摘 要:現代社會的應急治理不僅需要在危機發(fā)生之后的快速響應，更需要危機發(fā)生前的預測和預防，這就要求對可能發(fā)生的突發(fā)危機事件預先作出研判，制定有效應對各種情況的預案，并且對可能出現的危機預先采取措施，防止危機的發(fā)生。利用最新信息技術，我們可以在數字空間也就是虛擬空間中構建與真實物理世界相對應的數字孿生系統(tǒng)，通過在數字孿生系統(tǒng)中對真實的應急治理系統(tǒng)進行模擬、驗證和優(yōu)化，可以提高真實系統(tǒng)對未知和潛在危機事件的應對能力，改善真實系統(tǒng)的預測性和預防性，促進應急治理現代化。

關鍵詞:應急治理 數字孿生技術 高性能計算 人工智能

【中圖分類號】TP18 【文獻標識碼】A

習近平總書記在2019年11月29日中共中央政治局就我國應急管理體系和能力建設進行的第十九次集體學習時指出：“應急管理是國家治理體系和治理能力的重要組成部分，承擔防范化解重大安全風險、及時應對處置各類災害事故的重要職責，擔負保護人民群眾生命財產安全和維護社會穩(wěn)定的重要使命。要發(fā)揮我國應急管理體系的特色和優(yōu)勢，借鑒國外應急管理有益做法，積極推進我國應急管理體系和能力現代化。”黨的二十大報告指出，要完善國家應急管理體系，“提高防災減災救災和危難險重突發(fā)公共事件處置保障能力，加強國家區(qū)域應急力量建設”。深刻領會習近平總書記重要講話和黨的二十大報告精神，需要將應急管理體系放在國家安全體系和能力現代化的總體性框架下，深入思考中國實現應急治理現代化的道路和手段，以新的思路推進應急治理現代化進程。

現代社會需要高水平的應急治理

應急治理是國家治理的重要組成部分，是現代社會穩(wěn)定的基礎。傳統(tǒng)上，應急管理是指管理者對于外因或者內因引發(fā)的突發(fā)危機事件作出反應，降低事件造成的損害，保護人民生命財產安全，維護社會的安全穩(wěn)定。造成突發(fā)危機事件的外因多種多樣，首先是自然災害，例如地震、水災、火災、旱災、蟲災等災害的發(fā)生；其次是由于管理疏漏或群體性行為失控而造成，例如重大傳染疾病的暴發(fā)和傳播、危險品的泄露、重大交通事故、重大生產安全事故、人群聚集性踩踏事件等，最極端的情況是戰(zhàn)爭的爆發(fā)。此外，也有很多突發(fā)危機事件是由社會內因產生的，例如一些人受到境內外敵對勢力煽動，人為地制造危機，造成社會的動蕩和混亂，這方面的例子包括人為煽動和引導重大輿情、制造和散布謠言、投毒、縱火、爆炸，等等。

現代社會的應急治理不僅需要在危機發(fā)生之后的快速響應，更需要危機發(fā)生前的預測和預防，這就要求對可能發(fā)生的突發(fā)危機事件預先作出研判，制定有效應對各種情況的預案，并且對可能出現的危機預先采取措施，防止危機的發(fā)生。預測預防性的應急治理不僅需要管理體系上的變革，也需要現代信息技術的支持。

