摘 要:现代社会的应急治理不仅需要在危机发生之后的快速响应，更需要危机发生前的预测和预防，这就要求对可能发生的突发危机事件预先作出研判，制定有效应对各种情况的预案，并且对可能出现的危机预先采取措施，防止危机的发生。利用最新信息技术，我们可以在数字空间也就是虚拟空间中构建与真实物理世界相对应的数字孪生系统，通过在数字孪生系统中对真实的应急治理系统进行模拟、验证和优化，可以提高真实系统对未知和潜在危机事件的应对能力，改善真实系统的预测性和预防性，促进应急治理现代化。
关键词:应急治理 数字孪生技术 高性能计算 人工智能
【中图分类号】TP18 【文献标识码】A
习近平总书记在2019年11月29日中共中央政治局就我国应急管理体系和能力建设进行的第十九次集体学习时指出：“应急管理是国家治理体系和治理能力的重要组成部分，承担防范化解重大安全风险、及时应对处置各类灾害事故的重要职责，担负保护人民群众生命财产安全和维护社会稳定的重要使命。要发挥我国应急管理体系的特色和优势，借鉴国外应急管理有益做法，积极推进我国应急管理体系和能力现代化。”党的二十大报告指出，要完善国家应急管理体系，“提高防灾减灾救灾和危难险重突发公共事件处置保障能力，加强国家区域应急力量建设”。深刻领会习近平总书记重要讲话和党的二十大报告精神，需要将应急管理体系放在国家安全体系和能力现代化的总体性框架下，深入思考中国实现应急治理现代化的道路和手段，以新的思路推进应急治理现代化进程。
现代社会需要高水平的应急治理
应急治理是国家治理的重要组成部分，是现代社会稳定的基础。传统上，应急管理是指管理者对于外因或者内因引发的突发危机事件作出反应，降低事件造成的损害，保护人民生命财产安全，维护社会的安全稳定。造成突发危机事件的外因多种多样，首先是自然灾害，例如地震、水灾、火灾、旱灾、虫灾等灾害的发生；其次是由于管理疏漏或群体性行为失控而造成，例如重大传染疾病的暴发和传播、危险品的泄露、重大交通事故、重大生产安全事故、人群聚集性踩踏事件等，最极端的情况是战争的爆发。此外，也有很多突发危机事件是由社会内因产生的，例如一些人受到境内外敌对势力煽动，人为地制造危机，造成社会的动荡和混乱，这方面的例子包括人为煽动和引导重大舆情、制造和散布谣言、投毒、纵火、爆炸，等等。
现代社会的应急治理不仅需要在危机发生之后的快速响应，更需要危机发生前的预测和预防，这就要求对可能发生的突发危机事件预先作出研判，制定有效应对各种情况的预案，并且对可能出现的危机预先采取措施，防止危机的发生。预测预防性的应急治理不仅需要管理体系上的变革，也需要现代信息技术的支持。
现代社会享受着科学技术发展所带来的便利，同时也十分脆弱。与传统农耕社会相比，现代社会人口高度聚集，大城市的人口不断攀升，人口密度不断增大，像北上广深这样的超一线城市，庞大的人口基数使基础设施承受巨大压力。今天，人们的衣食住行高度依赖现代基础设施，例如电网、供水网、交通网、通信网、医疗设施、物流体系等，进行生活必需品的供给与分发。在突发危机事件发生时，其中一个环节出问题，就会产生连锁反应，影响整个社会的正常运行。例如，2023年7月底在北京、河北发生的超历史记录的强降雨引起山洪爆发，冲垮了铁路路基，逼停了距京仅几十公里的列车，通信基站被冲毁，通信中断，手机不能使用，给现场救援带来很大的困难。虽然政府和当地群众全力救援，列车上上千旅客还是在艰苦的条件下被滞留3天3夜。又如，2021年夏天郑州发生的洪灾破坏了电力系统，停电又使加油站、商店的收费系统无法使用，致使信用卡支付、手机支付等都无法使用，造成有钱也无法加油、无法购物的窘境。互联网对危机起着催生和放大的作用，不法分子利用互联网，隐匿真实身份，操纵舆情，散布谣言，实施诈骗，对社会稳定和人民财产安全带来巨大损害。人工智能的最新发展即基于人工智能的内容生成（AIGC）又给网上信息真伪的鉴别带来新的挑战，成为社会稳定的新风险。因此，现代社会中“黑天鹅”事件层出不穷，牵一发而动全身的蝴蝶效应难以甚至不可预见，这就要求更加周全、科学的政策制定和精准、高效的治理手段。
