地理空间数字孪生为复杂系统提供无与伦比的清晰度

by giser · 2023-06-17

在旧金山国际机场 (SFO) 迷路的疲惫旅客可以在手机上查看该设施的地图。该地图采用地理信息系统 (GIS) 技术构建，可提供信息，帮助他们前往需要前往的地方。但地图的意义远不止于此——它可以指导操作。

机场运营和维护人员可以访问这些附加层，揭示机场令人眼花缭乱的复杂性。国际航站楼的所有 180 万平方英尺都包括在内。每个单独的组件——从 15,000 扇门到 2,000 棵树——都存在并说明了这一点。

剥开那些层，往地下看。您会发现 400 英里带标签的地下公用设施，包括水、电和废水。通过激光雷达和其他方法收集并无缝集成到 GIS 中的机场外景照片。

对于操作细节，建筑信息模型 (BIM)在地图上找到了它们的位置。壁橱、人行道、管道——都在那里，随时可以帮助维修或长期项目。无线接入点位置等信息性 GIS 层增加了详细的 BIM 信息。

而这只是静态地图信息。室内跟踪显示关键设备的位置。在外面，显示了维修车辆的当前位置。

从公共版本到敏感的高安全层，都是同一张 GIS 支持的地图。但不仅如此。这就是 SFO的全部：永久性部分、半永久性部分，以及那些总是在移动中的物品。

所以我们不要称它为地图。SFO 构建的是地理空间数字数字孪生。

旧金山机场 (SFO) 的旅客现在可以使用一款应用程序来引导他们穿越内部空间。（图片由 SFO 提供）

SFO 的 GeoEye 3D 查看器为工作人员提供了执行维护和保护旅客所需的详细信息。（图片由 SFO 提供）

新的 Grand Hyatt SFO 于 2019 年开业，它直接连接 AirTran 以简化旅行连接。（图片由 SFO 提供）

数字数字孪生的概念并不新鲜，尽管它已经发生了根本性的变化。早在 80 年代，最早的数字孪生就出现在制造业领域。它们是衡量工厂机械和流程性能的一种方式，可以细化到单个组件的水平。

尽管有助于了解工厂运营，但这些早期数字孪生的实用性有限。分析师可以注意到系统的优点和缺点，并发现问题和瓶颈，但很难理解它的整体性。

现代数字孪生提供了这种整体性，同时又不影响粒度。正如人体依赖于呼吸系统和心血管系统等系统的相互联系一样，组织中的复杂系统通过不断流动的相互作用发挥作用。现代数字数字孪生认识到系统之间的交互与单个系统本身一样重要。

地理空间数字孪生如何为这种细微差别创造条件？

首先，通过提供清晰的视野。自半个多世纪前 GIS 首次亮相以来，该技术开创了数字孪生的概念。

GIS 的视觉语言是地图。正如纸质地图在不同程度上是“模拟数字孪生”一样，许多 GIS 派生地图都可以被认为是数字数字孪生。GIS地图包含属性细节，数据可溯源，超越了以往的静态地图。

GIS 可以生成逼真的数字孪生，因为该技术现在可以无缝集成沉浸式 3D 环境，包括通过无人机和现实捕捉技术获得的细节。

通过添加时间维度，地理空间数字孪生比 3D 模型走得更远。就像它们镜像的系统一样，数字孪生也在进化。通过编译有关过去和现在的信息，数字孪生可用于查询根据过去的模式何时发生了什么，甚至可能发生什么。先进的分析技术揭示趋势和热点。

Cross River Rail 项目将提供一条穿过布里斯班内城的 10.2 公里长的新线路，其中包括在布里斯班河和 CBD 下方运行的两条 5.9 公里长的隧道。作为 5.4b 美元项目的一部分，除了升级八个现有车站外，还将建造四个新的地下车站。

放眼邻近的安大略省温莎市，您可以看到底特律市中心及其周边地区正在规划开发。

对于工程师而言，数字数字孪生支持信号传播建模，以根据社区和用户需求调整信号。（图片由沃达丰提供。）

布拉格是欧洲发展最快的城市之一，它正在使用数字数字孪生来恢复历史街区佛罗伦萨与周边地区的连通性，并保护其世界遗产地位。

随着越来越多的人了解地理空间数字孪生的潜在力量，用例成倍增加。现在可以谈论许多类别的数字数字孪生：

设计和建造数字孪生有助于管理复杂的基础设施问题，同时提供连接现在和未来的直通线。在澳大利亚的布里斯班，数字孪生有助于建造新地铁。同一个数字孪生还描绘了地面上的区域，以便铁路当局可以跟踪地下项目如何影响其上方的经济发展。项目完成后，同一个数字孪生将指导日常运营。
数字孪生已成为建筑师和城市规划师不可或缺的工具。该技术帮助他们想象和试验替代方案，而不会对现实世界造成任何干扰。鉴于该地区当前的步行和行人交通，拟议的长廊会是什么样子？根据各种气候变化洪水情景，桥梁应该有多高？
公用事业网络的数字孪生提供了通常隐藏在视野之外的系统的详细物理视图。在英国，无线运营商沃达丰 (Vodafone)现在使用覆盖其 245,000 平方公里网络的数字数字孪生。
环境数字孪生最近成为了解生态系统及其运作方式的一种方式。也许它们最有价值的属性是它们将自然系统与人造系统联系起来的方式，揭示了它们如何影响彼此。

该应用程序旨在持续监控实时传感器和关键数据馈送，并分析炼油厂周围设施和员工的风险。实时物联网传感器用于监测设施的甲烷排放水平并分析现场人员的潜在风险。实时事件用于根据接近程度分析设施和场外人员的风险。该应用程序还分析实时 AIS 流和 Open Sky 馈送，以了解附近船只和飞机对设施的潜在风险。

近年来出现的最令人兴奋的数字孪生模型试图将上述所有内容结合起来，反映出整个城市甚至国家的复杂性。例如，格林纳达已经建立了一个令人印象深刻的国家级数字孪生模型，帮助加勒比地区的大自然了解气候变化并为之做好准备。

与镜像动态系统的能力相比，数字孪生的镜像能力可以掩盖更平淡但不亚于强大的品质。

数字孪生促进协作和沟通。它们为利益相关者提供了一个共同的观点，以了解系统如何发展。他们的视觉直观性是向社区、监管机构或可能受不断发展的系统影响的任何其他人解释进展的一种方式。

最后，还有一种力量使 GIS 长期以来成为组织空间信息的最佳方式。

构成复杂系统的许多数据流可能来自不同的来源。通常，这些数据组唯一共享的是它们具有空间组件，即共享位置。基于 GIS 的数字数字孪生尊重这种相似性，同时在视觉上强调它。

地理空间数字孪生提供了一种接近完整情境感知的东西。通过帮助我们可视化数据流的异花授粉，这些数字孪生将抽象数据与具体体验联系起来。通过回答“在哪里？”这个不断变化的问题，地理空间数字孪生提供了最终的上下文理解。