摘要：碳減排對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，而社區(qū)尺度的減碳實(shí)踐是有指導(dǎo)性的。為了實(shí)現(xiàn)社區(qū)的碳減排目標(biāo)，引入數(shù)字孿生技術(shù)，并對(duì)其在低碳社區(qū)創(chuàng)建中的技術(shù)路徑與應(yīng)用點(diǎn)進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：碳減排 低碳社區(qū) 數(shù)字孿生
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0 引言
根據(jù)聯(lián)合國(guó)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前有55%的世界人口生活在城市當(dāng)中。結(jié)合城市化進(jìn)程與世界總?cè)丝跀?shù)量增長(zhǎng)等因素，預(yù)計(jì)至2050年，城市地區(qū)人口總數(shù)將達(dá)到63億，占比全世界總?cè)丝跀?shù)的68%[1]。然而，受到人口密度、交通工具、人員活動(dòng)等因素的影響，城市在世界能源使用和溫室氣體排放中都占到三分之二以上。因此，對(duì)于實(shí)現(xiàn)全球氣候目標(biāo)來(lái)說(shuō)，城市將擁有更大的責(zé)任與改善空間。
在2018年，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)布了特別報(bào)告《全球升溫 1.5oC》，報(bào)告指出如果全球溫室效應(yīng)保持目前的速度繼續(xù)發(fā)展，那么在2030年至2052年之間，全球溫度上升將超過(guò)1.5℃；若想將氣溫增幅控制在1.5℃的目標(biāo)值之內(nèi)，其最佳路徑是在2030年先將碳排放量較2010年降低45%，然后再在2050年實(shí)現(xiàn)零排放。
1 低碳城市與低碳社區(qū)
為了滿足全球氣候目標(biāo)所需的碳排放減少量的要求，全球多個(gè)城市都著手依據(jù)自身城市發(fā)展，制定了區(qū)域性的減碳計(jì)劃，試圖在一定期限內(nèi)，達(dá)成低碳城市或零碳城市的標(biāo)準(zhǔn)。
2018年，哥本哈根、東京、倫敦、溫哥華、悉尼等19座全球超大型城市在倫敦共同簽署了《凈零碳建筑宣言》，承諾至 2030 年，其城市中的所有新建建筑都將實(shí)現(xiàn)凈零碳排放，至 2050 年，城市所有既有建筑也都將實(shí)現(xiàn)凈零碳排放。包括北京、廣州、南京、青島、福州等十二座中國(guó)城市，都已加入了C40城市氣候領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟，推動(dòng)碳減排行動(dòng)和可持續(xù)發(fā)展。
對(duì)于城市而言，碳減排的大部分潛力將來(lái)自于建筑、交通和工業(yè)等方面[2]，這需要管理者將城市的規(guī)劃、建筑、交通等方面的因素與能源效率結(jié)合起來(lái)考慮，從而制定相應(yīng)的政策舉措。例如，當(dāng)政府部門(mén)在制定規(guī)劃和交通政策的時(shí)候，需要充分考慮民眾的交通需求，平衡職業(yè)、居住、商業(yè)區(qū)域的劃分，合理設(shè)置路網(wǎng)和公共交通設(shè)施的安排，這樣多維度考量下制定出的政策將會(huì)減少民眾的通勤時(shí)間，直接對(duì)交通相關(guān)的能源消耗造成影響。
低碳城市的創(chuàng)建是從城市的尺度出發(fā)去討論碳減排的目標(biāo)、方案、舉措與政策，將會(huì)涉及到城市中的多個(gè)管理部門(mén)與機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作，這也是打造低碳城市的過(guò)程中將要面臨的最大挑戰(zhàn)之一，這一挑戰(zhàn)也促成了社區(qū)尺度的解決方案。
城市主要是指具有某些特征的、在地理上有界的社會(huì)組織形式，是由政府公共部門(mén)界定、治理的政治管轄范圍或區(qū)域。在國(guó)內(nèi)，包括按國(guó)家行政建制設(shè)立的市、鎮(zhèn)劃分區(qū)域[3]。
社區(qū)則是城市內(nèi)的子區(qū)域，盡管這類(lèi)子區(qū)域無(wú)法被稱(chēng)為“城市”，但是無(wú)論從區(qū)域面積、管理權(quán)限來(lái)看都是相對(duì)獨(dú)立的，更重要的是，這些子區(qū)域的能源消耗計(jì)量具有明顯的邊界，主要包括大型的住宅區(qū)、商業(yè)區(qū)、混合開(kāi)發(fā)區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、大型校園或者機(jī)場(chǎng)等，還包括其他具有類(lèi)似的復(fù)雜環(huán)境和邊界的私人開(kāi)發(fā)或持有的城市子區(qū)域。
