基于CIM的市政設(shè)施智能運管平臺研究及應(yīng)用

張 力

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

0 引 言

城市市政基礎(chǔ)設(shè)施是保障城市運行、改善人居環(huán)境、增強城市綜合承載能力的重要支撐體系。市政設(shè)施種類繁多，運行環(huán)境復(fù)雜，其傳統(tǒng)的孤立垂直管理模式已無法滿足現(xiàn)代城市發(fā)展需求。近年來，各地相繼建立以“一網(wǎng)通”“城市大腦”為代表的數(shù)字化城市管理與運營體系，但各專業(yè)部門間仍存在職能分散、信息壁壘、資源協(xié)同難、功能可擴(kuò)展性差等問題，將市政設(shè)施狀態(tài)感知、數(shù)據(jù)融合與運管體系應(yīng)用到各行業(yè)、各層級，形成統(tǒng)一運維管控體系是當(dāng)前發(fā)展的目標(biāo)和難點。

在2020年9月由住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》中，CIM 被定義為：以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)為基礎(chǔ)，整合城市地上地下、室內(nèi)室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體。CIM 被認(rèn)為是數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)核心[1-4]，通過前述多種信息技術(shù)的綜合應(yīng)用，將包括市政基礎(chǔ)設(shè)施在內(nèi)的各類城市物理實體進(jìn)行數(shù)字化映射，進(jìn)而實現(xiàn)城市規(guī)劃建設(shè)“一張圖”，城市治理虛實“一盤棋”，城市服務(wù)情景“一站式”的目標(biāo)。利用CIM 平臺開展全方位多維度智慧城市應(yīng)用建設(shè)，已成為當(dāng)前的研究熱點[5-8]。

1 平臺設(shè)計思路

圍繞城市典型市政基礎(chǔ)設(shè)施智能化運維與管控需求，以CIM 技術(shù)為核心，針對城市市政設(shè)施模型數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型眾多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣等特點，突破市政設(shè)施管理平臺各自獨立和垂直應(yīng)用現(xiàn)狀，基于市政設(shè)施物聯(lián)數(shù)據(jù)泛在接入統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和多狀態(tài)混雜環(huán)境市政設(shè)施運維管控關(guān)聯(lián)模型，構(gòu)建市政設(shè)施智能診斷、風(fēng)險推演及決策知識數(shù)據(jù)庫，形成市政設(shè)施分類、分級智能化運維與管控的技術(shù)體系和平臺，實現(xiàn)城市典型市政設(shè)施運維聯(lián)動、管控應(yīng)急處置的高效融合和協(xié)同增效目標(biāo)，為面向特大、超大城市市政基礎(chǔ)設(shè)施的精細(xì)化管理提供大數(shù)據(jù)分析及共性能力支撐。

2 平臺總體架構(gòu)

本平臺依托基于CIM 的市政基礎(chǔ)設(shè)施三維數(shù)字底座，與物聯(lián)感知、仿真模擬、深度學(xué)習(xí)等信息技術(shù)高度融合，實現(xiàn)城市市政設(shè)施狀態(tài)全面感知、數(shù)據(jù)實時分析、風(fēng)險智能預(yù)警、信息可視呈現(xiàn)、事件分級響應(yīng)。平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺總體架構(gòu)

感知層：負(fù)責(zé)采集與市政設(shè)施日常運行有關(guān)的海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，主要包括用于獲取不同類型市政設(shè)施狀態(tài)及環(huán)境信息數(shù)據(jù)的各類傳感器或數(shù)據(jù)感知終端，如壓力傳感器、振動傳感器、溫濕度傳感器、攝像頭、GPS、RFID、智能巡檢機器人等，以及各類前端執(zhí)行設(shè)備，如攝像頭云臺、機器人伺服控制系統(tǒng)等。

設(shè)施層：平臺運行所需的網(wǎng)絡(luò)、存儲、計算、安全資源與機房配套環(huán)境等軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施。通過有線或無線、專網(wǎng)或公網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)通信方案實現(xiàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備、應(yīng)用等高效互聯(lián)互通；利用本地與云存儲計算資源相結(jié)合，為平臺提供海量數(shù)據(jù)存儲與高性能計算能力；通過物理訪問控制、身份認(rèn)證、存儲備份、防火墻等安全技術(shù)，為平臺運行提供全方位的安全保障。

