基于CIM的城市揚塵治理綜合管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

羅紹輝，曾玄介

（1.南寧市勘測設計院集團有限公司，廣西 南寧 530022）

揚塵是影響空氣質(zhì)量、危害居民身體健康的污染源之一[1]，建筑工地、道路、敞開的料堆、裸露地面和渣土車帶泥上路等都是揚塵的主要源頭。隨著人們環(huán)保意識的增強，對于揚塵污染越來越關注。揚塵治理是改善城市大氣環(huán)境質(zhì)量，推進生態(tài)文明的迫切需要[2]。城市信息模型（CIM）是三維數(shù)字空間的城市信息綜合體[3]，整合了建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術，匯聚了時空地理信息、感知監(jiān)測信息、公共數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)和三維模型等海量多源異構信息，具有數(shù)據(jù)采集、分析、存儲和表達等功能。CIM與城市場景應用需求相結合，可為城市規(guī)建管全過程“智慧”賦能[4]。

本文通過整合視頻監(jiān)控、環(huán)保在線監(jiān)控以及渣土車出入實時信息等數(shù)據(jù)，對接各揚塵治理參與單位，匯聚政務審批數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，采集車輛軌跡，搭建了城市揚塵治理綜合管理系統(tǒng)；通過人工智能技術，實現(xiàn)了揚塵事件分析研判預警和全流程管控，為揚塵執(zhí)法監(jiān)管提供了技術依據(jù)和指導。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)架構設計

本文利用市級政務云計算、網(wǎng)絡、存儲、安全等基礎資源，統(tǒng)籌考慮網(wǎng)絡運行環(huán)境與安全，運用SOA架構[5]、移動互聯(lián)等信息技術，協(xié)同業(yè)務處理、數(shù)據(jù)交換，綜合信息服務進行系統(tǒng)設計與實施。系統(tǒng)總體架構由5個層面、兩大保障體系、4個服務對象組成，如圖1所示。基礎設施層[6]包括系統(tǒng)的計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡資源和安全資源。數(shù)據(jù)支撐層對接政務數(shù)據(jù)中心，負責采集系統(tǒng)所需的預警預報數(shù)據(jù)、案件數(shù)據(jù)、分析研判數(shù)據(jù)、采石場檔案、攪拌站檔案、建筑工地檔案、消納場檔案以及運輸車輛檔案，并對數(shù)據(jù)存儲體系進行統(tǒng)一管理，通過對接政務數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)與其他政府部門、企事業(yè)單位的數(shù)據(jù)共享，通過建設數(shù)據(jù)服務總線實現(xiàn)城管中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享和交換。應用支撐層提供了統(tǒng)一的技術架構和運行環(huán)境，為系統(tǒng)建設提供通用的應用服務和集成服務，為資源整合和信息共享提供運行平臺，主要由GIS和CIM、大數(shù)據(jù)平臺、視頻監(jiān)控管理平臺和開發(fā)類通用支撐軟件構成。業(yè)務應用層利用大數(shù)據(jù)、視頻圖像分析、車輛特征識別、車輛軌跡預測、移動卡點視頻監(jiān)控等技術和微信公眾號平臺，實現(xiàn)預警預報、分析研判，在智能化、自動化方面進行優(yōu)化，以減少人工研判的勞動成本，實現(xiàn)揚塵數(shù)據(jù)展示、揚塵一張圖，輔助決策工作。用戶層為揚塵治理相關單位、工作人員以及社會公眾等服務對象提供交互服務。

圖1 總體架構圖

1.2 系統(tǒng)功能設計

本文基于CIM構建系統(tǒng)，采集采石場、攪拌站、建筑工地、消納場四大揚塵污染源頭的基本信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合車輛定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控等，利用車輛軌跡，自動對運輸車輛的違規(guī)行為進行報警；再結合環(huán)保、氣象、重大活動等預案，利用電子圍欄技術對車輛違規(guī)上路、建筑工地違規(guī)開工等行為進行預報，分析研判揚塵違規(guī)情形，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化統(tǒng)計分析。具體功能設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能模塊設計

