智慧林帶: 智慧城市運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)①

范明月, 于皖豫, 馬慧勇, 周世強(qiáng), 張 亮, 席 瑞

1(中建西安幸福林帶建設(shè)投資有限公司, 西安 710075)

2(清華大學(xué) 軟件學(xué)院, 北京 100084)

3(西安睿博智能股份有限公司, 西安 710018)

2008年, IBM公司首次提出“智慧地球”的概念[1],勾勒出信息技術(shù)在未來(lái)深度融入全球生產(chǎn)、生活方方面面的智慧圖景. 近些年, 在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展和跨學(xué)科跨領(lǐng)域融合的推動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化成為各行各業(yè)尋求創(chuàng)新發(fā)展機(jī)遇的共同主題.

智慧城市是在新一代技術(shù)支撐下, 物理世界、人類社會(huì)和信息系統(tǒng)“三元空間”有機(jī)融合的城市智慧化轉(zhuǎn)型的新型態(tài). 基于全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯(lián)、智能融合的應(yīng)用, 實(shí)現(xiàn)管理上科技智能信息化、生活上和諧安全更舒適和經(jīng)濟(jì)上健康合理可持續(xù). 智慧城市也是開(kāi)放的復(fù)雜巨型系統(tǒng), 具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù), 是一個(gè)體系化的信息系統(tǒng)生態(tài), 各個(gè)系統(tǒng)基于共同的設(shè)施和數(shù)據(jù)資源, 具有大量的共性化操作和系統(tǒng)級(jí)協(xié)同操作.

遺憾的是, 目前我國(guó)智慧化建設(shè)主要集中在智慧園區(qū)[2–4]、智慧建筑[5–7]、智慧交通[8,9]、智慧安防[10]等垂直領(lǐng)域, 而在智慧城市建設(shè)中卻存在的以下問(wèn)題: 缺乏長(zhǎng)期有效規(guī)劃、信息孤島林立、業(yè)務(wù)缺乏協(xié)同、缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系、缺乏合適的投資運(yùn)營(yíng)模式. 這也使得我國(guó)智慧城市建設(shè)發(fā)展緩慢、智慧化程度低. 除此之外, 信息化水平良莠不齊、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與應(yīng)急管控敏銳度較低、園區(qū)綜合服務(wù)與管理效能有待提升、信息透明度和時(shí)效性不高等問(wèn)題, 無(wú)法滿足城市實(shí)際發(fā)展需求, 進(jìn)一步抑制著智慧化水平的提高. 因此, 亟需從頂層出發(fā)、自上而下的設(shè)計(jì)一個(gè)智慧城市運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái), 滿足日常管理、服務(wù)、應(yīng)急安全、城市規(guī)劃決策等需求, 能夠有效提升城市建設(shè)實(shí)效, 提高市民滿意度和獲得感, 真正實(shí)現(xiàn)城市的智慧化轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展.

近年來(lái), 數(shù)字孿生技術(shù)逐漸被人們提起以解決解決城市運(yùn)營(yíng)管理中遇到的問(wèn)題. 與此同時(shí)世界上的一些地區(qū)和城市已逐漸開(kāi)展了數(shù)字孿生城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)和探索實(shí)踐, 比如我國(guó)雄安新區(qū)數(shù)字孿生城市[11]、 虛擬新加坡平臺(tái)[12]等, 數(shù)字孿生城市的建設(shè)理念和模式正在被越來(lái)越多地采用, 已經(jīng)成為得到認(rèn)可的未來(lái)城市發(fā)展方向[13].

本文將以幸福林帶[14]為藍(lán)本, 分析總結(jié)智慧化建設(shè)過(guò)程中存在的通病和難點(diǎn), 針對(duì)這些問(wèn)題, 提出構(gòu)建用于支持資源設(shè)備集成管理、應(yīng)用服務(wù)融合擴(kuò)展的通用平臺(tái), 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備橫向互聯(lián)協(xié)作, 并利用中臺(tái)思想完成數(shù)據(jù)融合和智能應(yīng)用, 以期為智慧城市的規(guī)劃、建設(shè)起到一定的參考示范作用. 幸福林帶被譽(yù)為“世紀(jì)工程”, 位于西安市東二環(huán)外, 規(guī)劃長(zhǎng)度5.85 km, 平均寬度200 m, 集地上景觀、市政道路、地下空間、綜合管理和地鐵配套5大業(yè)態(tài), 是西安市最大的市政、綠化和生態(tài)工程, 也是全國(guó)最大的城市林帶建設(shè)項(xiàng)目、全球目前最大的地下空間綜合體.

1 現(xiàn)狀思考

目前, 主流的智慧化運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)是依據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求, 圍繞具體工作場(chǎng)景開(kāi)展平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì). 例如華為智慧園區(qū)是基于自有園區(qū)傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)模式, 提出平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)想; 萬(wàn)達(dá)慧云則是因?yàn)榇嬖诖罅孔杂袡C(jī)電系統(tǒng), 基于標(biāo)準(zhǔn)化管理難、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)大成本高的特點(diǎn)開(kāi)展了慧云系統(tǒng)的精細(xì)化管理路線. 盡管這些系統(tǒng)表現(xiàn)出了一定的智慧化應(yīng)用, 但系統(tǒng)之間無(wú)法耦合在一個(gè)平臺(tái)、相互之間無(wú)法協(xié)作仍是目前存在的嚴(yán)重阻礙智慧城市的建設(shè)發(fā)展的因素. 表1為已有智慧化平臺(tái)對(duì)比表.

