網絡是基礎設施數(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，基礎設施在改進監(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構設計和協(xié)調，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，在基礎設施領域，項目團隊和利益相關者已經通過虛擬會議進行沉浸式基礎設施設計審查和其他關鍵任務，例如資源的現(xiàn)場協(xié)調，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計選擇應該是創(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設施和通過減少碳排放和消除浪費的可持續(xù)設計推動氣候行動至關重要。

基礎設施數(shù)字孿生不是未來主義的。作為基礎設施元宇宙 的基本構建塊，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