現代社會享受著科學技術發(fā)展所帶來的便利，同時也十分脆弱。與傳統(tǒng)農耕社會相比，現代社會人口高度聚集，大城市的人口不斷攀升，人口密度不斷增大，像北上廣深這樣的超一線城市，龐大的人口基數使基礎設施承受巨大壓力。今天，人們的衣食住行高度依賴現代基礎設施，例如電網、供水網、交通網、通信網、醫(yī)療設施、物流體系等，進行生活必需品的供給與分發(fā)。在突發(fā)危機事件發(fā)生時，其中一個環(huán)節(jié)出問題，就會產生連鎖反應，影響整個社會的正常運行。例如，2023年7月底在北京、河北發(fā)生的超歷史記錄的強降雨引起山洪爆發(fā)，沖垮了鐵路路基，逼停了距京僅幾十公里的列車，通信基站被沖毀，通信中斷，手機不能使用，給現場救援帶來很大的困難。雖然政府和當地群眾全力救援，列車上上千旅客還是在艱苦的條件下被滯留3天3夜。又如，2021年夏天鄭州發(fā)生的洪災破壞了電力系統(tǒng)，停電又使加油站、商店的收費系統(tǒng)無法使用，致使信用卡支付、手機支付等都無法使用，造成有錢也無法加油、無法購物的窘境?；ヂ?lián)網對危機起著催生和放大的作用，不法分子利用互聯(lián)網，隱匿真實身份，操縱輿情，散布謠言，實施詐騙，對社會穩(wěn)定和人民財產安全帶來巨大損害。人工智能的最新發(fā)展即基于人工智能的內容生成（AIGC）又給網上信息真?zhèn)蔚蔫b別帶來新的挑戰(zhàn)，成為社會穩(wěn)定的新風險。因此，現代社會中“黑天鵝”事件層出不窮，牽一發(fā)而動全身的蝴蝶效應難以甚至不可預見，這就要求更加周全、科學的政策制定和精準、高效的治理手段。

中國在應急治理方面有著豐富的歷史經驗和較為完善的體制。這首先歸功于完善的層次式管理體制和管理機構。中國政府有很強的執(zhí)行力，從中央政府、各級地方政府，一直到街道和社區(qū)的辦事機構，嚴密的治理體系保證了政令暢通、措施到位。另外，中國的人民群眾有很強的集體意識，識大體，顧大局，當災難來臨時更能體現出群眾的覺悟和力量。這方面的例子不勝枚舉，例如1998年的洪災、2008年的汶川地震、2003年的“非典”突發(fā)和過去三年的新冠疫情大流行，正是中國政府的治理能力和中國人民的同心協(xié)力使我們得以度過危機。但是，我們也必須清醒地看到，社會和自然環(huán)境在不斷變化，新形式的危機層出不窮，單憑歷史經驗不足以應對。依靠老經驗拍腦袋的決策機制、不切實際的粗放治理模式，難以應對快速、持續(xù)變化的環(huán)境和社會。因此，應急治理必須實現現代化，而應急治理的現代化呼喚機制和手段的變革和創(chuàng)新。

應急治理模式和應急治理組織機制的匹配，應急治理需求和應急治理技術手段的統(tǒng)一，是應急治理現代化的基本要求?，F代化的應急治理有其鮮明特性，首先是應變性，要能對不斷變化的環(huán)境和危機形式作出反應，動態(tài)調整應對的策略；其次是快速性，要能對危機作出快速響應，防止危機擴散，減少危機帶來的損失；第三是精準性，要能準確判斷危機的來源和波及的范圍，科學精準地予以應對；第四是演進性，要能不斷評估應急治理的效果，對應急治理的機制作出持續(xù)的改進。

應急治理現代化需要最新信息技術手段的支持

讓我們看一下當前應急治理系統(tǒng)規(guī)劃、實現和使用的一般過程。一個特定的應急治理系統(tǒng)的設計與部署涉及以下步驟：首先對相關領域的應急治理需求進行分析，規(guī)劃特定應急治理系統(tǒng)的功能；在此基礎上，完成該應急治理系統(tǒng)的設計與實現；然后部署該應急治理系統(tǒng)，投入實際運行。一個特定的應急治理系統(tǒng)的運行包含以下過程：一是感知危機事件的發(fā)生及其發(fā)展態(tài)勢；二是對危機事件的性質和發(fā)展態(tài)勢進行分析，管理者根據事件性質和發(fā)展態(tài)勢作出決策并付諸行動；三是在危機事件過后對治理的效果進行評估；四是將評估結果反饋給應急管理者和應急治理系統(tǒng)設計者，對系統(tǒng)進行改進。