中国在应急治理方面有着丰富的历史经验和较为完善的体制。这首先归功于完善的层次式管理体制和管理机构。中国政府有很强的执行力，从中央政府、各级地方政府，一直到街道和社区的办事机构，严密的治理体系保证了政令畅通、措施到位。另外，中国的人民群众有很强的集体意识，识大体，顾大局，当灾难来临时更能体现出群众的觉悟和力量。这方面的例子不胜枚举，例如1998年的洪灾、2008年的汶川地震、2003年的“非典”突发和过去三年的新冠疫情大流行，正是中国政府的治理能力和中国人民的同心协力使我们得以度过危机。但是，我们也必须清醒地看到，社会和自然环境在不断变化，新形式的危机层出不穷，单凭历史经验不足以应对。依靠老经验拍脑袋的决策机制、不切实际的粗放治理模式，难以应对快速、持续变化的环境和社会。因此，应急治理必须实现现代化，而应急治理的现代化呼唤机制和手段的变革和创新。
应急治理模式和应急治理组织机制的匹配，应急治理需求和应急治理技术手段的统一，是应急治理现代化的基本要求。现代化的应急治理有其鲜明特性，首先是应变性，要能对不断变化的环境和危机形式作出反应，动态调整应对的策略；其次是快速性，要能对危机作出快速响应，防止危机扩散，减少危机带来的损失；第三是精准性，要能准确判断危机的来源和波及的范围，科学精准地予以应对；第四是演进性，要能不断评估应急治理的效果，对应急治理的机制作出持续的改进。
应急治理现代化需要最新信息技术手段的支持
让我们看一下当前应急治理系统规划、实现和使用的一般过程。一个特定的应急治理系统的设计与部署涉及以下步骤：首先对相关领域的应急治理需求进行分析，规划特定应急治理系统的功能；在此基础上，完成该应急治理系统的设计与实现；然后部署该应急治理系统，投入实际运行。一个特定的应急治理系统的运行包含以下过程：一是感知危机事件的发生及其发展态势；二是对危机事件的性质和发展态势进行分析，管理者根据事件性质和发展态势作出决策并付诸行动；三是在危机事件过后对治理的效果进行评估；四是将评估结果反馈给应急管理者和应急治理系统设计者，对系统进行改进。
分析上述现行应急治理系统设计实现和运行的过程我们可以看出，系统的开发费时费力，高度依赖开发者的经验；系统的功能相对固化，一旦实现，改进和优化都比较困难。其次，对系统的改进和优化是离线进行的，过程很缓慢。更为严重的问题是，系统的设计和评估是基于已经发生过的危机事件完成的，对于未曾发生但是可能发生的潜在危机事件，其应对功能的设计只能凭想象和推测，有相当的主观性。而且，对于从未发生过的潜在危机事件，根本谈不上对其应对功能的评估和改进，这是在现行系统开发和运行机制下不可能完成的任务。
现代化的应急治理还要实现从对危机的响应到对危机的预测和预防的转变，防患于未然，变被动为主动，从事后降低损失到事先避免损失。
根据上述对应急治理系统设计和运行现状的分析，以及现代化应急治理对预测性和预防性的要求，可以看出，必须采用最新的信息技术，发展和改造应急治理系统，才能适应应急治理现代化的要求。