數(shù)據(jù)層：為整個平臺提供支撐，為各種智能化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。相關(guān)數(shù)據(jù)主要包括物聯(lián)感知數(shù)據(jù)、時空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源調(diào)查數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控數(shù)據(jù)、工程建設(shè)項目數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)等類別數(shù)據(jù)資源。其中，物聯(lián)感知數(shù)據(jù)包括市政設(shè)施監(jiān)測數(shù)據(jù)、交通監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)、建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)、城市安防監(jiān)控數(shù)據(jù)等；時空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括測繪遙感數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)；資源調(diào)查數(shù)據(jù)包括地址調(diào)查數(shù)據(jù)、水資源數(shù)據(jù)、房屋建筑普查數(shù)據(jù)、市政設(shè)施普查數(shù)據(jù)等；規(guī)劃管理數(shù)據(jù)主要是指城市市政規(guī)劃相關(guān)數(shù)據(jù)；工程建設(shè)項目數(shù)據(jù)包括立項用地規(guī)劃許可、工程建設(shè)規(guī)劃許可、施工許可、竣工驗收數(shù)據(jù)等；公共專題數(shù)據(jù)包括社會數(shù)據(jù)、實有單位數(shù)據(jù)、宏觀經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、實有人口數(shù)據(jù)、興趣點數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)等。

能力層：是整個平臺的核心，依托感知層、設(shè)施層、數(shù)據(jù)層所提供的軟硬件與數(shù)據(jù)資源，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)泛在接入、大數(shù)據(jù)分析、人工智能深度學(xué)習(xí)、可視化等技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備接入與管理、數(shù)據(jù)匯聚、信息融合、智能診斷、決策分析、可視化展示、應(yīng)急處置等功能，主要包括物聯(lián)接入與數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)、智能診斷與分析決策系統(tǒng)、BIM+GIS 可視化展示系統(tǒng)、應(yīng)急處置分級響應(yīng)系統(tǒng)。

應(yīng)用層：為平臺提供其所支撐的典型市政基礎(chǔ)設(shè)施智能化運維與管控綜合應(yīng)用場景，包括地下管線、道路交通、城市環(huán)衛(wèi)、城市水務(wù)、應(yīng)急消防等。

3 平臺功能設(shè)計

3.1 物聯(lián)接入與數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)

物聯(lián)接入與數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)提供物聯(lián)設(shè)備管理、多源數(shù)據(jù)匯聚、異構(gòu)信息融合等功能。針對海量傳感器與數(shù)據(jù)感知終端大規(guī)模接入帶來的各種問題，如異構(gòu)設(shè)備管理、市政設(shè)施運維與管控多種業(yè)務(wù)交疊，網(wǎng)絡(luò)形式多類型并存，不同數(shù)據(jù)形式對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r性、帶寬、并發(fā)量要求各不相同等，建立支持人-機-物高效交互的多設(shè)備融合通信物聯(lián)泛在接入系統(tǒng)，實現(xiàn)市政設(shè)施數(shù)據(jù)感知終端連接服務(wù)快速發(fā)現(xiàn)，保障各類設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)連接可靠性，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)互通，解決平臺建設(shè)中的信息孤島問題，以及現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持協(xié)議種類單一，計算、分析、篩選、通信等能力較低的問題；實現(xiàn)無線、有線相結(jié)合，短距、長距異構(gòu)融合接入，保障惡劣工況下城市市政設(shè)施感知數(shù)據(jù)的高效接入和可靠傳遞；通過建立基于微服務(wù)的數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)，將不同種類數(shù)據(jù)的匯聚開發(fā)成一個個微服務(wù)，每個微服務(wù)間的業(yè)務(wù)相互獨立、互不影響，極大地保證了數(shù)據(jù)匯聚系統(tǒng)的高內(nèi)聚、低耦合的特性，實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效組織匯聚；針對市政基礎(chǔ)設(shè)施物聯(lián)感知數(shù)據(jù)來源廣、信息格式不一、時空信息變化劇烈等特點，為提高多源異構(gòu)信息處理精度，基于信息源可靠度D-S 證據(jù)理論建立多源異構(gòu)信息融合模型[9]，通過對平臺所獲取的不同市政設(shè)施狀態(tài)信息進(jìn)行特征提取，并按照一定的融合準(zhǔn)則以及每個信息源的可靠度進(jìn)行綜合判斷，得到關(guān)于市政設(shè)施狀態(tài)的初步?jīng)Q策結(jié)果。

3.2 智能診斷與分析決策系統(tǒng)

智能診斷與分析決策系統(tǒng)包括專家知識庫、風(fēng)險辨識推演、智能診斷決策等功能。針對市政設(shè)施系統(tǒng)特征和運行機理，進(jìn)一步基于人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量市政設(shè)施物聯(lián)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行語義分類識別和知識提取，形成可支持狀態(tài)診斷、風(fēng)險辨識和推理決策的專家知識庫；基于市政設(shè)施混雜環(huán)境運行的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)合其他類型數(shù)據(jù)資源，將多模態(tài)、多時空尺度、海量市政設(shè)施運行狀態(tài)數(shù)據(jù)與專家知識庫進(jìn)行實時關(guān)聯(lián)融合，實現(xiàn)混雜運行環(huán)境下市政設(shè)施的風(fēng)險辨識和推演；開發(fā)輕量級、容器化的智能決策微服務(wù)模塊，為市政設(shè)施智能化運維提供統(tǒng)一決策支持。

