面向关键基础设施保护的数字孪生框架中的污染物扩散仿真
计算工程、金融与科学
2026-02-03 v1
摘要
开发一种用于支持紧急情况下一步决策的数字孪生框架，以实现大气污染物扩散的快速预测。在离线准备阶段，对建成环境的几何结构进行有限元网格离散化，并为各种风速条件构建稳态不可压缩 Navier-Stokes 方程的降阶模型 (ROM)。随后，ROM 可在线阶段基于当前风速提供快速风场估计。为支持危机管理，结合了若干方法论构建模块。自动化的建成环境有限元网格生成与数值流动求解器能力，使能够使用输运模型中的扩散-迁移方程，对污染物扩散进行快速前向仿真。此外，集成了若干方法以解决逆问题，例如基于稀疏浓度测量的污染物源定位。此外，还将污染物扩散模型与基于连续体的人群模型耦合，以在污染物扩散紧急情况发生时，为寻求保护的人群快速且安全地提供逃生路线。本文在两个关键基础设施保护 (CIP) 测试案例中展示了这些方法的相互作用。基于模拟的真实世界交互 (测量、通信)，本文演示了完整的 Measurement-Inversion-Prediction-Steering (MIPS) 循环，包括对逆问题的贝叶斯表述。
引用
@article{arxiv.2409.01253,
title = {Contaminant Dispersion Simulation in a Digital Twin Framework for Critical Infrastructure Protection},
author = {Max von Danwitz and Jacopo Bonari and Philip Franz and Lisa Kühn and Marco Mattuschka and Alexander Popp},
journal= {arXiv preprint arXiv:2409.01253},
year = {2026}
}