相較于城市尺度的碳減排行動(dòng)，社區(qū)尺度的方案具有相似的系統(tǒng)性、更高的參與性、更強(qiáng)的靈活性以及可控制性。
城市與社區(qū)具有相似的系統(tǒng)性。盡管從規(guī)模上來(lái)講，城市比社區(qū)要更大一些，但是社區(qū)尺度幾乎可以涵蓋城市尺度的大部分系統(tǒng)，如自然資源與生態(tài)環(huán)境、交通設(shè)施及土地利用、水資源利用效率、能源消耗與碳排放、材料資源的回收利用與處理等。2019年，USGBC融合了LEED（社區(qū)）、SITES（景觀設(shè)計(jì)），TRUE（零廢棄物管理）等標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要點(diǎn)，正式發(fā)布了LEED for Citiesand Communities（城市與社區(qū)）標(biāo)準(zhǔn)及認(rèn)證體系，并開(kāi)放注冊(cè)。USGBC將社區(qū)與城市放在認(rèn)證的同一體系當(dāng)中，正是因?yàn)槎呔哂邢嗨频南到y(tǒng)性，這也為城市管理者制定碳減排方案時(shí)提供了一條新的技術(shù)路線。
在碳減排行動(dòng)中，社區(qū)尺度比城市尺度的方能使利益相關(guān)者更具有參與性。城市尺度范圍過(guò)大，這也限制了信息的傳遞能力與方式，在政策、舉措制定的時(shí)候，城市管理者很難傾聽(tīng)到利益相關(guān)者的聲音，如居民、商戶、學(xué)生等；即使通過(guò)一定數(shù)量的樣本獲得利益相關(guān)者的需求，那么做出決策也是一個(gè)十分艱難的權(quán)衡過(guò)程。然而對(duì)于社區(qū)而言，對(duì)話的機(jī)制更加扁平化，管理者收集而來(lái)的信息會(huì)更加真實(shí)可靠。在政策舉措的制定時(shí)，利益相關(guān)者們也會(huì)更容易看到實(shí)質(zhì)性的預(yù)期影響，因此參與的積極性就會(huì)更高，方案更加符合實(shí)際。
在制定碳減排的目標(biāo)、政策和措施方面，社區(qū)的可控性要比城市更強(qiáng)。低碳社區(qū)的目標(biāo)也就更容易達(dá)成。城市政策舉措的制定是多部門(mén)、多系統(tǒng)的權(quán)衡結(jié)果，考慮到政治敏感性及效率問(wèn)題，城市管理者難以在短時(shí)間內(nèi)對(duì)管轄范圍內(nèi)的碳排放實(shí)現(xiàn)控制，但是社區(qū)則不同，由于區(qū)域范圍有限，涉及相關(guān)方面有限，使其在行動(dòng)的策劃和實(shí)施過(guò)程都更具有可控制性。這一點(diǎn)在《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》里面也有很好的體現(xiàn)。如“8.1.2項(xiàng)，室外熱環(huán)境應(yīng)滿足國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求”，要求按照現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市居住區(qū)熱環(huán)境設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行熱環(huán)境設(shè)計(jì)，采取有效措施改善場(chǎng)地內(nèi)的通風(fēng)不良、遮陽(yáng)不足、綠量不夠、滲透不強(qiáng)的一系列的問(wèn)題，以提高場(chǎng)地內(nèi)的環(huán)境舒適度[4]。該控制項(xiàng)設(shè)立的主要目的是采取措施緩解城市熱島效應(yīng)，然而在該標(biāo)準(zhǔn)中難以對(duì)整個(gè)城市的規(guī)劃進(jìn)行重新的升級(jí)，只能通過(guò)提升新對(duì)各社區(qū)尺度的區(qū)域熱舒適性進(jìn)行改善，伴隨新建建筑和既有建筑改造等過(guò)程，逐步實(shí)現(xiàn)積累效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)城市整體熱島效應(yīng)的緩解。
因此，在當(dāng)前情況下，從創(chuàng)建低碳社區(qū)入手，通過(guò)積累效應(yīng)，伴隨新規(guī)劃或既有改造等過(guò)程，以社區(qū)尺度的改善逐漸帶動(dòng)城市尺度的整體狀況，最終實(shí)現(xiàn)低碳城市的目標(biāo)是一個(gè)較好的技術(shù)路徑。
2 數(shù)字孿生
