Gemini 2.5在各項能力上均有明顯提升,特別是Deep Research的功能,可以快速產出一份夠水準的書面報告。不僅如此,這份報告還能進一步變成視覺化網頁,並可轉化成一段約10min的Podcast,甚至幫您出一份測驗卷!
Gemini 的Deep Research 加上NotebookLM,真的是自學者的超級利器!
視覺化網頁連結:Gemini - 防災數位孿生案例計畫
Podcast音檔連結:https://g.co/gemini/share/a591029643cf
測驗題考卷:https://g.co/gemini/share/abaecdce193d
全球數位孿生技術在防災領域的應用現況、願景與挑戰:邁向韌性智慧城市
執行摘要
數位孿生技術正成為全球防災策略的核心驅動力,透過創建物理世界的虛擬複本,實現即時監測、情境模擬與預測分析。從城市級別的綜合管理到特定災害的精準應對,數位孿生已在地震、洪水、火災及極端天氣事件等領域展現巨大潛力。其主要效益包括提升決策效率、優化資源分配、強化基礎設施韌性及加速災後復原。未來願景指向更深化的智慧城市整合、跨領域協作與以人為本的設計,以構建具有高度韌性的社會。然而,數據品質、系統整合、高昂成本、網路安全及專業人才短缺等挑戰仍需克服。本報告將深入探討各國實踐案例,剖析關鍵技術與創新,並提出政策與實務建議,以期加速數位孿生在防災領域的全面應用。
第一章:引言
1.1 數位孿生技術概述
數位孿生(Digital Twin, DT)是一種數據驅動的電腦模型,旨在創建實體物件、系統或流程的虛擬複本
在實體產品生產前,可以在虛擬環境中開發和測試想法,以了解其潛在影響;一旦這些想法進入現實世界,便可以透過將數據回饋到數位孿生中,形成一個持續改進的循環
數位孿生的關鍵在於其即時雙向互動與模擬能力。這意味著虛擬模型不僅能反映現實世界的現狀,更能預測未來可能的情境,並在無風險的虛擬環境中測試各種干預措施的有效性
1.2 防災領域的挑戰與數位孿生的潛力
全球正經歷著日益頻繁和強烈的極端天氣事件與自然災害,對關鍵基礎設施和城市運作構成巨大威脅
數位孿生技術的引入,為解決這些挑戰提供了革命性潛力
數位孿生在防災領域的潛力,不僅止於技術層面的提升,更在於其能夠促進跨部門、跨領域的協作與決策優化。它將碎片化的數據和孤立的知識整合到一個統一的虛擬平台中,打破了傳統的資訊壁壘,為「循證治理」(evidence-based governance)提供了強大工具
1.3 報告目的與結構
本報告旨在蒐集、整理並分析世界各國在防災領域應用數位孿生的實際案例、願景與構想。報告將深入探討其關鍵技術、未來趨勢,並提出所面臨的挑戰及相應的政策與實務建議,以期為推動韌性智慧城市建設提供參考。
報告結構將依循從宏觀到微觀、從現狀到未來的邏輯,首先概述全球城市級別的綜合應用,繼而細分至特定災害類型,然後深入分析支撐這些應用的關鍵技術,展望未來發展趨勢,最後總結挑戰並提出建議。
第二章:全球數位孿生防災應用案例分析
2.1 城市級別的綜合防災應用
新加坡
新加坡在數位孿生應用於城市管理和防災方面處於領先地位。其核心專案 Virtual Singapore 是一個詳細的城市級別3D數位孿生,整合了道路、建築物、公用設施和環境元素等即時數據
新加坡的 Cooling Singapore 2.0 專案利用數位孿生緩解都市高溫,透過建立城市模型,蒐集植被覆蓋率、交通模式、工業排放熱量及氣流等數據,預測不同都市計畫對氣候與溫度的影響
紐西蘭威靈頓
紐西蘭首都威靈頓建立了一個與實體城市共生的「數位孿生城市」,並在彭博基金會2021年全球市長挑戰賽中勝出
土耳其伊斯坦堡