分析上述現行應急治理系統(tǒng)設計實現和運行的過程我們可以看出，系統(tǒng)的開發(fā)費時費力，高度依賴開發(fā)者的經驗；系統(tǒng)的功能相對固化，一旦實現，改進和優(yōu)化都比較困難。其次，對系統(tǒng)的改進和優(yōu)化是離線進行的，過程很緩慢。更為嚴重的問題是，系統(tǒng)的設計和評估是基于已經發(fā)生過的危機事件完成的，對于未曾發(fā)生但是可能發(fā)生的潛在危機事件，其應對功能的設計只能憑想象和推測，有相當的主觀性。而且，對于從未發(fā)生過的潛在危機事件，根本談不上對其應對功能的評估和改進，這是在現行系統(tǒng)開發(fā)和運行機制下不可能完成的任務。

現代化的應急治理還要實現從對危機的響應到對危機的預測和預防的轉變，防患于未然，變被動為主動，從事后降低損失到事先避免損失。

根據上述對應急治理系統(tǒng)設計和運行現狀的分析，以及現代化應急治理對預測性和預防性的要求，可以看出，必須采用最新的信息技術，發(fā)展和改造應急治理系統(tǒng)，才能適應應急治理現代化的要求。

最新的信息技術如網絡、無線通信、大數據、高性能計算、人工智能是實現應急治理現代化的基本手段。全面覆蓋社會各個角落的網絡與通信系統(tǒng)可以高效、不失真地傳輸危機事件信息，保證管理者掌握危機態(tài)勢。利用大數據技術可以感知危機事件來源，獲得全方位的危機事件信息。高性能計算是分析決策的重要手段，通過基于高性能計算的數值模擬，可以科學地規(guī)劃應急治理系統(tǒng)，優(yōu)化應急響應模型，對應急治理的決策提供支持。利用人工智能技術可以全面地綜合歷史經驗和現實情況，更精準地應對危機。

利用最新信息技術，我們可以在數字空間也就是虛擬空間中構建與真實物理世界相對應的數字孿生系統(tǒng)，通過在數字孿生系統(tǒng)中對真實的應急治理系統(tǒng)進行模擬、驗證和優(yōu)化，提高真實系統(tǒng)對未知和潛在危機事件的應對能力，改善真實系統(tǒng)的預測性和預防性，支持應急治理現代化。

支持應急治理現代化的數字孿生系統(tǒng)

數字孿生是一種融合物理建模、數據采集、數值模擬和分析優(yōu)化的多學科綜合性技術，在產品設計、產品制造、工程建設中已經得到廣泛應用。通俗地講，數字孿生就是用軟件在計算機中實現物理世界真實對象的映像即虛擬的數字對象。數字孿生力求精準地反映與之對應的物理對象的特征。通過調節(jié)、改變數字孿生的參數，快速靈活地獲得它在各種輸入條件組合下的動作行為，從而理解并預見數字孿生所對應的真實物理對象的特征和行為。

在應急治理的應用場合使用數字孿生技術，首先要在數字空間（即計算機）中建立所研究的應急治理系統(tǒng)模型，然后發(fā)展算法和計算機軟件去實現這個模型。在運行時，使用采自真實世界的數據或者保存的歷史數據激勵數字孿生系統(tǒng)模型，得到模型的輸出，即應急治理系統(tǒng)產生的動作及其效果。在數字孿生系統(tǒng)中，由于可以靈活地對模型的參數進行調整，甚至對模型進行修正，因此可以得到盡可能好的危機應對策略。數字孿生技術不僅可以支持應急系統(tǒng)的運行，也可以支持應急系統(tǒng)的規(guī)劃和開發(fā)。通過快速地遍歷各種輸入組合，可以快速地規(guī)劃應急治理系統(tǒng)的功能，并在實現過程中動態(tài)地予以驗證。

