智慧基礎架構是指智慧型自動化系統，透過與先進的軟硬體協同運作，做出智慧的即時決策。智慧基礎架構結合感測器、物聯網 (IoT) 裝置、建築資訊模型 (BIM)、即時資料分析及其他特定應用技術，可用於監控實體基礎架構並最佳化效能。
透過智慧功能，實體基礎架構可以提升執行效率、改善效能並減少排放。智慧基礎架構在社會中的應用領域包括：公共交通、能源、公用事業、智慧建築技術和智慧城市基礎架構。
智慧基礎架構由各項可發揮不同功能的基礎建構組件組成，其中包括：
感測器是智慧基礎架構的基石。從簡單的溫度和濕度感應器，到先進的物聯網感測器，這些組件負責收集與環境有關的資料。若缺少這些資料，智慧技術系統將因為不瞭解其周圍環境的狀況而無法做出即時或明智的決策。
相較於傳統的感測器，成像攝影機可用於在環境中錄製影片、辨識資產和追蹤物件。這些攝影機可安裝在外部環境的柱子上，內部環境的牆壁上，以及無人機、衛星和其他飛行器上，執行大範圍基礎架構的監控工作。傳統型感測器可追蹤環境刺激因素，而成像攝影機則能提供環境的視覺畫面。
能互相即時通訊的硬體與軟體元件對於實現智慧基礎架構至關重要。若缺少高效率的通訊技術，智慧基礎架構 (以及一般的智慧技術) 將無法實現。無線網路現由 5G 通訊技術驅動，可將感測器、成像攝影機和 IoT 裝置連接至中央控制系統，並由系統中的軟體執行分析。
建築資訊模型 (BIM) 透過整合幾何資料與目標基礎架構的設計屬性 (材料資料、成本等)，產生建築物、公用事業或交通環境的 3D 模型。BIM 中的資料可用於執行即時監控與預測性維護作業，讓基礎架構更安全、更永續且坐落在最佳位置。
BIM 不是新的技術，但近年來，技術已變得更加先進，數位孿生的出現提供了更多關於實體基礎架構生命週期的資訊，這有利於監控老化狀況並使其以最佳方式運行。
將 BIM 和實境擷取工具 (如雷射掃描和攝影測量等工具) 與地理資訊系統 (GIS) 結合使用，可為環境中的資訊新增更多內容。透過對位置以及對不同環境的感知能力，能以更準確且更有效率的方式提升系統的決策品質。可利用 GIS 提供的情境資訊範例包括：
這些都是非常重要的情境資訊，因為這有助於在設置基礎架構之前，進行地理和環境因素的預先評估。如果在建設展開後才發現區域限制或公用設施連接問題，屆時補救問題的難度和成本都會更高。
現今，智慧基礎架構有許多種類型，它們分別使用不同的技術來監控和最佳化其設置位置和日常運作。主要類型如下：
智慧電網正在改變電網產生和管理能源的方式。電網的數位化使電網的能源效率、能源消耗和永續性獲得了改善，並讓更廣大的能源生態系統連結得更為緊密。許多舊式電網只能在公用事業公司和消費者之間進行單向通訊，如今的智慧電網則是提供雙向通訊。此外，智慧電網在電網周圍設置了許多感應器和 IoT 裝置 (可用舊設備改裝)，得以管理分散式能源資源 (DER) 的能源負載。這些 DER 包括可再生能源 (RES) 和電動車 (EV)，會間歇性地增加及減少各地的供電量。
分散式控制系統透過即時資料收集和監控電網中的資產，在尖峰時間進行能源調度。這將有助於預測停機時間，快速發現傳輸線路上的斷電和故障狀況 (無需人力輔助)，在斷電後更快恢復供電，並將可再生能源整合到電網中。
針對負載需求，智慧電網可以偵測來自電動車和其他用電設備的局部用電尖峰。智慧電網也可以識別是否有過多的再生能源電力注入而在輸電線路上造成局部瓶頸。透過即時觀察負載變化，重新規劃電力傳輸路徑，以最佳化傳輸網路，並根據負載需求增加或減少線路的供電量，讓人人有電可用。
交通管理系統是智慧基礎架構的另一個範例。此系統以時間和時間表為基礎，並根據一天中任何特定時間的預期交通情況來決定號誌燈的燈相。然而，交通流量每天都在變化，當意外發生時，交通動態會徹底改變。為了因應意外情況，智慧交通管理系統具備進階排程功能，可執行即時動態交通管制。
再搭配先進攝影機，可持續計算各站車輛數的天線，以及先進演算法，更可動態變更號誌，讓交通更順暢。由於行人穿越馬路的時間也能調整，因此也有助於確保行人的安全。
未來還可能將即時交通感測器系統整合至自動駕駛車輛 (AV)，讓車輛和交通號誌互相進行通訊。這可能是更大範圍的智慧運輸系統與智慧城市環境的一環，在智慧城市環境中，一切事物都會比現今的智慧系統連結地更緊密。
智慧水管理系統也是智慧基礎架構的關鍵要素之一，可用於解決許多現有管道基礎架構的水供應和維護相關問題。公用事業公司如今正在導入感測器，以更好地測量、管理和瞭解任何潛在問題，並在問題擴大前加以矯正。智慧水管理系統可用於：