表1 已有智慧化平臺(tái)對(duì)比表

導(dǎo)致上述結(jié)果的原因, 同時(shí)也是智慧城市建設(shè)所面臨的挑戰(zhàn), 可概述為以下幾個(gè)方面: (1)缺乏長(zhǎng)期有效的規(guī)劃和穩(wěn)定持續(xù)的發(fā)展思路, 導(dǎo)致存在大量的重復(fù)建設(shè); (2)信息孤島林立, 不同部門、不同行業(yè)之間各自建設(shè), 信息不共享, 系統(tǒng)之間缺乏業(yè)務(wù)協(xié)同, 無(wú)法發(fā)揮出綜合效應(yīng); (3)我國(guó)智慧化建設(shè)缺乏完整、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系, 不同部門、行業(yè)組織對(duì)智慧化程度需求不同, 導(dǎo)致各自發(fā)展水平層次不齊, 制定的標(biāo)準(zhǔn)之間也不協(xié)調(diào); (4)缺乏合適的投資運(yùn)營(yíng)管理模式, 這是由于長(zhǎng)期的只重視建設(shè)而忽視運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致的.

通過(guò)對(duì)行業(yè)現(xiàn)狀的調(diào)研不難發(fā)現(xiàn), 已有智慧化平臺(tái)最大的價(jià)值體現(xiàn)在數(shù)據(jù)資產(chǎn)積累和可視化管理應(yīng)用,對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)智慧化管控還都處于摸索階段, 尚未完全打破“信息孤島”, 實(shí)現(xiàn)利用數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)的模式. 綜合分析現(xiàn)有方案的局限性并加以歸納, 導(dǎo)致目前現(xiàn)狀的核心問(wèn)題是用于支持資源設(shè)備集成管理、應(yīng)用服務(wù)融合擴(kuò)展的通用平臺(tái)缺失！正是因?yàn)檫@個(gè)問(wèn)題, 導(dǎo)致上層應(yīng)用與底層設(shè)備緊耦合, 智慧平臺(tái)并未發(fā)揮信息化系統(tǒng)集成、共享、融合的優(yōu)勢(shì), 而系統(tǒng)復(fù)雜度隨著應(yīng)用的拓展和用戶群體的增長(zhǎng)呈指數(shù)級(jí)上升, 規(guī)模越大, 投資越多, 成效越低, 可持續(xù)可擴(kuò)展的運(yùn)營(yíng)管理成為無(wú)法克服的難題.

針對(duì)上述這些問(wèn)題, 企業(yè)界、學(xué)術(shù)界近幾年也在不斷探索解決方案. 數(shù)字孿生(digital twin)這一技術(shù)因其能夠充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù), 將物理實(shí)體在虛擬空間中完成實(shí)時(shí)映射, 具備該實(shí)體的全生命周期過(guò)程仿真的能力[15], 受到了廣泛關(guān)注. 同時(shí), 隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展, 該技術(shù)已在電力、船舶、制造等行業(yè)領(lǐng)域落地應(yīng)用, 并受到了波音、西門子等企業(yè)和德勤、中國(guó)科協(xié)智能制造協(xié)會(huì)等組織的高度重視, 以探索基于數(shù)字孿生的新型智能生產(chǎn)模式. 數(shù)字孿生技術(shù)的廣泛應(yīng)用和研究給城市智慧化轉(zhuǎn)型建設(shè)提供了極有意義且可行的參考方案和技術(shù)路線[16].

基于數(shù)字孿生的智慧城市需要基于物理城市的信息模型(city information model, CIM), 融合泛在感知、高速傳輸、智能處理、協(xié)作互聯(lián)等技術(shù), 到達(dá)一種社會(huì)世界、物理世界與信息系統(tǒng)的有機(jī)融合和相互作用,并最終形成孿生互動(dòng)的城市發(fā)展新形態(tài)[17]. 例如, 文獻(xiàn)[18,19]利用通過(guò)構(gòu)建一個(gè)仿真平臺(tái)展示了數(shù)字孿生技術(shù)在城市治理中的作用. 與此同時(shí), Fan等人提出將數(shù)字孿生技術(shù)用于解決城市災(zāi)難響應(yīng)和應(yīng)急處理問(wèn)題[20], 研究如何利用信息通信技術(shù)、AI技術(shù)從災(zāi)難評(píng)估、決策調(diào)度以及動(dòng)態(tài)可視化等多個(gè)維度提高災(zāi)難應(yīng)急過(guò)程的管理. 文獻(xiàn)[21]則提出構(gòu)建數(shù)字孿生人模型,解決信息源個(gè)體差異導(dǎo)致的認(rèn)知超載問(wèn)題, 減輕系統(tǒng)負(fù)荷. 相較于上述方法, 智慧林帶則要從市民服務(wù)、城市管理、發(fā)展規(guī)劃等多個(gè)維度考慮, 其需要考量的問(wèn)題也是較為復(fù)雜.

