达索系统虚拟孪生技术如何设计抗灾城市基础设施？

城市基础设施通常特别容易受到自然灾害的影响，但并非必须如此。

几个世纪以来，城市地区一直是人类发展和进步的中心，但它们仍然特别容易受到自然力量的影响。现在，这些地区正处于十字路口，城市基础设施正在遭受重创。气候变化对城市基础设施的影响非常明显，随着城市人口的持续增长，这些影响将产生双重影响。

城市规划者和城市官员亟需重新思考他们如何建设和维护城市基础设施来管理这些因素。

对于此类复杂的项目，虚拟孪生体验为城市提供了一种确保基础设施弹性的方法，使城市物理内部工作的关键组成部分为自然灾害的压力做好准备。这些高度详细的数字模型通过结合数据、技术和前瞻性来改变城市规划和抗灾能力。

自然灾害对城市的影响

从飓风和地震到洪水和野火，自然灾害以毁灭性的强度袭击城市地区，往往留下广泛的破坏和长期的经济影响。使城市成为活动中心的方面，例如人口密度和互连的基础设施系统，也增加了它们的脆弱性。

以洪水为例。巴西圣保罗等城市由于人口密度高、城市布局无序和排水系统老化，经常面临洪水。如果不仔细规划，一场洪水就可能使交通网络瘫痪，中断供水，损坏房屋并使成千上万的居民流离失所。同样，地震会摧毁桥梁和建筑物，而飓风会对电网和通信系统造成严重破坏。

最引人注目的不仅仅是直接的破坏，还有连锁反应。灾害对最脆弱的人群造成了不成比例的影响，延误了关键的公共服务，并使本已有限的资源紧张，从而加剧了经济不平等。为了应对这些挑战，城市开发商必须从被动的灾难响应方法转向主动的抗灾设计。

加强城市基础设施，提高韧性

世界各地的城市地区都在争先恐后地调整其基础架构抵御日益增长的气候变化和自然灾害。城市已经开始振兴老化资产并整合新技术，以提高韧性和可持续性。例如，在洪水易发地区，防洪墙和堤坝正在加固，而抗震材料现在是地震带新建筑的标准配置。

这些现代化工作的核心是一个统一的目标：构建更智能的基础设施系统，能够更有效地预测、抵御灾难并从灾难中恢复。

通过 IoT 设备和传感器进行实时数据收集，提供对关键基础设施状况的洞察，正在取得真正的进步。由人工智能提供支持的预测分析使市政当局能够在漏洞演变为全面故障之前识别漏洞。然而，当前许多工作缺乏的是一个总体框架，将所有这些数据统一为可作的计划。

这就是虚拟孪生体验带来革命性转变的地方。虚拟孪生超越了传统的建模技术，将来自不同来源的数据编织在一起，以前所未有的细节和准确性模拟城市环境。

利用虚拟孪生进行灾难准备

一个 虚拟孪生体验 不仅仅是数字孪生或某物的虚拟表示。它是对城市环境的实时、多方面模拟，集成了基础设施、交通系统、能源网、水资源等。使用高级分析、人工智能和 IoT，虚拟孪生形成了一个“假设”实验室，规划人员可以在其中模拟灾难及其影响，而不会产生实际风险。

例如，由于洪水是圣保罗反复出现的威胁，城市规划者已经开始使用虚拟孪生来更好地预测强降雨可能对社区产生的影响。通过根据降雨预测、土壤条件和城市布局模拟洪水情景，地方政府可以确定哪些社区的风险最高，并采取措施改善排水基础设施或指定安全的疏散路线。

日本的 Smart Keihanna 项目也有一个类似的例子，达索系统的 3DEXPERIENCE 平台促进了虚拟孪生的创建，用于分析洪水风险。通过组合包括建筑结构、人口密度和应急响应工作流程在内的数据，虚拟模型提供了一个整体视图，其中包含拯救生命的见解，例如洪水事件期间的最佳疏散程序。

虚拟孪生在灾后响应工作中也取得了进展。通过对受灾城市进行数字化重建，政府可以更好地规划恢复工作并制定可持续的重建战略。在乌克兰，持续的战争导致城市及其基础设施遭到大规模破坏;在切尔尼戈夫市，正在部署 Dassault Systèmes 的虚拟孪生，以绘制、模拟和规划重建工作.该城市的虚拟孪生体正在帮助当局将这一过程可视化，同时考虑弹性设计以减少未来的破坏。

为什么虚拟孪生技术对准备工作具有变革性作用

与传统的城市规划工具不同，虚拟孪生是动态且互连的数字生态系统。它们能够实时生成可作的见解，为任何城市环境提供无与伦比的优势。它们在备灾方面的用处几乎是无与伦比的。