最新的信息技术如网络、无线通信、大数据、高性能计算、人工智能是实现应急治理现代化的基本手段。全面覆盖社会各个角落的网络与通信系统可以高效、不失真地传输危机事件信息，保证管理者掌握危机态势。利用大数据技术可以感知危机事件来源，获得全方位的危机事件信息。高性能计算是分析决策的重要手段，通过基于高性能计算的数值模拟，可以科学地规划应急治理系统，优化应急响应模型，对应急治理的决策提供支持。利用人工智能技术可以全面地综合历史经验和现实情况，更精准地应对危机。
利用最新信息技术，我们可以在数字空间也就是虚拟空间中构建与真实物理世界相对应的数字孪生系统，通过在数字孪生系统中对真实的应急治理系统进行模拟、验证和优化，提高真实系统对未知和潜在危机事件的应对能力，改善真实系统的预测性和预防性，支持应急治理现代化。
支持应急治理现代化的数字孪生系统
数字孪生是一种融合物理建模、数据采集、数值模拟和分析优化的多学科综合性技术，在产品设计、产品制造、工程建设中已经得到广泛应用。通俗地讲，数字孪生就是用软件在计算机中实现物理世界真实对象的映像即虚拟的数字对象。数字孪生力求精准地反映与之对应的物理对象的特征。通过调节、改变数字孪生的参数，快速灵活地获得它在各种输入条件组合下的动作行为，从而理解并预见数字孪生所对应的真实物理对象的特征和行为。
在应急治理的应用场合使用数字孪生技术，首先要在数字空间（即计算机）中建立所研究的应急治理系统模型，然后发展算法和计算机软件去实现这个模型。在运行时，使用采自真实世界的数据或者保存的历史数据激励数字孪生系统模型，得到模型的输出，即应急治理系统产生的动作及其效果。在数字孪生系统中，由于可以灵活地对模型的参数进行调整，甚至对模型进行修正，因此可以得到尽可能好的危机应对策略。数字孪生技术不仅可以支持应急系统的运行，也可以支持应急系统的规划和开发。通过快速地遍历各种输入组合，可以快速地规划应急治理系统的功能，并在实现过程中动态地予以验证。
建立一个应急治理系统的数字孪生的步骤如下：第一，在数字空间建立（或修正）应急治理系统的模型，在计算机中用软件实现；第二，用一组历史数据或真实数据驱动模型，获得相应的应对策略；第三，在数字孪生系统中实施应对策略，获得实施策略的效果；第四，即时评估应对策略的效果，如果不理想，可以回到步骤一，修正模型或者调整模型参数，否则对应该组输入的处理结束。以上模型修正和策略优化的步骤可以反复迭代，遍历所有输入条件的组合，直至获得满意的结果。
物理世界的真实系统仅能对已发生的事件作出反应，一个应急治理系统的数字孪生可以全面覆盖各种危机事件场景，可以对不常出现或者尚未出现过的危机事件形成应对预案。首先，数字孪生系统可以通过模拟，揭示危机事件的发展态势和走向，为预测性、预防性应急治理提供手段。其次，数字孪生系统可以动态地评估系统对危机事件的应对策略，优化应急治理的各种预案。最后，由于数字孪生可以接受动态采集到的真实世界数据作为输入，因此，数字孪生系统可以和真实应急治理系统平行运行，成为真实系统的一个镜像和比对参照物。通过比对数字孪生系统产生的应对策略及其效果，为真实系统的科学决策提供支持。
应急治理系统及其数字孪生的主要信息技术元素
传感器。传感器是感知客观环境，捕捉所关注的事件的基本单元。根据所感知的对象的性质，可将传感器分为物理传感器和信息传感器。物理传感器可以感知到物理量的变化，比如温度、速度、加速度、气流速度、水流速度、水位、水质、空气污染物、病毒等。基于物理传感器所实现的检测装置多种多样，小到火灾检测装置、污染物检测装置，大到卫星对地观测、海洋传感器等。信息传感器专门用于检测网络空间所发生的事件，例如互联网上的热门话题、重大舆情、社会热点等。信息传感器的表现形式是软件，如舆情分析软件。