2 智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)需求分析

以智慧林帶為例, 對(duì)運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)的需求主要表現(xiàn)為3個(gè)層面: 用戶需求, 價(jià)值需求, 系統(tǒng)需求. 下面將逐一簡(jiǎn)介其分析思路和方法.

用戶需求體現(xiàn)幸福林帶3類用戶群體(業(yè)主、管理人員、終端顧客)對(duì)林帶建筑的使用需求, 例如業(yè)主需要持續(xù)了解建筑結(jié)構(gòu)安全、能耗、環(huán)境狀態(tài)需要全面管控各類功能設(shè)備, 管理需要了解運(yùn)營(yíng)發(fā)展態(tài)勢(shì)和顧客人流分布, 顧客則期待在林帶中有持續(xù)貼心的智能服務(wù)和極致體驗(yàn). 這些需求是可直接體驗(yàn)的、可確定描述的. 為此, 用戶需求的分析拆解為4個(gè)子類(指面向市民游客、面向公共安全、面向林帶管理和面向建筑設(shè)備的智慧應(yīng)用, 在第4.2節(jié)中將對(duì)其分別介紹),他們各有側(cè)重, 又需要統(tǒng)一地、融合地體現(xiàn)在智慧林帶提供的功能服務(wù)當(dāng)中.

價(jià)值需求反映建設(shè)智慧林帶項(xiàng)目的價(jià)值, 典型的價(jià)值需求包括依靠智慧林帶實(shí)現(xiàn)高效管理、安全便捷、節(jié)能減排, 借助智慧林帶深度開(kāi)采數(shù)據(jù)資產(chǎn), 進(jìn)一步挖掘用戶端價(jià)值, 通過(guò)建設(shè)智慧林帶, 提升林帶項(xiàng)目的整體品質(zhì)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益. 這類需求是間接的、復(fù)合的, 以數(shù)據(jù)的挖掘和利用為中心, 由期望產(chǎn)生的價(jià)值量來(lái)決定取舍.

系統(tǒng)需求是為了匹配用戶需求、價(jià)值需求, 在系統(tǒng)架構(gòu)和實(shí)施方案層面必須考慮的要素, 典型的例子包括:系統(tǒng)安全性的要求, 通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求, 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和防災(zāi)備份機(jī)制的需求等等. 這些需求雖然不和任何用戶群體直接相關(guān), 卻是系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定高效運(yùn)行不可或缺的前提.

智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)旨在打破行業(yè)中各子系統(tǒng)分散管理、被動(dòng)響應(yīng)、過(guò)度依賴人員的現(xiàn)狀, 建設(shè)以用戶為中心, 充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù), 實(shí)現(xiàn)各分子系統(tǒng)互聯(lián)互通, 系統(tǒng)智能預(yù)測(cè), 各業(yè)務(wù)閉環(huán)管理, 打破各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)孤島, 保證系統(tǒng)統(tǒng)一運(yùn)營(yíng).

3 智慧化運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)建設(shè)方案

3.1 建設(shè)目標(biāo)

在幸福林帶智慧化平臺(tái)規(guī)劃設(shè)計(jì)中, 提出了“數(shù)字孿生可信可管、智能服務(wù)無(wú)縫覆蓋、知識(shí)發(fā)現(xiàn)智慧運(yùn)營(yíng)”的核心理念, 借鑒數(shù)字孿生思想, 綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等前沿信息技術(shù), 旨在面向不同應(yīng)用場(chǎng)景、多種角色用戶研制智慧化運(yùn)營(yíng)平臺(tái), 打造“數(shù)字林帶、智慧林帶”的建設(shè)目標(biāo), 表現(xiàn)為如下幾個(gè)具體方面.

(1) 全天候運(yùn)維

應(yīng)用與服務(wù)的魯棒性、穩(wěn)定性、持續(xù)性是系統(tǒng)成功運(yùn)維的關(guān)鍵. 智慧林帶項(xiàng)目將部署“萬(wàn)”數(shù)量級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備, 這些設(shè)備以及構(gòu)建其上的數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)共同支撐智慧林帶的所有功能運(yùn)轉(zhuǎn). 須確保讓這些設(shè)備、設(shè)施在高度復(fù)雜和多樣化的運(yùn)行環(huán)境下正確工作, 盡可能持久地工作以保證服務(wù)的連續(xù)性, 以及在出現(xiàn)局部異常和故障時(shí)仍保障全局的有序運(yùn)轉(zhuǎn).

(2) 泛在感知

智慧林帶項(xiàng)目業(yè)態(tài)豐富, 各種智慧應(yīng)用普遍需要底層物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的有效供給, 感知技術(shù)成為平臺(tái)系統(tǒng)的支撐技術(shù)之一. 智慧林帶項(xiàng)目部署規(guī)模大, 且覆蓋了林地(室外)、地下商業(yè)空間(室內(nèi))、停車場(chǎng)(半開(kāi)放)、綜合管廊(封閉)等多種環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景, 客觀上要求物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在復(fù)雜多變的環(huán)境中部署運(yùn)行; 突破傳統(tǒng)感知技術(shù)對(duì)運(yùn)行環(huán)境、部署條件的依賴以及在感知方式上的局限, 實(shí)現(xiàn)隨時(shí)、隨處、按需感知.