建立一個應急治理系統(tǒng)的數字孿生的步驟如下：第一，在數字空間建立（或修正）應急治理系統(tǒng)的模型，在計算機中用軟件實現；第二，用一組歷史數據或真實數據驅動模型，獲得相應的應對策略；第三，在數字孿生系統(tǒng)中實施應對策略，獲得實施策略的效果；第四，即時評估應對策略的效果，如果不理想，可以回到步驟一，修正模型或者調整模型參數，否則對應該組輸入的處理結束。以上模型修正和策略優(yōu)化的步驟可以反復迭代，遍歷所有輸入條件的組合，直至獲得滿意的結果。

物理世界的真實系統(tǒng)僅能對已發(fā)生的事件作出反應，一個應急治理系統(tǒng)的數字孿生可以全面覆蓋各種危機事件場景，可以對不常出現或者尚未出現過的危機事件形成應對預案。首先，數字孿生系統(tǒng)可以通過模擬，揭示危機事件的發(fā)展態(tài)勢和走向，為預測性、預防性應急治理提供手段。其次，數字孿生系統(tǒng)可以動態(tài)地評估系統(tǒng)對危機事件的應對策略，優(yōu)化應急治理的各種預案。最后，由于數字孿生可以接受動態(tài)采集到的真實世界數據作為輸入，因此，數字孿生系統(tǒng)可以和真實應急治理系統(tǒng)平行運行，成為真實系統(tǒng)的一個鏡像和比對參照物。通過比對數字孿生系統(tǒng)產生的應對策略及其效果，為真實系統(tǒng)的科學決策提供支持。

應急治理系統(tǒng)及其數字孿生的主要信息技術元素

傳感器。傳感器是感知客觀環(huán)境，捕捉所關注的事件的基本單元。根據所感知的對象的性質，可將傳感器分為物理傳感器和信息傳感器。物理傳感器可以感知到物理量的變化，比如溫度、速度、加速度、氣流速度、水流速度、水位、水質、空氣污染物、病毒等?；谖锢韨鞲衅魉鶎崿F的檢測裝置多種多樣，小到火災檢測裝置、污染物檢測裝置，大到衛(wèi)星對地觀測、海洋傳感器等。信息傳感器專門用于檢測網絡空間所發(fā)生的事件，例如互聯(lián)網上的熱門話題、重大輿情、社會熱點等。信息傳感器的表現形式是軟件，如輿情分析軟件。

網絡。網絡是快速可靠地傳輸危機事件相關數據的載體。與傳感器類似，根據傳輸的事件類型可以將網絡分為物理網絡和社交網絡。物理網絡包括全覆蓋、高滲透的互聯(lián)網、無線通信網和物聯(lián)網。這些網絡覆蓋各個角落，實現數字和語音、移動和固定、天地海、多模態(tài)、全方位的通信和傳輸。網絡實例包括專用集群通信網、移動互聯(lián)網、移動通信網，衛(wèi)星通信和天地一體化網絡、海上通信網、水下通信網等。社交網絡可以準確反映被關注人群中個體的特征以及個體間的相互關系及關聯(lián)程度，利用社交網絡可以準確定位關鍵節(jié)點和人物，分析和掌握熱點事件的傳播規(guī)律。

大數據。大數據存儲和訪問是應急治理的基礎。應急治理要求對多種來源的多模態(tài)時序數據進行高效的組織、存儲和訪問，涉及的數據類型包括各種物理量的測量數據，包括文字、圖形、圖像、視頻和語音等形式的數據。對這些多源、多模態(tài)的時序數據的存儲和訪問通常涉及多媒體數據庫、空間數據庫、時間序列數據庫、非結構數據文件系統(tǒng)等的混合使用。在地域分布的應用場合，還涉及數據的分布式存儲，要解決數據的更新、同步和一致性維護，以及數據的分級和緩存等問題。大數據的分析是指從大數據和數據的關聯(lián)關系中發(fā)現規(guī)律，識別危機事件的閾值、拐點，為應急治理的科學決策提供依據。