土耳其伊斯坦堡的「防災數位孿生專案」榮獲CEB社會凝聚力獎,該地區極易受地震和洪水影響
韓國首爾與仁川
韓國首爾的「Virtual Seoul (S-Map)」以3D形式呈現整個城市,包括超過60萬棟建築物和龐大的地下基礎設施網絡
歐洲主要城市 (赫爾辛基、阿姆斯特丹、馬德里、佛羅倫斯、都柏林、雷恩)
歐洲城市在數位孿生應用方面也展現了多樣性。赫爾辛基利用數位孿生模擬交通網絡、城市發展和環境影響,促進更好的決策和永續城市發展
都柏林消防隊正在推動「應急響應數位孿生 (DTER)」專案,利用Bentley Systems的iTwin Experience建立城市景觀的雲端數位孿生
美國城市案例 (奧蘭多、卡森市、查塔努加、拉斯維加斯、鳳凰城、紐約市)
美國各級政府正開始利用數位孿生技術改善基礎設施、城市規劃和公民參與
表1:全球數位孿生防災應用案例概覽
位置/國家 | 主要災害類型/應用領域 | 具體應用/專案名稱 | 關鍵技術 | 主要效益 | 資料來源 |
新加坡 | 綜合城市管理/氣候變遷/洪水/火災 | Virtual Singapore, Cooling Singapore 2.0 | 3D建模, 即時數據, AI, IoT | 城市規劃模擬, 災害應變準備, 環境監測, 緩解都市高溫, 減少潛在損失, 優化疏散 | |
紐西蘭威靈頓 | 氣候變遷/地震 | 數位孿生城市 | 物聯網感測器, 地理空間, 3D模型 | 預見新政影響, 視覺化氣候衝擊, 促進市民參與, 探索零碳解方 | |
土耳其伊斯坦堡 | 地震/洪水 | 防災數位孿生專案 | 即時數據, AI, IoT, 3D建模, 遊戲引擎 | 增強災害韌性, 預測風險, 改善應急協調, 保護弱勢群體, 即時情境渲染 | |
韓國首爾 | 城市規劃/公共安全/基礎設施 | Virtual Seoul (S-Map) | 3D建模, 即時數據 | 基礎設施管理, 公共安全, 城市規劃 | |
韓國仁川 | 綜合城市管理/火災/交通 | 數位孿生專案 | 數位孿生平台 | 火災應變管理, 交通優化, 設施管理, 城市復興 | |
義大利 Massa | 洪水 | DT-EWS (數位孿生和早期預警支援系統) | 預測模型, 即時感測器數據, 天氣預報, 高解析度地圖 | 監測即時狀況, 模擬極端天氣, 評估洪水影響, 提供即時警報, 提升城市韌性 | |
英國 Hull | 洪水 | FLOODTWIN | 數位孿生平台, 多部門共同生產 | 水相關災害預測, 決策支援, 情境分析, 提升韌性 | |
英國 Plymouth | 海浪災害 | SPLASH | 地球觀測數據, 海浪越頂測量 | 預測海浪災害, 建立海岸預警工具, 評估波浪影響 | |
美國紐約市 | 洪水 (地鐵系統) | 數位孿生洪水風險管理 | 即時環境/結構數據, 模擬工具 | 評估結構彈性, 分析進水率, 識別高風險區段, 提升預測性維護 | |
美國伊利諾大學 | 交通網絡/洪水/颶風 | AI驅動的交通網絡數位孿生 | 圖神經網路(GNNs), 即時遙感數據, 感測器輸入 | 增強交通韌性, 優化疏散路線, 提升公共安全, 減少經濟損失 | |
美國Alvaka Networks | IT災害恢復 | 數位孿生災害恢復 | 虛擬複本, 預測性建模 | 追蹤系統性能, 預測問題, 無風險測試變更, 確保業務連續性 | |
格瑞那達 | 山體滑坡/洪水/風暴潮 | 數位孿生國家模型 | 地形光達, 高解析度影像, 3D建模 | 創建易受性地圖, 測試基礎設施影響, 洪水/風暴潮建模 | |