數(shù)字孿生技術(shù)最早是用于航空航天領(lǐng)域，通過(guò)建立虛擬空間的真實(shí)飛機(jī)模型，在飛機(jī)飛行中通過(guò)預(yù)先布置好傳感器捕捉數(shù)據(jù)狀態(tài)，然后再虛擬空間里進(jìn)行同步，判斷飛機(jī)結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)安全問(wèn)題，對(duì)飛機(jī)情況進(jìn)行分析評(píng)估[5]。
數(shù)字孿生是一種實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射的關(guān)鍵技術(shù)，它通過(guò)充分利用布置在系統(tǒng)各部分的傳感器，對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與建模，形成多學(xué)科、多物理量、多時(shí)間尺度、多概率的仿真過(guò)程，將物理系統(tǒng)在不同真實(shí)場(chǎng)景中的全生命周期過(guò)程反映出來(lái)。借助于各種高性能傳感器和高速通信，數(shù)字孿生可以通過(guò)集成多維物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，輔以數(shù)據(jù)分析和仿真模擬，近乎實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)物理實(shí)體的實(shí)際情況，并通過(guò)虛實(shí)交互接口對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制。數(shù)字孿生主要由三部分組成：現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體、虛擬空間的模型以及連接虛實(shí)之間的數(shù)據(jù)信息。
更簡(jiǎn)單的說(shuō)，數(shù)字孿生是一個(gè)物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)，以便于我們能夠在這個(gè)數(shù)字化模型上看到物理實(shí)體可能發(fā)生的情況。因此，數(shù)字孿生技術(shù)可以應(yīng)用于諸多行業(yè)內(nèi)，通過(guò)建立虛擬模型，然后進(jìn)行模擬，分析它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中可能會(huì)出現(xiàn)的狀態(tài)，以及它們的狀態(tài)將會(huì)如何隨著時(shí)間的推移而變化的。
3 數(shù)字孿生與低碳社區(qū)
低碳社區(qū)的創(chuàng)建需要有新的技術(shù)和工具來(lái)幫助社區(qū)的不同部門(mén)、管理者、規(guī)劃者、設(shè)計(jì)師和使用者等在一系列復(fù)雜的可能性和信息中做出正確的決策。顯然，將多方面的行動(dòng)和決策過(guò)程結(jié)合起來(lái)，能更大地發(fā)揮社區(qū)在碳減排方面的潛力?？绮块T(mén)的交流過(guò)程面臨著更高的復(fù)雜程度，隨之而來(lái)的是社區(qū)整體的決策過(guò)程變得更加艱難。例如，要想制定建筑優(yōu)化方案的決策、優(yōu)化能源管理方式和改善社區(qū)規(guī)劃情況，就需要對(duì)多方面收集而來(lái)的數(shù)據(jù)結(jié)合考慮，統(tǒng)一分析。數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助社區(qū)管理者理清這些影響因素之間復(fù)雜關(guān)系，分析降低能源消耗和碳減排的可選路徑，以及對(duì)比它們對(duì)不同社區(qū)會(huì)產(chǎn)生的影響等。
數(shù)字孿生技術(shù)不是依靠于某一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，更大程度上，它是多項(xiàng)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與工具發(fā)展的結(jié)果，包括數(shù)據(jù)信息的采集、傳遞、管理、模擬、分析和可視化技術(shù)。
傳感器技術(shù)的應(yīng)用可以為低碳社區(qū)的建設(shè)提供實(shí)時(shí)的、精細(xì)化的設(shè)施管理和過(guò)程數(shù)據(jù)。傳感器技術(shù)經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的發(fā)展后，進(jìn)入了一個(gè)新的階段，逐步實(shí)現(xiàn)了集成化、智能化、微小型化和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)[6]。在低碳社區(qū)的創(chuàng)建中，可以根據(jù)需求，將傳感器安裝在各種各樣的用能設(shè)備單元上，比如鍋爐、電梯、暖通空調(diào)機(jī)組等，盡可能細(xì)致化地收集與這些設(shè)備相關(guān)的能耗數(shù)據(jù)、設(shè)備信息、當(dāng)前狀況等。