高性能計算。高性能計算是實現數字孿生和應急治理現代化所需要的核心能力。首先，數字孿生系統(tǒng)是構建在計算機中的虛擬現實系統(tǒng)，其基礎是數值模擬，離開高性能計算，就談不上數字孿生系統(tǒng)。數字孿生模型的建立、危機事件數據的處理、危機事件態(tài)勢分析、應急治理的決策支持、治理效果的評估等都依賴于計算?？茖W決策來源于對物理世界的精細模擬，模擬的精度和分辨率越高，越需要強大的算力。此外，應急治理系統(tǒng)是典型的多層次分布式系統(tǒng)，為了平衡計算和網絡傳輸的性能，還需要云/邊/端算力的協(xié)同。端側算力可對感知的事件數據做初步處理；局部性的應對策略可由邊緣算力完成，提高響應速度；而全局性的決策可由云端算力綜合整體態(tài)勢作出。因此，應急治理要充分利用由國家超算/區(qū)域超算/部門超算所構成的國家高性能計算環(huán)境的算力。

人工智能。人工智能技術在應急治理現代化中大有作為。首先，在發(fā)展真實應急治理系統(tǒng)及其數字孿生時需要建立與客觀世界相匹配的模型，在這方面，采用深度學習技術，基于歷史大數據訓練應急治理系統(tǒng)模型是行之有效的方法。其次，基于人工神經網絡的快速推理能力可以實現危機態(tài)勢的實時分析，快速作出危機響應的決策。此外，通過人工神經網絡模型的持續(xù)迭代和演化，可以不斷優(yōu)化應急治理的決策。從人工智能的實踐和發(fā)展趨勢可以看出，各種智能無人裝備在應急救援中將發(fā)揮不可替代的作用。無人系統(tǒng)將代替人去執(zhí)行危險的、難以完成的任務，減少救援人員和裝備的損失。因此，機器人、無人車、無人機、無人船將在應急救援中扮演極其重要的角色。同時，無人系統(tǒng)之間的協(xié)同、無人系統(tǒng)和人之間的協(xié)同，也是決定應急救援成敗的關鍵因素。

為了滿足不同領域的應急治理系統(tǒng)及其數字孿生的開發(fā)運行的需要，需要基于上述信息化元素構建應急治理數字孿生支撐平臺。數字孿生支撐平臺需要實現傳感、網絡、算力、數據、智能資源的集成、調度和高效使用，支持真實應用系統(tǒng)及其數字孿生的高效同步開發(fā)、部署和運行。由于數字孿生是軟件再現的物理世界，因此，發(fā)展相關的算法和軟件是應急治理數字孿生實現的關鍵。在支撐平臺的支持下，真實的應急治理應用系統(tǒng)可以和其數字孿生同步開發(fā)，在開發(fā)過程中就可以利用數字孿生系統(tǒng)對真實系統(tǒng)的功能進行規(guī)劃、驗證和優(yōu)化。為此，支撐平臺要提供應急治理系統(tǒng)所需要的典型模型、基礎算法和工具集、基礎應用軟件模塊、應用開發(fā)和驗證環(huán)境以及測試、評價與優(yōu)化的基準和手段。

應急治理數字孿生系統(tǒng)的發(fā)展步驟

應急治理所針對的人類社會是一個極其復雜的巨系統(tǒng)，因此，其數字孿生系統(tǒng)的開發(fā)也不可能一步到位，只能由點到面，由個別到一般，循序漸進地開展。