日本仙台 | 地震 | 地震韌性數位孿生 | 即時地震感測器數據, 城市基礎設施模型, 預測模擬工具 | 提高態勢感知, 提升決策效率, 優化緊急路線 | |
台灣AI Center | 地震 | 多維度地震防災與應變平臺, 三維災區建模與災損辨識 | 3D-GIS, UAV, LiDAR, AI影像技術 | 災損模擬, 救災資源推估, 即時災情辨識, 快速災損評估 | |
台灣桃園市 | 洪水 | 智慧防災淹水解方 | AI, 數位孿生, 物理模式, 地下室淹水決策模組 | 建立風險地圖, 提升預警能力, 系統性災後復原, 優化抽水機派遣 | |
台灣內政部國土署 | 洪水 (下水道) | 下水道水位監測系統 | AIoT, 即時水位感測器, 影像辨識 | 即時水位預警, 排水瓶頸分析, 快速調節排水系統, 降低積淹水風險 | |
台灣宇瞻科技 | 火災 (長照機構) | 物聯網火災防災解決方案 | IoT感測器, 軟體整合, 專利通報系統 | 自動偵測, 即時通報, 減少人力風險, 多元聯繫方式 | |
都柏林消防隊 | 火災應變 | 應急響應數位孿生 (DTER) | 雲端數位孿生, 數據整合, VR | 減少預案規劃時間, 即時資訊獲取, 消防員實戰訓練 |
本表格將報告第二章中分散的案例資訊進行集中、結構化的呈現,使讀者能夠一目了然地比較不同國家在不同災害類型上的數位孿生應用。它不僅能快速傳達資訊,更能透過橫向比較,幫助讀者識別全球趨勢、技術共性以及各國的獨特創新點。對於政策制定者而言,這提供了快速了解國際最佳實踐的工具,有助於其制定或調整本國的數位防災策略。
2.2 特定災害類型的數位孿生應用
2.2.1 地震韌性與應變
日本仙台
日本因頻繁的地震活動,持續推動防災創新
台灣
台灣AI Center提及數位孿生在地震防災中的應用,主要體現在「多維度地震防災與應變平臺」和「三維災區建模與災損辨識」兩個研究項目
多維度地震防災與應變平臺 整合國土測繪中心的三維建築物模型、建築物耐震屬性資料庫、斷層及敏感地質資料、防救災據點等圖資,透過3D-GIS進行視覺化呈現
三維災區建模與災損辨識 利用無人航空載具 (UAV) 和光學雷達 (LiDAR) 蒐集三維空間資訊,透過電腦視覺技術對災區影像進行二維與三維的快速災損評估,有助於迅速了解建物災損並進行震損分類(如紅黃單)
國際研究合作案例
波士頓大學與日本東北大學合作,透過一項為期三年、耗資100萬美元的國際研究合作計畫,創建「災害數位孿生」城市,以提升現實世界的社區韌性
2.2.2 洪水與水患管理
義大利 Massa
義大利Massa應用SCORE專案的數位孿生和早期預警支援系統(DT-EWS)於洪水管理
關鍵技術 DT-EWS結合預測模型與來自感測器和天氣預報的即時數據
英國 Hull
英國研究與創新局(UKRI)資助的FLOODTWIN專案,由赫爾大學領導,將為赫爾和東約克郡地區建立一個用於水相關災害預測和決策的數位孿生,該地區受水文氣象災害(如洪水)嚴重影響
城市洪水數位孿生框架 (鄭州與倫敦)
一項研究提出了城市洪水數位孿生(UFDT)系統框架,並在中國鄭州和英國倫敦進行了應用和評估,以展示其在不同空間尺度(城市、區域和街道層面)下的可行性
概念模型 UFDT概念模型支持動態同步、構建、模擬、修改和交互的原則,包含連接層、數據層、虛擬層、應用層及物理與利害關係人層
應用方面 實驗設計考慮了城市密度差異,並提供物理上合理且直觀的解釋,適用於模擬和預測區域洪水趨勢、潛在危險區域和範圍,並協助用戶部署和規劃區域人員和資源
台灣桃園市與內政部國土署
台灣桃園市運用AI與數位孿生技術解決淹水問題,發展三大重點:建立風險地圖(模擬極端情境、淹水深度)、提升預警能力(AI提前部署防災機組)、系統性災後復原(結合地下室資訊、推算災害程度、派遣抽水機)