1.3 系統(tǒng)關鍵技術

大數(shù)據(jù)資源中心采用Phoenix、HBase分布式存儲技術和分布式并行數(shù)據(jù)庫技術[7]，存儲從數(shù)據(jù)源采集到的數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)存儲資源池。

引入Kafka作為架構中樞，用于發(fā)布和訂閱車輛軌跡流記錄，以高容錯的方式存儲流記錄并可對流進行實時處理。以順序讀寫磁盤和零拷貝技術的方式實現(xiàn)高吞吐率，保證服務模塊間高內(nèi)聚、低耦合，使數(shù)據(jù)通道變得簡單，減輕下游數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的壓力，提高系統(tǒng)擴展性[8]。

視頻圖像分析模塊采用Yolov5目標檢測算法對車輛進行智能圖像識別，通過污染源頭出入口和城市道路上的視頻監(jiān)控捕獲過往車輛的圖片信息，利用相似度對比算法完成車型、車牌分析，對車身未清洗、密閉不嚴等車輛目標特征進行判別。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本文以CIM平臺為系統(tǒng)底座，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)資源分析展示、視頻識別和業(yè)務管理等功能，打造事前預防、案前預警、案中聯(lián)合執(zhí)法、案后信用考評的揚塵治理“智腦”模式。

2.1 CIM平臺

本文利用BIM+GIS搭建CIM平臺，從城市治理的角度，整合地面建筑、工地、地上城市部件和地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)等城市資產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)城市資產(chǎn)全生命周期管理。在矢量專題圖層展示、視頻融合緩沖區(qū)分析、疊加分析、聚合分析、熱力分析、軌跡自動糾偏、軌跡預測等GIS空間分析功能的基礎上，增加了實景三維數(shù)據(jù)、精細化三維模型以及BIM數(shù)據(jù)的集成管理功能，以滿足城市精細化管理的需求。通過數(shù)據(jù)接口將管理業(yè)務數(shù)據(jù)匯集到CIM平臺功能板塊上[9]，可在平臺查看區(qū)域揚塵動態(tài)信息，以地理空間為載體提供實時動態(tài)數(shù)據(jù)服務，擴展與各部門業(yè)務系統(tǒng)的鏈接，在系統(tǒng)中體現(xiàn)為案件發(fā)生位置、預警案件位置、交警卡口車輛經(jīng)過位置、建筑工地與消納場范圍和位置；實現(xiàn)了電子卡口、攝像頭、監(jiān)測儀器（車輛GPS、執(zhí)法記錄儀、工地揚塵監(jiān)控）等物聯(lián)網(wǎng)[10]傳感器數(shù)據(jù)的接入。數(shù)據(jù)動態(tài)展示如圖3所示。

圖3 CIM平臺數(shù)據(jù)動態(tài)展示界面

2.2 大數(shù)據(jù)資源中心

大數(shù)據(jù)資源中心是系統(tǒng)連接政務網(wǎng)的橋梁，系統(tǒng)通過接口自動抓取政務數(shù)據(jù)中心各部門的共享數(shù)據(jù)，同時可配置系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)，提供給其他部門使用。將政務數(shù)據(jù)與自身數(shù)據(jù)聚合為4類專題數(shù)據(jù)：①車輛專題數(shù)據(jù)，聚合交警卡口過車記錄、機動車道路通行證、機動車信息、攪拌車信息、攪拌車定位信息、全國道路運輸平臺渣土車定位信息與渣土車基本信息、車輛進出工地記錄等車輛專題數(shù)據(jù)；②建筑工地專題數(shù)據(jù)，聚合工地揚塵監(jiān)測數(shù)據(jù)、工地開停工狀態(tài)信息、工程規(guī)劃許可證、企業(yè)誠信行為得失分、質(zhì)量安全監(jiān)督登記記錄、土地供應紅線、不動產(chǎn)宗地確權范圍線等工地專題數(shù)據(jù)；③視頻專題數(shù)據(jù)，聚合污染源出入口視頻數(shù)據(jù)、交警卡口視頻數(shù)據(jù)、視頻掉線記錄、出入口視頻過車抓拍記錄等視頻專題數(shù)據(jù)；④揚塵類違規(guī)案件數(shù)據(jù)，聚合案件全生命周期數(shù)據(jù)、違規(guī)工地評級、違規(guī)車輛評級、違規(guī)公司評級、執(zhí)法隊伍信息數(shù)據(jù)、可疑消納場位置以及各類案件分析數(shù)據(jù)。用戶可從管理界面查看數(shù)據(jù)資源的趨勢分析，獲取單位的統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)增量分析、訪問量分析等，如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)資源中心展示界面