新一代建築物整合了先進的感測技術，此種智慧技術會根據建築物的房間是否有人在來監控內部環境，藉此提升能源效率並降低對環境的影響。從自動化光線控制，調整 HVAC 設定以控制空氣品質和濕度，到測量內部溫度和 CO2 濃度，智慧型建築物還能提供更舒適的居住環境與生活品質。
從營運方面來說，智慧監控系統也能確保建築物的各項設施 (電梯、幫浦、電力系統等) 保持正常運作，並安排預測性和預防性維護計畫，以免發生意外停止運作的情況。
就像任何新技術一樣，智慧基礎設施技術的實施和使用必定有優點，也有其限制。
智慧基礎架構技術的優點為：
另一方面，當前智慧基礎架構技術的限制為：
我們將在這裡探討數種類型的模擬軟體，以及如何使用類似軟體來進一步設計和實施不同的智慧基礎架構。
模擬軟體有助於設計從元件層級到系統層級都更為先進的智慧電網。以下是幾個模擬工具範例：
Ansys Maxwell 進階電磁場求解器：此款電磁學工具可用於設計變壓器、開關齒輪和其他用於智慧電網的電力電子設備。此工具會調查元件的熱效率、安培數和電流，以確保效能優異。
Ansys Icepak 電子散熱模擬軟體：此款散熱模擬軟體可評估元件在不同溫度環境中的效能。從因高電流而產生大量熱的電力電子產品，到長時間暴露在太陽熱下的任何資產，Icepak 軟體都可以調查元件在尖峰突波條件下的行為，以確保元件不會過熱。
以 Ansys Twin Builder 模擬技術為基礎的數位孿生平台和由 Ansys TwinAI AI 技術支援的數位孿生軟體：這些軟體系統所建立的數位孿生環境，可用全規模的環境模式檢視智慧電網系統，並設計電網的整個控制系統演算法。這有助於判斷元件的劣化程度、潛在故障、維護週期，以及智慧電網中眾多感測器的最佳位置和效能。數位孿生可建立實體電網的虛擬環境，然後使用實體資產的即時資料，調查多種潛在的運作情境。
智慧交通系統中所使用的感測器和攝影機都安裝在柱子上，這些柱子需要具備極高的耐用性才能承受風力和熱負載等環境因素，因為這些因素會隨著時間增加造成感測器和攝影機磨損破裂。無論使用的是光學攝影機、紅外線攝影機或標準視覺攝影機，Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體都能擷取這些系統的劣化資料，並模擬其隨時間推移，以及在霧和雨等惡劣天氣條件下的效能表現。
另一方面，Ansys SCADE Suite 專用於關鍵嵌入式軟體的基於模型的開發環境，可模擬嵌入式軟體來支援控制系統的監控活動，以瞭解攝影機資料如何輸入即時控制系統，以及這兩種技術如何相互通訊。這有助於識別和擷取交通管理系統中所有潛在的邊緣使用情況。
Ansys Fluent 流體模擬軟體是一款計算流體力學 (CFD) 的工具，可模擬流經管道的水流並模擬洩漏情況。管道洩漏區域會產生與健全管道不同的噪音，而這種噪音可以在 Fluent 軟體中進行模擬以訓練智慧型監控裝置。一旦演算法找出噪音差異，感測器就可以純粹根據水流噪音，輕鬆偵測是否有局部洩漏的狀況。
Twin Builder 軟體和 TwinAI 軟體也可用於建立水管網路的虛擬數位孿生環境。數位孿生可以模擬多種環境，包括：
建築物的內部環境可以透過各種方式進行模擬。例如，Fluent 軟體可用於查看建築物內部的氣流型態，並判斷走道或房間中的溫度梯度。這可用於模擬系統如何監控不同房間，並確保房間溫度舒適。
在照明方面，Ansys Speos CAD 內建的光學與照明模擬軟體可找出建築物中的理想照明位置，以便使用最少燈具達到最高亮度，以節省能源。更重要的是，Speos 軟體可以在佈線和固定裝置到位之前模擬最佳的放置位置，因為在實際完工後便很難修正問題。
Maxwell 軟體可用於捕捉建築物中可能由電梯、中央空調和 HVAC 系統產生的聲學振動和噪音，為居住者提供更安靜的環境。感測器可以使用模擬資料進行訓練，以便完全根據管道系統中噪音的變化來找出管道中的任何潛在問題。Maxwell 軟體也可用於模擬智慧建築運作涉及的控制系統軟體和硬體，以確保其在運作期間不會短路或過熱。
隨著各種實體和數位技術的問世，我們已經能夠在多種不同的環境中有效管理和監控各種基礎架構系統。展望未來，許多智慧基礎架構技術都將由人工智慧 (AI) 驅動，而其中的所有感測器輸入資料也都會由 AI 演算法進行讀取和解讀。與汽車產業的軟體定義車輛類似，我們很快將擁有軟體定義建築、軟體定義交通資訊系統和軟體定義水管理系統。
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