5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展將對(duì)低碳社區(qū)創(chuàng)建過(guò)程中的數(shù)據(jù)信息傳遞起到積極作用。物聯(lián)網(wǎng)是5G應(yīng)用的重要領(lǐng)域，通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，可以加強(qiáng)萬(wàn)物互聯(lián)的關(guān)系。例如，我們?cè)谕ㄟ^(guò)傳感器采集到數(shù)據(jù)信息之后，可以經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)部的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后借助5G網(wǎng)絡(luò)，高速地、實(shí)時(shí)地傳遞到服務(wù)器上進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和分析。除此以外，5G網(wǎng)絡(luò)也可以和更多的智能設(shè)備相結(jié)合，應(yīng)用到智能交通系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、智慧照明、智能家居等方面，從多方面促進(jìn)低碳社區(qū)的實(shí)現(xiàn)[7]。
人工智能可以在低碳社區(qū)的建設(shè)中提供更好的決策路徑。能源使用的行為與設(shè)備將不再是單純的過(guò)程，而是會(huì)成為海量的數(shù)據(jù)，為將來(lái)的決策提供基礎(chǔ)。同時(shí)，龐大的數(shù)據(jù)源意味著運(yùn)算速度與運(yùn)算量的問(wèn)題。人工智能可以分析這些龐大的數(shù)據(jù)源及其間復(fù)雜的相互依存關(guān)系，從而為決策者提供全面的、多維的思考角度。另一方面，由于人工智能的快速發(fā)展和應(yīng)用，建筑的能耗管理也將轉(zhuǎn)變?yōu)榛?dòng)的能源管理[8]，例如可以運(yùn)用人工智能技術(shù)優(yōu)化建筑中的系統(tǒng)控制，達(dá)到降低能源消耗或者提升能源使用效率的目的。
高級(jí)建模工具和動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用可以使低碳社區(qū)創(chuàng)建中的數(shù)字模型和模擬過(guò)程更加真實(shí)、準(zhǔn)確，符合實(shí)際情況。數(shù)字模型是數(shù)字孿生的核心元素。根據(jù)物理學(xué)基本原理，使用基于CAD等平臺(tái)開(kāi)發(fā)的高級(jí)建模工具，可以將建筑信息模型、能源系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)等現(xiàn)實(shí)世界的物體和行為過(guò)程在計(jì)算機(jī)平臺(tái)上真實(shí)的反映出來(lái)。然后，這些模型可以用來(lái)分析多個(gè)場(chǎng)景下可能出現(xiàn)的情況，以幫助社區(qū)改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)置。
可視化技術(shù)促進(jìn)了低碳社區(qū)建設(shè)中利益相關(guān)者的參與度，擴(kuò)大了參與范圍。建模與模擬分析在一定程度上會(huì)將各種可能性與數(shù)據(jù)形式展示出來(lái)，但是相關(guān)人員仍舊需要一定的技術(shù)背景才能理解。因此，將模擬的數(shù)值結(jié)果再以2D或3D的可視化技術(shù)展示出來(lái)會(huì)降低理解難度，打破人員的技術(shù)水平限制，為各個(gè)技術(shù)層級(jí)的用戶了解新的政策或系統(tǒng)的影響和潛力提供了有效路徑，從而提升相關(guān)人員的參與度與參與范圍。
云計(jì)算平臺(tái)為低碳社區(qū)建設(shè)中的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、運(yùn)算和管理提供了便利。在低碳社區(qū)的創(chuàng)建過(guò)程中，數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的應(yīng)用會(huì)帶來(lái)海量數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)、運(yùn)算和管理過(guò)程都對(duì)服務(wù)器提出了更高的要求。常規(guī)的解決方案, 通常采用大型高性能的服務(wù)器, 存儲(chǔ)硬件采用磁盤(pán)陣列, 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)[9]。