2.3 業(yè)務管理平臺

多維應用場景可展示揚塵治理相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精細化治理，為揚塵治理指揮調(diào)度人員部署、事件處置等提供決策依據(jù)，并與執(zhí)法系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)決策指揮一體化。從非接觸式執(zhí)法的角度對揚塵相關事件進行處理，管理者可直觀查看整個監(jiān)管環(huán)節(jié)揚塵相關的分析統(tǒng)計資料以及案件的全生命周期，對已發(fā)生的案件進行指揮調(diào)度。

2.3.1 主動發(fā)現(xiàn)和監(jiān)管

案件的發(fā)現(xiàn)是系統(tǒng)的重點，利用視頻圖像分析、CIM空間分析和電子圍欄技術，根據(jù)車輛進出記錄、消納場性質(zhì)等條件，自動發(fā)現(xiàn)工地違規(guī)開工、車輛密閉不嚴、車身未沖洗等建筑工地違規(guī)事件，非法黑消納場消納、已填滿消納場繼續(xù)消納、審批范圍外消納等消納場違規(guī)事件以及車輛未知去向消納場、無證車輛進入工地、車輛行駛中的撒漏、違規(guī)關閉定位等車輛違規(guī)事件。當環(huán)保監(jiān)測發(fā)現(xiàn)AQI超標時，系統(tǒng)將聯(lián)合城管、交警、交通、住建等部門同步開啟重大預案預警功能，對需要停工的污染源和車輛進行嚴格監(jiān)控，如圖5所示。系統(tǒng)若判定污染源存在違規(guī)開工的情況將生成預警，并推送發(fā)現(xiàn)的污染源信息與車輛信息；管理者可利用系統(tǒng)指揮、調(diào)度人員到相應的案發(fā)現(xiàn)場處理揚塵違規(guī)行為。

圖5 預案預警監(jiān)控圖

2.3.2 聯(lián)合執(zhí)法和高位監(jiān)督

系統(tǒng)在獲取執(zhí)法人員處理的反饋信息后，進行結案確認。通過構建揚塵誠信體系，對違規(guī)源頭公司、違規(guī)車輛公司進行聯(lián)合懲戒，定期發(fā)布車輛、企業(yè)的違規(guī)失信行為，增加企業(yè)、個人失信的違規(guī)成本，同時對違規(guī)案件的責任部門進行考評，強化監(jiān)管能力。

在揚塵治理應急指揮調(diào)度和指揮跨城區(qū)處置城管執(zhí)法案件等高位指揮調(diào)度情境下，利用系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺對匯聚的揚塵治理各責任部門的相關數(shù)據(jù)進行二次綜合分析，形成揚塵治理指揮決策的“智慧中樞”，推動各部門揚塵治理工作對內(nèi)、對外的銜接，利用數(shù)據(jù)分析研判、預警預報等功能為行業(yè)管理和各層級執(zhí)法提供管理和執(zhí)法輔助。

3 結語

本文采用基于CIM的智慧城市技術架構體系構建了城市揚塵治理綜合管理系統(tǒng)，并對系統(tǒng)在城市治理方面的應用展開了分析，提供了基于CIM的城市治理解決方案，為市級信息共享、標準統(tǒng)一、城市綜合管理提供了技術保障。系統(tǒng)還存在一些亟需解決的問題，如對城市基礎設施、地下空間、生態(tài)環(huán)境、道路交通的實時感知不全，城市運行規(guī)律深度挖掘不夠等。只有很好地解決上述問題，才能實現(xiàn)風險與問題的早期預測預警和高效處置，使系統(tǒng)真正發(fā)揮作用、產(chǎn)生效益，成為城市綜合治理的基礎，提升城市綜合服務水平。