城市应急智慧数字孪生监控系统

数字孪生技术在智慧城市中获得深度应用，各地着力推动的数字孪生城市建设为城市应急管理的数字化提供了有力支撑。城市应急数字孪生系统可将城市中井盖、排水管道、河道流量等数据采集联网，模拟在遭遇大规模降雨时城市范围内的“联排联调”，对城市给排水系统优化提供直接参考。

城市在应对火灾时，可根据不同商业建筑模型，通过商业大楼内承载人员数量、火灾蔓延速度和逃生通道容量规划最佳逃生路线。还可通过消防栓、烟感传感器、视频等设备联网为消防救援提供最佳指引。在应对危化品泄露时，可仿真某存储危化品的工厂发生有害气体泄露，根据空气扩散模型计算受影响的城市范围，并计算疏散路径。在应对疫情扩散时，可仿真病毒携带人员在城市内行动轨迹，根据病毒扩散与传播控制模型，计算可能受到影响的城市范围，对隔离方案进行精准指导。

城市应急数字孪生系统通过对海量公共安全数据进行整理、分析、挖掘、呈现，最终闭环作用于物理世界，促进城市应急管理的全面透彻感知、系统整体掌控、迅捷精确响应，使应急管理主体能够信息共享、互联互通并推动形成一体化的预警防控体系。

1.数字孪生系统架构

感知层：感知层主要包括物理实体中搭载先进物联网技术的各类新型基础设施。

数据层：数据层主要包括保证运算准确性的高精度的数据采集、保证交互实时性的高速率数据传输、保证存取可靠性的全生命周期数据管理。

运算层：运算层是数字孪生体的核心，其充分借助各项先进关键技术实现对下层数据的利用，以及对上层功能的支撑。

功能层：功能层是数字变生体的直接价值体现，实现系统认知、系统分析、故障诊断、预测推演功能，从而起到辅助决策作用。系统认知，数字孪生体能够真实描述及呈现物理实体的状态，它是实现数字孪生体其它高级和智能化功能的基础。系统分析可实现数字孪生体的状态监测功能，发挥对物理实体的早期预警作用。故障诊断，通过分析物理实体的运行状态，了解现象背后的原因。预测推演，是利用仿真技术来预见物理实体未来的状态演变，从而指导当前的运行决策。

应用层：应用层是面向各类场景的数字孪生体的最终价值体现，具体表现为不同行业的各种产品，能够明显推动各行各业的数字化转型。

2.数字孪生系统的典型特征

等价映射：数字孪生体是对物理实体的等价描述，是对物理实体进行数字化而松建的模型数字孪生体的变化能够真实反映现实世界中的物理实体的变化。数字孪生体能够实现双向映射、数据连接和状态交互，起到“数化”、“保真”效果。

实时交互：基于实时传感等多元数据的获取，孪生体可全面、精准、动态反映物理对象的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等。“实时”体现数字孪生体所处状态是物理实体状态的实时虚拟映射;“交互”体现数字孪生体与物理实体间存在数据及指令互动。

共生演进：“共生”体现在数字孪生体与物理实体同步构建，在全生面周期中相互依存，孪生体随着孪生对象的生长而不断演变。共智体现在三个层面:孪生体与孪生对象间共享智慧(包括:数据、算法)、孪生体内部各种孪生模型间共享智慧、不同生命周期阶段的孪生体间共享智慧。

预测优化：根据物理实体的各项真实数据，通过数字孪生体进行仿真，实现对物理实体未来状态的预测，预先知晓未来状态能够辅助用户做出更合理的决策。根据物理实体的实时运行状态，通过数字孪生体进行监测，实现对系统不稳定状态的预测，预先觉察即将可能发生的不稳定状态，使用户更从容地处理该问题。

建立数字孪生体的最终目的，是通过描述物理实体集合内在机理，分析规律、洞察趋势，基于分析与仿真对物理世界形成优化指令或策略，实现对物理实体决策优化功能的闭坏。根据数字孪生的典型特征，可以得出数字孪生的体系架构。

3.城市应急智慧数字孪生监控系统

（1）综合态势监测

支持整合城市安防、生产生活、自然灾害、消防事故等各领域信息资源，基于三维GIS系统，对目标区域的建筑、道路、企业、危险源、基础设施、监控点位等重点要素信息进行详细展现。与公安、消防、医疗、交管等多部门实时联动，实现对突发事件的及时响应，辅助应急部门综合掌控大范围区域安全态势。