應急治理數字孿生系統(tǒng)的開發(fā)可以從某個領域、某個子物理空間入手，先建立領域或子空間的數字孿生系統(tǒng)，在取得經驗的基礎上，逐步擴大范圍，連接已經開發(fā)的領域或子空間的數字孿生系統(tǒng)，使孤立的系統(tǒng)之間發(fā)生相互作用，最終形成更大范圍的數字孿生系統(tǒng)。為此，必須做好頂層設計，注重標準化、兼容性工作，使獨立開發(fā)的各個領域和子空間的數字孿生系統(tǒng)能夠互聯(lián)互通，逐漸擴大覆蓋范圍，最終形成人類社會的完整數字空間映像。

由于數字孿生是真實世界在數字空間中的映射，為提高數字孿生的精確性和真實性感受，發(fā)展虛實融合的虛擬現實技術非常重要，真實世界和數字孿生系統(tǒng)相互融合的增強現實技術，人在回路中的模擬技術，等等，都能提高數字孿生的真實程度和危機應對策略及措施的有效性，必須予以特別關注。

應急治理的現代化是一項長期任務，不可能一蹴而就，受技術、人才、經費的限制，數字孿生的開發(fā)工作也不可能一下就全面鋪開，要通過典型引路，分步推進實施。要選擇若干關鍵領域進行試點，先行一步，積累經驗。根據對現狀的調研分析以及需求的緊迫程度，可以考慮在以下領域先行開展基于數字孿生的應急治理試點工作。

水災防治：在重點大江大河流域，建立包括氣象、降水量、地形地貌、植被覆蓋、水庫庫容、江河流量、排洪蓄洪、人員疏散、搶險物資運輸等多種因素在內的水災綜合防治系統(tǒng)，降低重大水災造成的危害。

污染防治：在重點區(qū)域，建立包括污染物識別、污染源檢測定位、污染物傳播路徑及其控制、污染相關氣象條件、重大污染突發(fā)時的人員疏散、污染物中和與清除等在內的重大污染事件應急響應系統(tǒng)。

突發(fā)重大傳染病防控：建立包括突發(fā)重大傳染疾病源頭定位、疾病傳染和傳播機制識別、隔離方案、疫苗研發(fā)與接種、藥物分配與供應、生活必需品分發(fā)等在內的重大傳染病防控系統(tǒng)。

互聯(lián)網重大安全事件控制與處置：建立包含互聯(lián)網環(huán)境下輿情分析、熱點話題識別、謠言傳播渠道識別及阻斷、關鍵網絡節(jié)點和人物定位、辟謠形式與手段等在內的互聯(lián)網重大安全事件管控系統(tǒng)，防止網絡重大安全事件對社會穩(wěn)定造成危害。

大城市突發(fā)危機事件應對：建立在自然災害、人造危機甚至戰(zhàn)爭條件下，大城市的應急響應體系和系統(tǒng)，包括危機源早期識別和預警、城市基礎設施的防護和降級運行、城市人口的疏散、城市基本生活條件的保障、傷病人員的救護等，最大限度降低突發(fā)危機事件對人民生命財產造成的損失。

結語

應急治理是國家治理體系的重要組成部分，應急治理現代化是一項長期的任務，既需要管理體制和機制上的變革，也需要最新技術手段的支持。要使信息技術真正在應急治理中發(fā)揮支撐作用，信息技術領域的科技人員必須和相關管理部門密切合作，深入理解應急治理的內涵，調研應急治理的現狀，發(fā)現和理解當前應急治理存在的問題，這樣才能有的放矢地研究和提供有助于解決問題的技術。我們期望，綜合了最新信息技術的數字孿生系統(tǒng)在應急治理現代化的進程中能夠發(fā)揮應有的重要作用。

【本文作者為中國科學院院士、北京航空航天大學計算機學院教授】

參考文獻

[1]《習近平在中央政治局第十九次集體學習時強調 充分發(fā)揮我國應急管理體系特色和優(yōu)勢 積極推進我國應急管理體系和能力現代化》，《人民日報》，2019年12月1日。

責編：周素麗／美編：石 玉