(3) 異構(gòu)互聯(lián)互操作

實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)設(shè)備及系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通, 通過(guò)聯(lián)接和感知技術(shù), 將人、物的相關(guān)信息進(jìn)行全面的感知與互聯(lián), 實(shí)現(xiàn)信息之間的無(wú)縫聯(lián)接, 協(xié)同聯(lián)動(dòng). 其中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的異構(gòu)性主要體現(xiàn)在3個(gè)層面: 功能異構(gòu),即系統(tǒng)包含了種類繁多功能特性各異的設(shè)備, 擁有不同的硬件資源, 運(yùn)行不同的軟件程序; 網(wǎng)絡(luò)異構(gòu), 即這些設(shè)備可能采用互不兼容的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn), 如基于光纖的有線局域網(wǎng)、基于WLAN、ZigBee、藍(lán)牙等組建的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò), 基于NBIoT或者LoRa構(gòu)建的長(zhǎng)距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò), 或者基于4G以至5G的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)等;數(shù)據(jù)異構(gòu), 指的是不同設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式多樣, 存儲(chǔ)和調(diào)用接口不一. 在異構(gòu)的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分共享交換和融合分析利用.

(4) 知識(shí)發(fā)現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的知識(shí)生成是智慧林帶項(xiàng)目之所以最終能夠創(chuàng)造商業(yè)價(jià)值和社會(huì)效益的根本源泉.我們需要哪些知識(shí)？這些知識(shí)蘊(yùn)藏著哪些數(shù)據(jù)中？怎樣獲得我們需要的知識(shí)？如何辨別獲得的知識(shí)的真?zhèn)魏唾|(zhì)量, 做到去粗取精、去偽存真？這客觀上要求將物管、商管、安防、環(huán)保等領(lǐng)域的已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)需求, 與數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)緊密結(jié)合, 以應(yīng)用為導(dǎo)向, 以數(shù)據(jù)為基石, 以實(shí)踐檢驗(yàn)為標(biāo)準(zhǔn), 獲得我們需要的知識(shí),進(jìn)而支持科學(xué)決策、科學(xué)判斷、創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)等.

(5) 智慧一體化

基于物聯(lián)網(wǎng)泛在感知、互聯(lián)互通, 利用云計(jì)算、人工智能等技術(shù), 完成從底層設(shè)備到智能決策之間的全過(guò)程、全方位互聯(lián), 形成“人、機(jī)、物、法、環(huán)”的一體化智慧平臺(tái), 實(shí)現(xiàn)管理、服務(wù)、運(yùn)營(yíng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、個(gè)性化和智慧化.

3.2 建設(shè)思路

智慧林帶運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)提供統(tǒng)一的平臺(tái)底座, 上層各種不同的垂直場(chǎng)景應(yīng)用就像是手機(jī)的APP, 通過(guò)平臺(tái)提供底層能力、標(biāo)準(zhǔn)化中間件支撐, 迅速構(gòu)建各領(lǐng)域應(yīng)用. 有效避免了底層硬件的重復(fù)建設(shè)、信息和數(shù)據(jù)規(guī)格符合平臺(tái)規(guī)范, 打破了信息孤島, 使得數(shù)據(jù)得到有效打通. 信息孤島問(wèn)題、重復(fù)建設(shè)冗余投入問(wèn)題、缺乏聯(lián)動(dòng)和標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題以及不可持續(xù)更新問(wèn)題, 本質(zhì)上都源于智慧城市頂層設(shè)計(jì). 這些問(wèn)題看似難解, 卻都是來(lái)自于各個(gè)功能子系統(tǒng)(能源系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等)獨(dú)立、割裂這一源頭.

參考如圖1所示, 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架示意圖, 從“感”“聯(lián)”“知”“用” 4個(gè)層面設(shè)計(jì)智慧林帶平臺(tái). 其中, “感”,即感知層, 包括林帶部署的智能終端設(shè)備和功能子系統(tǒng)硬件設(shè)備, 完成對(duì)異構(gòu)的設(shè)備、信道、場(chǎng)景、人員等感知對(duì)象, 進(jìn)行全場(chǎng)景、富媒體、精確、高效的數(shù)據(jù)感知與采集, 實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的數(shù)據(jù)化. “聯(lián)”, 即網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層. 主要通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)大規(guī)模聯(lián)網(wǎng)實(shí)體, 并提供通用、安全的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)和接口規(guī)范, 利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、局部以太網(wǎng)等對(duì)應(yīng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù), 底層大規(guī)模異構(gòu)實(shí)體與局部以太網(wǎng)的高效安全自適應(yīng)的互聯(lián),完成異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)安全傳輸和信息的高度共享, 實(shí)現(xiàn)感知層異構(gòu)功能系統(tǒng)橫向的互聯(lián)互通, 為互相協(xié)作提供支撐. “知”, 即平臺(tái)層, 包含數(shù)據(jù)服務(wù)、決策控制、業(yè)務(wù)等多個(gè)中臺(tái), 完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)層匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行低延遲、高可靠、高效的分析與挖掘、決策以及閉環(huán)控制反饋等, 打破各個(gè)功能子系統(tǒng)之間的“信息壁壘”, 實(shí)現(xiàn)信息融合. “用”, 即智慧應(yīng)用層, 基于底層硬件和平臺(tái), 呈現(xiàn)智慧能源管理、公共安全、智慧停車等不同垂直場(chǎng)景的應(yīng)用落地.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架示意圖

3.3 運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)建設(shè)

如上所述, 借鑒物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)“感”“聯(lián)”“知”“用” 的思想設(shè)計(jì)總體框架, 平臺(tái)具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自下向上分成9層和2個(gè)體系, 圖2為智慧林帶平臺(tái)總體架構(gòu)圖.