內政部國土署推動下水道水位監測系統,導入AIoT技術,提供即時水位預警、排水瓶頸分析與都市防汛操作依據
紐約市地鐵系統
一項研究利用數位孿生技術模擬洪水情景,評估紐約市地鐵系統在不同洪水強度下的結構彈性
2.2.3 火災安全與應變
智慧建築與消防員訓練
數位孿生在消防安全中,可模擬火災行為(火焰和煙霧蔓延),識別潛在火災危險(電氣系統過熱、易燃材料),並優化虛擬應急響應路線
西門子(Siemens)的Fire Digital Twin™ 軟體可以虛擬模擬整個火災警報系統,包括控制面板、轉發器、電源和所有周邊設備
長照機構火災預防 (台灣宇瞻科技)
台灣宇瞻科技利用物聯網技術在長照機構進行火災防災,旨在解決照護人力不足導致的風險死角
2.2.4 氣候變遷與極端天氣事件預測
全球氣象數位孿生
Nvidia Earth-2 和歐盟委員會的DestinE專案都利用AI驅動的數位孿生預測天氣災害,特別是颱風
英國環境科學相關專案
英國研究與創新局(UKRI)資助的數位孿生試點專案,旨在利用地球觀測數據和數位孿生技術轉變環境科學,重點領域包括氣候變遷、生物多樣性與生態系統以及自然災害
專案案例
SyncED-Ocean:由普利茅斯海洋實驗室領導,開發沿海海洋生態系統數位孿生,結合衛星地球觀測和海洋自主機器人數據,提高有害藻華(HABs)及其對海洋氧氣濃度影響的預測能力
21 。SPLASH:由普利茅斯大學領導,創建海浪越頂的數位孿生,建立海岸預警工具,預測海浪災害,並分析沿海波浪場和海浪越頂測量數據
21 。
英國的環境科學專案顯示,數位孿生在防災領域的應用正從單一災害預測,拓展到「生態系統健康」和「生物多樣性」的保護。這表明防災的範疇正在擴大,將環境保護和生態韌性納入考量,從而實現更全面的「地球健康」管理。
台灣國家災害防救科技中心 (NCDR)
台灣國家災害防救科技中心(NCDR)積極投入人工智慧(AI)在氣象預警的應用,旨在提高預警的準確性和即時性
2.2.5 其他災害與關鍵基礎設施韌性
交通網絡韌性 (伊利諾大學)
伊利諾大學開發了AI驅動的數位孿生,以增強交通網絡的韌性,特別是應對極端天氣事件如洪水和颶風對關鍵基礎設施的影響
IT災害恢復 (Alvaka Networks)
Alvaka Networks 利用數位孿生技術增強IT災害恢復計畫,透過建立IT基礎設施的虛擬複本(網絡、數據中心、關鍵技術資產)
山體滑坡預防 (格瑞那達)
格瑞那達利用地形光達和高解析度影像,大規模創建了一個數位孿生,精確描繪了道路、建築物、電線、溪流和植被等
第三章:數位孿生在防災領域的關鍵技術與創新
3.1 即時數據整合與物聯網 (IoT)
數位孿生的核心在於其能夠整合來自多種來源的即時數據,包括物聯網(IoT)感測器、地理空間數據、建築資訊模型(BIM)和歷史記錄等
即時數據的「多樣性」和「高頻率」是數位孿生從靜態模型轉變為動態預測的基礎。這不僅提升了防災響應的速度和準確性,更為城市管理者提供了前所未有的「態勢感知」能力,使其能夠在災害發生前或初期就掌握全面的資訊,從而實現更精準的「預防性干預」。例如,威靈頓的數位孿生整合了遍布城市的物聯網感測器、地理空間、基礎設施、建築、交通、污染、溫度、天氣等數據
3.2 人工智慧 (AI) 與機器學習 (ML) 的賦能
AI和ML是數位孿生預測分析能力的核心驅動力
生成式AI(GenAI)的整合進一步豐富了數位孿生,提升其預測能力並模擬更真實、互動的情境,甚至能夠創建合成數據以模擬廣泛的潛在結果
3.3 3D建模、地理資訊系統 (GIS) 與建築資訊模型 (BIM)