网络。网络是快速可靠地传输危机事件相关数据的载体。与传感器类似，根据传输的事件类型可以将网络分为物理网络和社交网络。物理网络包括全覆盖、高渗透的互联网、无线通信网和物联网。这些网络覆盖各个角落，实现数字和语音、移动和固定、天地海、多模态、全方位的通信和传输。网络实例包括专用集群通信网、移动互联网、移动通信网，卫星通信和天地一体化网络、海上通信网、水下通信网等。社交网络可以准确反映被关注人群中个体的特征以及个体间的相互关系及关联程度，利用社交网络可以准确定位关键节点和人物，分析和掌握热点事件的传播规律。
大数据。大数据存储和访问是应急治理的基础。应急治理要求对多种来源的多模态时序数据进行高效的组织、存储和访问，涉及的数据类型包括各种物理量的测量数据，包括文字、图形、图像、视频和语音等形式的数据。对这些多源、多模态的时序数据的存储和访问通常涉及多媒体数据库、空间数据库、时间序列数据库、非结构数据文件系统等的混合使用。在地域分布的应用场合，还涉及数据的分布式存储，要解决数据的更新、同步和一致性维护，以及数据的分级和缓存等问题。大数据的分析是指从大数据和数据的关联关系中发现规律，识别危机事件的阈值、拐点，为应急治理的科学决策提供依据。
高性能计算。高性能计算是实现数字孪生和应急治理现代化所需要的核心能力。首先，数字孪生系统是构建在计算机中的虚拟现实系统，其基础是数值模拟，离开高性能计算，就谈不上数字孪生系统。数字孪生模型的建立、危机事件数据的处理、危机事件态势分析、应急治理的决策支持、治理效果的评估等都依赖于计算。科学决策来源于对物理世界的精细模拟，模拟的精度和分辨率越高，越需要强大的算力。此外，应急治理系统是典型的多层次分布式系统，为了平衡计算和网络传输的性能，还需要云/边/端算力的协同。端侧算力可对感知的事件数据做初步处理；局部性的应对策略可由边缘算力完成，提高响应速度；而全局性的决策可由云端算力综合整体态势作出。因此，应急治理要充分利用由国家超算/区域超算/部门超算所构成的国家高性能计算环境的算力。
人工智能。人工智能技术在应急治理现代化中大有作为。首先，在发展真实应急治理系统及其数字孪生时需要建立与客观世界相匹配的模型，在这方面，采用深度学习技术，基于历史大数据训练应急治理系统模型是行之有效的方法。其次，基于人工神经网络的快速推理能力可以实现危机态势的实时分析，快速作出危机响应的决策。此外，通过人工神经网络模型的持续迭代和演化，可以不断优化应急治理的决策。从人工智能的实践和发展趋势可以看出，各种智能无人装备在应急救援中将发挥不可替代的作用。无人系统将代替人去执行危险的、难以完成的任务，减少救援人员和装备的损失。因此，机器人、无人车、无人机、无人船将在应急救援中扮演极其重要的角色。同时，无人系统之间的协同、无人系统和人之间的协同，也是决定应急救援成败的关键因素。
为了满足不同领域的应急治理系统及其数字孪生的开发运行的需要，需要基于上述信息化元素构建应急治理数字孪生支撑平台。数字孪生支撑平台需要实现传感、网络、算力、数据、智能资源的集成、调度和高效使用，支持真实应用系统及其数字孪生的高效同步开发、部署和运行。由于数字孪生是软件再现的物理世界，因此，发展相关的算法和软件是应急治理数字孪生实现的关键。在支撑平台的支持下，真实的应急治理应用系统可以和其数字孪生同步开发，在开发过程中就可以利用数字孪生系统对真实系统的功能进行规划、验证和优化。为此，支撑平台要提供应急治理系统所需要的典型模型、基础算法和工具集、基础应用软件模块、应用开发和验证环境以及测试、评价与优化的基准和手段。