圖2 總體架構(gòu)示意圖

弱電基礎(chǔ)層: 提供保證系統(tǒng)運(yùn)行所必備的軟硬件環(huán)境, 為數(shù)據(jù)采集、管理、業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行等提供基礎(chǔ)支撐.

感知感知層: 對(duì)接服務(wù)器端、接口端的外部數(shù)據(jù),并按照協(xié)議規(guī)范對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 完成對(duì)各子系統(tǒng)的控制和管理.

三維支持層: 利用BIM數(shù)據(jù)提供可視化展示功能支持, 為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化管理和展現(xiàn)提供核心支撐.

中臺(tái)數(shù)據(jù)層: 對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合存儲(chǔ)、分析處理和安全校驗(yàn), 保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性.

中臺(tái)管理層: 將分散、異構(gòu)的應(yīng)用需求和信息資源進(jìn)行聚合, 建立一個(gè)支持信息訪問(wèn)、傳遞以及協(xié)作的集成化環(huán)境, 為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的資源管理平臺(tái).

中臺(tái)業(yè)務(wù)層: 從具體的應(yīng)用出發(fā), 通過(guò)系統(tǒng)建設(shè)和系統(tǒng)集成, 建立直面具體業(yè)務(wù)的應(yīng)用功能模塊.

中臺(tái)業(yè)態(tài)層: 將中臺(tái)業(yè)務(wù)層的不同應(yīng)用功能模塊進(jìn)行組織, 在三維支持層的三維加載下, 打造面向市民游客、公共安全、林帶管理和建筑設(shè)備的智慧應(yīng)用.

智慧展示層: 建立基于中臺(tái)業(yè)態(tài)層的多端呈現(xiàn)體系, 結(jié)合語(yǔ)音、手勢(shì)、觸屏和傳統(tǒng)控制方式, 提供大屏幕、PC端、APP端等多種應(yīng)用展示場(chǎng)景.

用戶體驗(yàn)層: 針對(duì)不同的用戶, 完成不同展示場(chǎng)景的多業(yè)態(tài)界面和流程體驗(yàn)的設(shè)計(jì)與定制開(kāi)發(fā).

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系: 遵循國(guó)家電子政務(wù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)要求等各類信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范, 為各平臺(tái)內(nèi)部數(shù)據(jù)采集管理, 平臺(tái)之間及系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)信息交換和共享提供技術(shù)規(guī)范.

安全運(yùn)維保障體系: 為保證平臺(tái)運(yùn)行提供統(tǒng)一的安全認(rèn)證、運(yùn)行管理、維護(hù)管理等服務(wù).

4 智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)總體應(yīng)用建設(shè)

正如平臺(tái)需求分析以及提出的核心設(shè)計(jì)理念, 總體應(yīng)用主要分為兩大核心功能和5大功能體系.

4.1 平臺(tái)核心功能

面對(duì)需求各異的市民游客、海量的弱電設(shè)備以及長(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息, 如何在用戶服務(wù)、設(shè)備管理過(guò)程中體現(xiàn)平臺(tái)的智慧化將是平臺(tái)的亮點(diǎn)和核心價(jià)值體現(xiàn). 為此, 本平臺(tái)綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、智能感知和人工智能技術(shù), 基于用戶的位置信息提供智慧化服務(wù)體系. 同時(shí), 利用物聯(lián)網(wǎng)泛在感知和AI技術(shù), 構(gòu)建基于數(shù)字孿生的智能化運(yùn)維管理體系, 充分展現(xiàn)幸福林帶“智慧化”的發(fā)展理念.

(1) 基于位置的智慧化服務(wù)體系

位置信息是平臺(tái)眾多功能子系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ),基于位置信息提供智慧化服務(wù), 是串聯(lián)各子系統(tǒng)的智慧化功能、強(qiáng)化用戶科技體驗(yàn)的關(guān)鍵. 平臺(tái)在提供基于位置的智慧化服務(wù)過(guò)程中, 充分挖掘位置信息背后的豐富語(yǔ)義, 幫助積累用戶歷史數(shù)據(jù), 構(gòu)建全面集成場(chǎng)內(nèi)場(chǎng)外、線上線下不同場(chǎng)景用戶信息的用戶畫像系統(tǒng),同時(shí)基于用戶畫像信息, 進(jìn)一步構(gòu)建智慧推薦系統(tǒng), 分析得到顧客的潛在需求, 推薦合適的服務(wù)和信息, 提高游客購(gòu)物效率和體驗(yàn).