3D建模是數位孿生的基礎,用於創建整個城市、基礎設施或建築物的虛擬複本
3D、GIS和BIM的融合,使得數位孿生能夠在「不同尺度」和「不同專業領域」之間無縫切換,從城市宏觀規劃到建築微觀設計,再到地下管線的精細管理。這種「多尺度、多維度」的整合能力,是實現全面防災管理和城市韌性的關鍵,它打破了傳統規劃和工程領域的界限。例如,Virtual Singapore是一個廣泛的3D數位孿生
3.4 模擬、預測分析與虛擬實境 (VR)
數位孿生能夠透過模擬各種情境來預測潛在的災害影響,例如颶風、地震、火災或工業事故
虛擬實境(VR)與數位孿生結合,為消防員和應急人員提供逼真的、無風險的訓練環境
3.5 地球數位孿生概念與其影響
地球數位孿生概念代表了數位孿生技術應用的最高層次,從局部系統擴展到全球系統。Nvidia Earth-2 和歐盟委員會的DestinE專案都利用AI驅動的數位孿生預測天氣災害,特別是颱風
這種全球尺度的模擬,遠超出了單一城市或國家的能力,反映出對氣候變遷和極端天氣這種「全球性公共財」問題的認識。台灣中央氣象署(CWA)部署Earth-2的案例,也說明了即使是國家級氣象機構,也需要依賴全球性的數位孿生平台來提升其預警能力
第四章:挑戰與未來展望
4.1 主要挑戰
儘管數位孿生在防災領域展現出巨大潛力,但在其廣泛應用和普及過程中仍面臨多重挑戰:
數據複雜性與品質:數位孿生的基礎是數據,但這些數據必須精確、及時且格式可訪問
41 。管理來自多個來源的數據複雜性並確保其品質是一項艱鉅的任務41 。在災害情境下,數據來源的可用性可能因通訊網絡損壞、停電、系統超載或感測器故障而受到嚴重限制42 。系統整合與互操作性:數位孿生並非孤立實體,它們必須與現有技術和系統整合
41 。這種整合通常涉及將新軟體與未設計為相互通訊的傳統系統結合,這帶來了顯著的挑戰17 。確保不同平台、設備和數據源之間的互操作性對於無縫運行至關重要17 。技術專業知識與人才短缺:數位孿生的應用存在嚴峻的學習曲線
41 。尋找或培訓熟悉這些系統創建和操作複雜性的人員非常困難,導致專業人才的短缺41 。成本與投資回報:實施數位孿生需要大量投資於訓練和新技術
41 。企業和政府機構經常難以獲得預算批准,評估投資回報,並證明其高昂的費用41 。例如,全球氣象數位孿生專案(如Earth-2和DestinE)成本高昂,可能導致較小組織或較不富裕國家難以實現類似成果,進而產生「數位鴻溝」33 。網路安全與隱私:隨著連接性增強,網路安全風險也隨之增加
41 。確保數位孿生的安全性以及機密信息的保護是企業和政府面臨的關鍵問題17 。文化阻力與制度適應:變革往往會遇到阻力
41 。在內部,那些習慣於更傳統方法的人可能會抵制數位孿生等新技術的引入41 。此外,將數位孿生整合到現有城市治理結構中,需要機構層面的適應和能力建設6 。可擴展性與長期維護:雖然從小規模開始實施相對容易,但將數位孿生軟體擴展到整個組織或多個產品可能具有挑戰性
41 。擴展會帶來資源管理和一致性的挑戰41 。同時,數位孿生需要持續的維護才能保持其準確性和實用性,這種長期承諾可能很困難,特別是當業務需求和技術不斷變化時41 。
4.2 未來趨勢與願景
儘管面臨挑戰,數位孿生在防災領域的發展前景廣闊,以下是幾個關鍵的未來趨勢與願景:
智慧城市深度整合:數位孿生將成為綜合城市管理的核心,不僅限於防災應變,更將整合交通、能源、環境監測、公共服務等各種城市功能
6 。它將作為城市運營的「神經中樞」,實現更高效、更永續的城市管理。跨領域協作與開放平台:隨著技術的成熟,公私部門、學術界之間的合作將更加緊密