（2）城市安全监测

建筑监测

支持对桥梁、大型体育场馆、大型综合体等各类大型建筑的数量、空间位置分布、实时状态等信息进行监测和可视化管理；集成各传感器监测数据，对大型建筑沉降、变形、位移、火灾报警、消防设施水位水压、室内外温度等运维数据进行实时监测，支持异常状态实时告警。

公用设备设施监测

平台可对交通枢纽、工厂、人员密集场所等重点区域，以及特种设备（电梯等）、变电站、能源站、调配站等公用设施的位置、分布、类型进行实时监测；对大型公用设施运行状态、特种设备运行状态、地下管网压力等管理要素运行信息进行实时监控，支持故障实时预警告警，及时发现安全隐患，提升基础设施监管力度。

城市公共空间监测

对公共空间的分布、人车信息、空气质量等要素进行可视化监测；对重点点位布置监控感知设备，建设视频一张图，对人员密度、环境指标、突发事件等公共安全态势进行实时监测。当指标超过预设安全阈值，系统将通过Icon变色、自动告警等形式进行呈现，实现公共空间和重点场所的全方位、无死角管控。

消防重点单位监测

对人员聚集的公共场景的周围消防资源进行信息迭代监测，支持通过三维建模，对重点建筑及各类消防设施的外观、内部结构等进行三维仿真显示，并对建筑内的空气烟雾、温度、人流量、消防设施水位水压等运行态势进行监控，配置工单调取、巡检路线、应急预案等关键辅助功能，提升消防安全监管力度。

（3）自然灾害监测

气象灾害监测

支持集成气象管理部门业务系统、气象观测站、天气雷达等数据资源，对降雨量、风速、风向、温度、湿度、雷电等气象参数进行实时可视化监测，支持台风、高温、雷暴、汉朝等灾害气象的预警告警，并对极端气象灾害的转移路线进行模拟，辅助管理者掌握气候气象态势，提高应急响应效率。

水旱灾害监测

支持集成气象监测、水利工程监测、城市内涝监测、水位监测等各类数据资源，对天气、降水量及江河湖泊、水库的水位、水库蓄水量、总库容等要素进行实时监测和可视化分析；支持对大坝、河堤等要素对象进行三维显示，对坝体、河堤位移变形等异常情况进行告警，为防汛抗旱、洪灾风险评估工作提供支持。

4.系统主要功能

（1）综合态势监测

支持整合城市安防、生产生活、自然灾害、消防事故等各领域信息资源，基于三维GIS系统，对目标区域的建筑、道路、企业、危险源、基础设施、监控点位等重点要素信息进行详细展现。为预警信息发布、灾情发布提供数据支撑，实现监测信息的整合和可视化展示，为应急中掌握事发态势，优化资源配置提供有效辅助决策。

（2）应急资源整合

平台通过对接应急、粮食、消防、公安、卫健、交通、民政等应急资源储备和管理部门，汇聚减灾救灾资源数据，实现各类应急资源的整合和可视化展示。通过结合具体灾害场景进行方案推演，确保救援指挥时能迅速、全面了解、掌握应急信息资源，为应急救援指挥提供智慧支撑。

（3）智能预警告

警基于时间、空间、数据等多个维度，为各类焦点事件建立阈值告警触发规则，自动监控各类焦点事件的发展状态，对来自不同部门和不同系统的告警信息进行关联分析，结合预警模型进行风险研判，确定告警信息的风险级别，提前进行可视化预警告警。

（4）应急预案部署

支持将预案的相关要素及指挥过程进行多种方式的可视化呈现与部署，支持对应急管理资源部署、资源分布、行动路线、重点目标等进行展现和动态推演，提高指挥效率、人员对预案的熟悉程度、增强处置突发事件的能力和水平。

（5）应急指挥调度

基于灾险情或者历史灾害，能够快速定位并搜索事发地点周边范围内的应急抢险物资、救援队伍、避灾场所等，生成调度方案。各级指挥中心、救援队伍和救援现场可通过平台进行双向语音通信，实时视频传至指挥中心大屏，实现指挥调度上下联动、横向协同、扁平高效、快速接入。满足对灾害的快速响应和综合一体化的应急救援指挥需求，实现重大突发事件的综合救援和协调联动，提升应急救援的协同性、整体性、专业性。