1)信息物理融合系統(tǒng)的用戶畫像

智慧林帶運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)是一個(gè)典型的信息物理融合系統(tǒng). 該系統(tǒng)服務(wù)于業(yè)主、商管、物管、顧客等多種用戶群體. 更重要的是, 系統(tǒng)包含了物理(/環(huán)境)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、商業(yè)數(shù)據(jù)、用戶行為(/體驗(yàn))數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)等.多種類型的數(shù)據(jù), 覆蓋了用戶與林帶系統(tǒng)交互的全過(guò)程,能夠全面刻畫用戶特征, 是個(gè)性化服務(wù)和精準(zhǔn)商業(yè)管理運(yùn)營(yíng)的前提. 幸福林帶的用戶畫像, 全面集成了線上線下不同場(chǎng)景的信息, 數(shù)據(jù)來(lái)源豐富, 潛在價(jià)值高. 對(duì)此進(jìn)行研發(fā)和開(kāi)采利用, 不僅為面向用戶提供智能服務(wù)奠定基礎(chǔ), 還有可能打造出高價(jià)值數(shù)據(jù)產(chǎn)品和信息服務(wù)(例如林帶用戶畫像, 可以反映不同消費(fèi)水平市民的出行方式、購(gòu)物意愿和消費(fèi)熱點(diǎn), 為整個(gè)城市的商業(yè)布局、基礎(chǔ)設(shè)施和交通規(guī)劃提供極具針對(duì)性的信息依據(jù), 還可以為單個(gè)門店或連鎖店的選址、精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)、定價(jià)提供數(shù)據(jù)參考), 開(kāi)辟林帶運(yùn)營(yíng)的新業(yè)態(tài)新方向.

2)跨域重識(shí)別

幸福林帶區(qū)域空間大, 環(huán)境類型多樣, 不能依靠單一技術(shù), 而必須聯(lián)合多種監(jiān)測(cè)技術(shù)手段、因地制宜部署不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)全域范圍內(nèi)的環(huán)境、設(shè)備、用戶行為監(jiān)測(cè). 跨域重識(shí)別, 指的是在不同地域空間和不同類型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共同工作的場(chǎng)景中, 如何保持對(duì)同一移動(dòng)的目標(biāo)對(duì)象實(shí)現(xiàn)一致性識(shí)別. 跨域重識(shí)別, 使得用戶在任何時(shí)間、任何地方都能被系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別, 系統(tǒng)對(duì)用戶的追蹤不會(huì)因?yàn)橛脩粢苿?dòng)范圍的擴(kuò)大、所處場(chǎng)景或者行為狀態(tài)的變化而中斷, 從而滿足智能服務(wù)無(wú)縫覆蓋的前提條件.

3)邊緣互聯(lián)與互操作

智慧林帶運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)內(nèi)各子系統(tǒng)及各式設(shè)備終端, 除了在數(shù)據(jù)層面統(tǒng)一接入數(shù)據(jù)中臺(tái)外, 還應(yīng)具備一定程度的互聯(lián)與互操作能力. 特別是具備較強(qiáng)計(jì)算能力的邊緣設(shè)備, 應(yīng)在保障系統(tǒng)安全性前提下, 面向平臺(tái)內(nèi)信息空間提供開(kāi)放的互操作服務(wù). 在邊緣到中心的雙向信息流動(dòng)之外, 進(jìn)一步支持信息和指令的橫向交換. 邊緣互聯(lián)與互操作的意義有兩層: 充分利用邊緣計(jì)算能力, 降低中心端的計(jì)算負(fù)載和運(yùn)維開(kāi)銷, 提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性; 降低端到端傳輸時(shí)延, 支持實(shí)時(shí)互操作和智能協(xié)同, 保障復(fù)雜場(chǎng)景下的用戶體驗(yàn).

(2) 基于數(shù)字孿生的智能化運(yùn)維管理體系

平臺(tái)利用數(shù)字孿生技術(shù), 構(gòu)建智能化運(yùn)維管理系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)面向物管的全林帶數(shù)字孿生, 完成林帶內(nèi)所有設(shè)備的全生命周期智能化管理運(yùn)維, 同時(shí)基于物聯(lián)網(wǎng)泛在感知、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)和AI技術(shù), 構(gòu)建智能化運(yùn)營(yíng)管控模型, 實(shí)現(xiàn)林帶故障智能化診斷與處理、預(yù)測(cè)性運(yùn)維、智能工單派發(fā)等智慧化運(yùn)維功能,降低物管的運(yùn)維成本, 提升管理效率.

1)故障預(yù)測(cè)

幸福林帶運(yùn)營(yíng)過(guò)程中, 不同子系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生了大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)和記錄, 例如故障記錄、維修記錄、運(yùn)行狀態(tài)、異常信息等, 且數(shù)據(jù)包含的特征與故障存在某種隱藏的相關(guān)性. 結(jié)合大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù), 發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障出現(xiàn)的規(guī)律, 構(gòu)建故障與時(shí)間相關(guān)模型, 預(yù)測(cè)故障出現(xiàn)的可能性和位置, 有助于協(xié)助物管進(jìn)行部署預(yù)測(cè)性維修, 延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命.

2)智能診斷

幸福林帶中, 數(shù)10萬(wàn)子系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行, 且相互之間關(guān)聯(lián)復(fù)雜. 利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)分析持續(xù)積累的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備中存在的異常值, 并能夠迅速判斷異常類型和定位異常設(shè)備, 指導(dǎo)物管人員排除故障,提高維護(hù)效率.