应急治理数字孪生系统的发展步骤
应急治理所针对的人类社会是一个极其复杂的巨系统，因此，其数字孪生系统的开发也不可能一步到位，只能由点到面，由个别到一般，循序渐进地开展。
应急治理数字孪生系统的开发可以从某个领域、某个子物理空间入手，先建立领域或子空间的数字孪生系统，在取得经验的基础上，逐步扩大范围，连接已经开发的领域或子空间的数字孪生系统，使孤立的系统之间发生相互作用，最终形成更大范围的数字孪生系统。为此，必须做好顶层设计，注重标准化、兼容性工作，使独立开发的各个领域和子空间的数字孪生系统能够互联互通，逐渐扩大覆盖范围，最终形成人类社会的完整数字空间映像。
由于数字孪生是真实世界在数字空间中的映射，为提高数字孪生的精确性和真实性感受，发展虚实融合的虚拟现实技术非常重要，真实世界和数字孪生系统相互融合的增强现实技术，人在回路中的模拟技术，等等，都能提高数字孪生的真实程度和危机应对策略及措施的有效性，必须予以特别关注。
应急治理的现代化是一项长期任务，不可能一蹴而就，受技术、人才、经费的限制，数字孪生的开发工作也不可能一下就全面铺开，要通过典型引路，分步推进实施。要选择若干关键领域进行试点，先行一步，积累经验。根据对现状的调研分析以及需求的紧迫程度，可以考虑在以下领域先行开展基于数字孪生的应急治理试点工作。
水灾防治：在重点大江大河流域，建立包括气象、降水量、地形地貌、植被覆盖、水库库容、江河流量、排洪蓄洪、人员疏散、抢险物资运输等多种因素在内的水灾综合防治系统，降低重大水灾造成的危害。
污染防治：在重点区域，建立包括污染物识别、污染源检测定位、污染物传播路径及其控制、污染相关气象条件、重大污染突发时的人员疏散、污染物中和与清除等在内的重大污染事件应急响应系统。
突发重大传染病防控：建立包括突发重大传染疾病源头定位、疾病传染和传播机制识别、隔离方案、疫苗研发与接种、药物分配与供应、生活必需品分发等在内的重大传染病防控系统。
互联网重大安全事件控制与处置：建立包含互联网环境下舆情分析、热点话题识别、谣言传播渠道识别及阻断、关键网络节点和人物定位、辟谣形式与手段等在内的互联网重大安全事件管控系统，防止网络重大安全事件对社会稳定造成危害。
大城市突发危机事件应对：建立在自然灾害、人造危机甚至战争条件下，大城市的应急响应体系和系统，包括危机源早期识别和预警、城市基础设施的防护和降级运行、城市人口的疏散、城市基本生活条件的保障、伤病人员的救护等，最大限度降低突发危机事件对人民生命财产造成的损失。
结语
应急治理是国家治理体系的重要组成部分，应急治理现代化是一项长期的任务，既需要管理体制和机制上的变革，也需要最新技术手段的支持。要使信息技术真正在应急治理中发挥支撑作用，信息技术领域的科技人员必须和相关管理部门密切合作，深入理解应急治理的内涵，调研应急治理的现状，发现和理解当前应急治理存在的问题，这样才能有的放矢地研究和提供有助于解决问题的技术。我们期望，综合了最新信息技术的数字孪生系统在应急治理现代化的进程中能够发挥应有的重要作用。
【本文作者为中国科学院院士、北京航空航天大学计算机学院教授】
参考文献
[1]《习近平在中央政治局第十九次集体学习时强调 充分发挥我国应急管理体系特色和优势 积极推进我国应急管理体系和能力现代化》，《人民日报》，2019年12月1日。
责编：周素丽／美编：石 玉