因此，其擴(kuò)展性較差、采購(gòu)成本也較高。云計(jì)算平臺(tái)作為一種新興的計(jì)算模型，具有可靠性高、數(shù)據(jù)處理量巨大、靈活可擴(kuò)展以及設(shè)備利用率高等優(yōu)勢(shì)，在進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、模擬仿真、系統(tǒng)優(yōu)化、規(guī)劃設(shè)計(jì)和決策制定層面都具有良好的潛力，為低碳社區(qū)的建設(shè)中的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用提供了全新的解決思路。
4 結(jié)語(yǔ)
本文將碳減排的整體目標(biāo)分解到低碳社區(qū)的創(chuàng)建行動(dòng)上來(lái)，引入數(shù)字孿生技術(shù)，結(jié)合社區(qū)尺度的碳減排行動(dòng)特點(diǎn)，探討了數(shù)字孿生技術(shù)在低碳社區(qū)創(chuàng)建過(guò)程中的技術(shù)路徑與應(yīng)用點(diǎn)。后續(xù)工作擬通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目，建立一個(gè)基于數(shù)字孿生技術(shù)的低碳社區(qū)系統(tǒng)能耗監(jiān)測(cè)與優(yōu)化平臺(tái)，從平臺(tái)應(yīng)用的情況與碳減排實(shí)際效果，驗(yàn)證所提出應(yīng)用的技術(shù)可行性與正確性。
APPLICATION OF DIGITAL TWINS TECHNOLOGY IN CREATING LOW-CARBON COMMUNITIES
Abstract: Carbon reduction is of great significance to thesustainable development of cities, and community-scale carbon reductionpractices are instructive. In order to achieve the community-scale carbon reductiongoals, digital twins was introduced, and its technological path and applicationpoints in the creating low-carbon communities were discussed.
Keywords: Carbon reduction；Low-carbon communities；Digital twins
參考文獻(xiàn)(References)：
[1] United Nations World Urbanization Prospects :2018 Revision..2018
[2] 江澤民.對(duì)中國(guó)能源問(wèn)題的思考[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2008(03):345-359.
[3] GB/T 50280-1998.城市規(guī)劃基本術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 1998
[4] GB/T 50378-2019. 綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 2019
[5] 陶飛,劉蔚然,劉檢華,劉曉軍,劉強(qiáng),屈挺,胡天亮,張執(zhí)南,向峰,徐文君,王軍強(qiáng),張映鋒,劉振宇,李浩,程江峰,戚慶林,張萌,張賀,隋芳媛,何立榮,易旺民,程輝.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2018,24(01):1-18.
[6] 王瑩,毛爍.工業(yè)傳感器的發(fā)展方向[J].電子產(chǎn)品世界,2018,25(10):11-16.
[7] 施巍松,孫輝,曹杰,張權(quán),劉偉.邊緣計(jì)算:萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代新型計(jì)算模型[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2017,54(05):907-924.
[8]范犁洲.人工智能與能源產(chǎn)業(yè)[J/OL].http://kuaibao.qq.com/s/20180123G01MN800?refer=cp_1026，2018.01.23/2020.02.16
[9] 王德文,宋亞奇,朱永利.基于云計(jì)算的智能電網(wǎng)信息平臺(tái)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(22):7-12.