3)壽命預(yù)測(cè)

構(gòu)建系統(tǒng)設(shè)備全壽命周期模型, 通過(guò)持續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、歷史故障數(shù)據(jù)、累計(jì)的維修記錄等, 評(píng)估設(shè)備健康程度和置信閾值, 模擬系統(tǒng)設(shè)備的退化模式,預(yù)測(cè)設(shè)備剩余使用壽命, 指導(dǎo)人員進(jìn)行提前替換, 避免潛在的不必要事故出現(xiàn), 提高系統(tǒng)健壯性.

4)事件模擬與推演

幸福林帶區(qū)域空間大、設(shè)備種類多且關(guān)聯(lián)復(fù)雜,對(duì)某些故障事件需多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)處理, 如何有效合理的協(xié)同調(diào)動(dòng)工作是智慧化物管能力的重要體現(xiàn), 也是幸福林帶安全重要保證. 目前在做應(yīng)急決策時(shí)完全依賴于人為決策, 缺乏各種可供參考信息輔助決策, 通過(guò)事件模擬、演示與推演技術(shù)、交互式會(huì)商與協(xié)同技術(shù)有機(jī)集成, 構(gòu)建可視化決策環(huán)境, 為專家提供決策分析與決策可視化工具, 提高應(yīng)急決策方案的可行性、準(zhǔn)確性與快速反應(yīng)能力.

4.2 5大功能體系

如圖3所示, 本平臺(tái)的智慧應(yīng)用分為面向市民游客、面向公共安全、面向林帶管理、面向建筑設(shè)備以及面向決策的5大類智能應(yīng)用, 每一個(gè)具體的智慧系統(tǒng)應(yīng)用功能對(duì)應(yīng)的都是一系列管理、運(yùn)維、服務(wù)的系統(tǒng)功能.

圖3 智慧林帶應(yīng)用體系示意圖

(1) 面向市民游客的智慧應(yīng)用

綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 為市民游客提供跨時(shí)空域全方位的服務(wù). 例如用戶平臺(tái)將林帶內(nèi)景觀、交通、服務(wù)、商戶、個(gè)人信息與運(yùn)動(dòng)交互等方面資源進(jìn)行整合, 協(xié)助用戶制定最優(yōu)出行線路,并事先安排好整條線路的交通、居住、用餐、休閑娛樂(lè)等事項(xiàng), 減少用戶等待時(shí)間. 在地上公園區(qū)域, 以公共綠道活動(dòng)空間為載體, 采用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 匯聚成包含多參數(shù)多用戶的大數(shù)據(jù)平臺(tái), 并根據(jù)用戶的運(yùn)動(dòng)信息, 結(jié)合現(xiàn)代醫(yī)學(xué)、AI技術(shù), 為用戶健康提供私人定制式的健康指導(dǎo). 利用林帶范圍內(nèi)WiFi、藍(lán)牙、攝像頭等基礎(chǔ)設(shè)施, 實(shí)現(xiàn)多粒度多場(chǎng)景的無(wú)縫定位和實(shí)時(shí)路線規(guī)劃, 規(guī)避人群擁擠區(qū)域.

(2)面向公共安全的智慧應(yīng)用

作為人員密集的公共場(chǎng)所, 幸福林帶要對(duì)公共安全時(shí)刻保持警惕, 平臺(tái)通過(guò)多系統(tǒng)之間互聯(lián)互通協(xié)操作保障區(qū)域內(nèi)的公共安全. 例如, 在智慧安防方面, 通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安保巡更系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、門禁出入口控制系統(tǒng)、無(wú)線對(duì)講系統(tǒng), 以及BIM+GIS可視化系統(tǒng)、門禁消防系統(tǒng)、防爆安全檢查系統(tǒng)等多系統(tǒng)安防聯(lián)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)安防體系和應(yīng)急指揮體系, 提高應(yīng)急響應(yīng)和處理效率. 智慧消防, 采用只監(jiān)不控, 協(xié)助聯(lián)動(dòng)防控的策略. 根據(jù)起火位置設(shè)置合理的疏散路線并開(kāi)啟疏散指示燈, 引導(dǎo)顧客疏散至安全位置, 同時(shí)自動(dòng)通知消防值班人員并啟動(dòng)消防設(shè)備進(jìn)行滅火處理. 為避免人群聚集, 智慧導(dǎo)引通過(guò)視頻網(wǎng)絡(luò)、WiFi探針、5G智能感知等技術(shù), 對(duì)進(jìn)入林帶的顧客進(jìn)行跨區(qū)域、跨業(yè)態(tài)不間斷的身份識(shí)別、位置信息和行為數(shù)據(jù)收集,精準(zhǔn)推送顧客感興趣的周邊商鋪、商品等, 實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整方案, 在降低安全隱患的同時(shí), 為林帶內(nèi)各商戶合理引流, 并提高顧客體驗(yàn).