仿真精度

虚拟孪生允许城市规划者测试无穷无尽的“假设”场景。以美国 2024 年的飓风季为例。9 月下旬，飓风海伦席卷东南部，对北卡罗来纳州西部地区造成了特别严重的打击。虽然较大的地区已经习惯了这种自然灾害，但阿什维尔市却不习惯，袭击它的洪水尤其具有破坏性。随着飓风海伦等灾害变得越来越频繁和致命，像阿什维尔和其他城市这样的城市必须考虑“假设”并制定应急计划来应对它们。如果预测会有暴风雨袭击并且需要疏散，当地政府将如何实施系统来确保特定区域的交通安全流出？如果热浪来袭，它将如何影响城市的公共交通效率和可靠性？像这样的模拟不仅仅是预测结果;他们还帮助挖掘最有效的解决方案。

长期资源优化

通过识别电网、配水网络和运输系统中的低效率，虚拟孪生可以防止资源浪费，同时最大限度地提高运营效率。例如，当配备人工智能时，它们可以预测老化基础设施的维护需求，即使在自然压力下也能确保性能一致。这方面的准备也有助于建设可持续城市为了子孙后代。

明智的决策

对于市政当局来说，共识通常会延迟救灾工作。虚拟孪生充当协作平台，利益相关者、公民和地方政府可以在其中共同可视化和评估计划，从而提高透明度和信任度。公民参与元素对城市官员特别有吸引力，因为它让居民参与进来，在城市管理中创造了一层透明度。

成本效益

尽管对虚拟孪生技术的前期投资可能很大，但从长远来看，灾难准备、减少维护和提高效率所节省的成本超过了成本。FEMA 估计，在减灾上每花费 1 美元可以节省 6 美元的潜在恢复成本，而虚拟孪生通过确保决策有证据支持来放大这种投资回报潜力。

合作在城市规划和灾害管理中的作用

罗马不是一天建成的，当然也不是孤军奋战。当城市地区面临自然灾害的潜在威胁及其可能造成的破坏时，协作是确保降低风险的关键组成部分。虚拟孪生技术使城市能够将其基础设施重新构想为弹性系统，但这只是拼图的一部分。

数字化转型还为地方政府、城市规划者、第三方等提供了无缝合作的机会。

在加利福尼亚州北部，旧金山市几十年来一直遭受灾难性的地震，这些地震导致建筑物倒塌，并造成了巨大、代价高昂的破坏。它所在的区域容易受到此类事件的影响，但对于一些富有想象力的建筑师和建筑工程师来说，减轻它们的影响并非不可能。为了建造今天点缀城市天际线的抗震建筑，成千上万的人参与其中。从用于桁架的钢材到用于加固这些梁的混凝土，再到内置在地基基础中的支座，一切都必须仔细考虑和制造。由于参与方使用的脱节系统导致沟通不畅而导致的误判可能会导致整个项目毫无用处。风险很高：该市的 Transamerica Pyramid 和 Salesforce Tower 等建筑耗资超过 10 亿美元，其中的公司为该市贡献了巨大的经济产出。涉及如此多的利益相关者，出错的可能性很大;因此，无缝协作在建造抗灾建筑中的作用怎么强调都不为过。

旧金山的泛美大厦 – 图片来源：Maxime Pruvost

3DEXPERIENCE 平台，作为一个统一的环境，所有各方都可以协同工作，了解各个更改如何影响整个系统，并确保项目按照精心构建的计划执行。对于城市环境中的任何给定项目，都有数十个组成部分需要考虑，以及来自各种政策和计划的要求。在一个平台中，所有这些组件、输入和见解都可以放在一起，从而减少摩擦、冗余和事故的可能性。

建设有韧性、可持续发展的城市

未来，世界肯定会看到更多的热浪、飓风、海啸、地震、暴风雪和其他自然灾害。城市地区及其所在的基础设施将特别容易受到其中一些风暴的影响。因此，未来真正属于能够预测变化、有效适应和快速恢复的城市。

使用虚拟孪生技术等强大的工具实现有弹性的城市发展和规划，将是城市成功与失败之间的区别。从与灾害相关的交通管理和公共交通到供水、废物管理、通信等，可以重塑城市系统方式的技术已经广泛使用。

通过模拟灾难并确定差距和机会，以实施更强大的公共服务来应对灾难，虚拟孪生可以为城市提供一层必要的弹性。它们还可以作为一个安全的数字生态系统，用于精确建模和模拟优化城市环境中基础设施的方法。对于寻求技术合作伙伴的地方政府官员、城市规划者和决策者来说，虚拟孪生是不会让人失望的。

通往有弹性的城市基础设施之路始于能够做出更明智决策的工具。随着新兴技术的引领，世界各地的城市都在为更安全、更明亮、更可持续的明天做准备。