19 。開放數位孿生程式碼(如威靈頓的案例13 )和推動開源部署(如伊利諾大學的倡議5 )將加速技術普及和創新,降低導入門檻,促進全球範圍內的城市韌性建設。人本設計與社會韌性:未來的數位孿生應用將更加注重「人」的因素,特別是弱勢群體的需求
29 。透過整合以人為本的數據,數位孿生將幫助制定更具包容性和公平性的防災策略,提升社區的整體社會韌性8 。複合型災害與級聯效應模擬:隨著氣候變遷導致複合型災害(如地震引發海嘯、強降雨導致山體滑坡與城市內澇)日益頻繁,數位孿生將發展出更強大的能力來模擬關鍵基礎設施之間的複雜相互依賴關係和級聯效應
3 。這將使決策者能夠預見並應對更複雜的災害情境。AI與GenAI的持續進化:人工智慧,特別是生成式AI,將持續賦能數位孿生,使其能夠自主生成災害情境、優化應對策略,甚至在數據不足的情況下合成數據進行模擬
39 。這將推動防災從「數據驅動」邁向「智慧驅動」,實現更高層次的預測和決策能力。全球協作與地球級別模擬:地球數位孿生(如Nvidia Earth-2和歐盟DestinE)的發展,預示著未來防災將從國家層面協調走向全球協作
33 。這將使人類能夠更有效地應對超越國界影響的全球性氣候危機和極端天氣事件,共同構建一個更具韌性的地球。
第五章:結論與建議
5.1 結論
數位孿生技術已在全球防災領域展現出革命性的潛力與應用廣度。從新加坡、威靈頓、伊斯坦堡等城市的綜合管理平台,到日本仙台的地震韌性、義大利Massa的洪水預警,以及台灣在地震、洪水和火災預防上的精細化應用,數位孿生正將防災策略從被動響應轉變為主動預防、精準應變和智慧復原。其核心價值在於整合海量即時數據、運用AI/ML進行預測分析、透過3D建模和GIS/BIM實現多尺度可視化,並結合VR提供沉浸式訓練。地球級別數位孿生的興起,更將防災視野擴展至全球氣候變遷的宏觀應對。數位孿生不僅提升了決策效率和資源分配,更強化了基礎設施韌性,並促進了跨領域的協作與創新。
然而,這項技術的全面推廣仍面臨數據品質、系統整合、高昂成本、網路安全、專業人才短缺以及文化制度適應等多重挑戰。克服這些障礙將是未來實現韌性智慧城市的關鍵。
5.2 政策與實務建議
為加速數位孿生技術在防災領域的全面應用,本報告提出以下政策與實務建議:
建立國家級數位孿生戰略:政府應制定清晰的國家級數位孿生發展戰略,明確其在防災領域的定位、目標和實施路徑
9 。這應包括提供充足的資金投入、政策支持和法律框架,以引導技術研發、應用示範和產業生態系統的形成。強化數據基礎設施與標準化:投資建設高質量、多源、即時的數據採集基礎設施,並建立嚴格的數據治理框架,確保數據的準確性、一致性和安全性
41 。同時,推動數據格式和互操作性標準的制定,以促進不同系統和平台之間的無縫數據流動和整合。培育跨領域人才:針對數位孿生、人工智慧和防災管理領域的複合型人才短缺問題,應加強教育和培訓投入
41 。鼓勵大學開設相關專業課程,並推動在職人員的技能提升計畫,培養具備技術開發、數據分析和災害管理實務知識的專業隊伍。促進公私部門與學術界合作:鼓勵政府、企業和學術研究機構之間建立緊密的合作夥伴關係
5 。透過共同設計、聯合研發和開放源碼等模式,匯聚各方專長和資源,加速技術創新和應用推廣,例如威靈頓開放程式碼的模式值得借鑒13 。推動試點專案與分階段實施:鑒於數位孿生技術的複雜性和高成本,建議從高影響、可量化的試點專案開始
19 。透過小規模的成功案例,驗證技術可行性、展示實際效益,並逐步積累經驗和能力,為後續的大規模推廣奠定基礎。重視倫理與社會影響:在數位孿生系統的設計和部署過程中,應充分考慮數據隱私、倫理規範和社會公平性
6 。特別是關注弱勢群體的需求,確保防災解決方案的包容性,並透過透明的溝通機制,提升公眾對數位孿生應用的信任和參與度。
沒有留言:
張貼留言