(3)面向林帶管理的智慧應(yīng)用

林帶管理體系龐雜, 需要通過(guò)智慧化應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行梳理, 建立針對(duì)林帶管理的應(yīng)用體系, 協(xié)助實(shí)現(xiàn)智慧化運(yùn)維. 幸福林帶智慧運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù), 旨在解決數(shù)據(jù)共享不及時(shí)、信息管理封閉、人工監(jiān)管低效的問(wèn)題, 實(shí)現(xiàn)林帶日常管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和精細(xì)化, 優(yōu)化管理流程, 提高管理效率. 例如, 利用RFID技術(shù)管理林帶區(qū)域內(nèi)的固定資產(chǎn), 實(shí)現(xiàn)物資的監(jiān)管、使用、置換等工作的自動(dòng)化、數(shù)字化, 并根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)整體項(xiàng)目進(jìn)行資產(chǎn)結(jié)構(gòu)分析和資產(chǎn)評(píng)估, 以實(shí)現(xiàn)智慧資產(chǎn)管理. 在智慧停車方面, 將停車與人活動(dòng)意圖相結(jié)合, 智能合理制定路線, 避免車流擁堵, 通過(guò)接入城市智能交通有助于城市交通疏導(dǎo). 在環(huán)境監(jiān)測(cè)管理中, 建立全方位的環(huán)境傳感網(wǎng)絡(luò), 依托BIM+GIS的三維可視化平臺(tái)和人工智能技術(shù)建立環(huán)境傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和環(huán)保監(jiān)測(cè)指揮調(diào)度智慧環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng), 完成環(huán)境質(zhì)量狀況客觀、準(zhǔn)確、智能分析監(jiān)測(cè), 環(huán)保資源智慧、科學(xué)、有效分配調(diào)度,實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)、零接觸收集、精準(zhǔn)化管理.

(4)面向建筑設(shè)備的智慧應(yīng)用

作為我國(guó)最大的單體地下綜合林帶項(xiàng)目, 幸福林帶需要對(duì)整體的建筑設(shè)備進(jìn)行智慧化運(yùn)營(yíng)管控, 實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇、能源、機(jī)房、照明等至關(guān)重要環(huán)節(jié)的綜合管控. 智慧林帶運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)踐行數(shù)字孿生理念, 實(shí)現(xiàn)物理世界和虛擬計(jì)算空間的無(wú)縫聯(lián)接, 利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)持續(xù)采集所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù), 基于機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù), 智能評(píng)估設(shè)備及系統(tǒng)健康狀態(tài); 及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患, 提前作出故障預(yù)警, 或者在發(fā)生故障時(shí)實(shí)時(shí)定位異常所在, 為物業(yè)管理人員提供準(zhǔn)確的診斷建議和維修方案, 以提高了設(shè)備的可用性、穩(wěn)定性和安全性, 同時(shí)支持物業(yè)工單智能派發(fā)、巡更人性化管理,做到有的放矢, 實(shí)時(shí)響應(yīng). 例如, 在智慧能源方面, 利用物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水、電、氣等能源的消耗量, 通過(guò)能源可視化模塊將能源消耗狀態(tài)、能耗構(gòu)成情況和能耗目標(biāo)等清晰呈現(xiàn). 隨著數(shù)據(jù)的積累, 利用人工智能技術(shù)逐步建立林帶自己的能源管控模型,自主學(xué)習(xí)優(yōu)化.

(5)面向決策的數(shù)據(jù)智能應(yīng)用

通過(guò)將項(xiàng)目中各個(gè)業(yè)務(wù)子集、服務(wù)子集、管理子集的各類海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析, 實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)流引領(lǐng)服務(wù)流、業(yè)務(wù)流、管理流, 將深刻影響項(xiàng)目分工協(xié)作服務(wù)的組織模式, 促進(jìn)服務(wù)組織方式的集約和創(chuàng)新, 并且為服務(wù)部門、業(yè)務(wù)部門、管理部門的分析、決策提供依據(jù), 促進(jìn)項(xiàng)目各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合和資源整合. 建立“創(chuàng)新性服務(wù)、科學(xué)化決策、智能化管理”的服務(wù)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的科學(xué)決策, 推動(dòng)幸福林帶項(xiàng)目決策管理理念和決策模式的進(jìn)步, 實(shí)現(xiàn)幸福林帶科技化決策的新場(chǎng)景.

5 總結(jié)

智慧城市運(yùn)營(yíng)管控平臺(tái)是一個(gè)規(guī)模大、創(chuàng)新強(qiáng)、多系統(tǒng)、跨學(xué)科、業(yè)務(wù)復(fù)雜的智慧化集成項(xiàng)目. 建設(shè)應(yīng)遵循規(guī)劃大、起步小、升級(jí)快、兼容強(qiáng)的建設(shè)原則.即在規(guī)劃階段要從全局思考、頂層設(shè)計(jì), 同時(shí)具有發(fā)展眼光向未來(lái)展望; 在設(shè)計(jì)初期從細(xì)微著手, 深度挖掘需求和問(wèn)題, 堅(jiān)持快速更新迭代, 敏捷開(kāi)發(fā)的建設(shè)原則保持平臺(tái)靈活性, 以及強(qiáng)延展性, 高度擴(kuò)展性. 充分借助物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù), 達(dá)到人、物理設(shè)備與信息系統(tǒng)三元有機(jī)融合, 確保管理、服務(wù)、運(yùn)營(yíng)和發(fā)展的數(shù)字化、精準(zhǔn)化、多元化以及智慧化, 最終為政府改善民生、管理市政提供決策支持, 形成良好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益.