專家知識庫包括典型風(fēng)險事件的作用機理以及風(fēng)險辨識推演與診斷決策方法，相關(guān)風(fēng)險事件包括管線壓力異常、結(jié)構(gòu)滲漏水、結(jié)構(gòu)開裂、結(jié)構(gòu)變形超標(biāo)、外部施工入侵、道路路面積水、道路車輛超限、垃圾場站有害氣體濃度超標(biāo)、污水處理水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、消防設(shè)施狀態(tài)異常等。

3.3 BIM+GIS 可視化展示系統(tǒng)

BIM+GIS 可視化展示系統(tǒng)包括模型數(shù)據(jù)加載、3D 可視化渲染、圖文關(guān)聯(lián)展示等功能。以GIS 系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺，加載BIM 數(shù)據(jù)，并整合物聯(lián)感知、時空基礎(chǔ)、資源調(diào)查、規(guī)劃管控、工程建設(shè)項目、公共專題等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，通過對重點區(qū)域三維場景的高性能物理仿真與可視化渲染，三維展示地下管線、道路交通、城市環(huán)衛(wèi)、城市水務(wù)、應(yīng)急消防等市政設(shè)施狀態(tài)；結(jié)合智能診斷與分析決策系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以視頻畫面、柱狀圖、餅圖、折線圖或文字等形式展示市政設(shè)施的實時狀態(tài)、歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)、風(fēng)險事件告警信息、事件演變趨勢預(yù)測結(jié)果等信息。

BIM 數(shù)據(jù)包括工程建設(shè)項目規(guī)劃設(shè)計報批BIM、項目施工報批BIM、項目竣工驗收BIM。各工程建設(shè)單位因建設(shè)需要而自行設(shè)計BIM，以及必要情況下的BIM 翻模數(shù)據(jù)等。不同來源的BIM 數(shù)據(jù)應(yīng)該通過IFC（工業(yè)基礎(chǔ)類）數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范化與輕量化處理[10]。

3.4 應(yīng)急處置分級響應(yīng)系統(tǒng)

應(yīng)急處置分級響應(yīng)系統(tǒng)包括事件規(guī)模評估、響應(yīng)等級判定、應(yīng)急資源調(diào)配等功能，流程如圖2所示。當(dāng)平臺監(jiān)測到管控區(qū)域內(nèi)風(fēng)險事件發(fā)生時，首先對事件規(guī)模進(jìn)行評估，根據(jù)事件規(guī)模不同判定應(yīng)急處置響應(yīng)等級。如果事件只涉及單個單位或部門，則響應(yīng)等級判定為三級，平臺通知涉事單位自行應(yīng)對，并通知相關(guān)單位關(guān)注事態(tài)發(fā)展，啟動相應(yīng)預(yù)案；如果事件涉及兩個及兩個以上部門，且僅涉及平臺管控地區(qū)部分區(qū)域，則響應(yīng)等級判定為二級，由事先成立的應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組通過平臺協(xié)調(diào)涉事單位共同處置，相關(guān)單位啟動應(yīng)急預(yù)案；如果事件涉及平臺管控的全部區(qū)域，則響應(yīng)等級判定為一級，由應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組通過平臺協(xié)調(diào)并聯(lián)動管控區(qū)域內(nèi)各責(zé)任主體共同應(yīng)對；如果經(jīng)過上述應(yīng)急處置響應(yīng)后，事態(tài)得到控制，則應(yīng)急處置工作結(jié)束，平臺解除風(fēng)險事件告警信息，并發(fā)布應(yīng)急響應(yīng)處置結(jié)果；如果經(jīng)過上述應(yīng)急處置響應(yīng)后，事態(tài)仍未得到控制，則平臺發(fā)布擴(kuò)大應(yīng)急消息提示，由應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組向上級部門（如市應(yīng)急指揮職能部門）請求應(yīng)急增援。

圖2 應(yīng)急處置分級響應(yīng)流程

4 平臺應(yīng)用

4.1 地下管線安全監(jiān)測

針對給水、燃?xì)獾鹊叵鹿芫€的安全監(jiān)測，通過預(yù)埋于管線自身或其附近的各類物聯(lián)感知終端，實時采集管線壓力、流速、溫濕度、變形與受力狀態(tài)、周邊結(jié)構(gòu)沉降等多維數(shù)據(jù)；結(jié)合歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建具有動態(tài)閾值的管線運行狀態(tài)判別模型，對管線運行中的突發(fā)事故（如爆管、燃?xì)庑孤┑龋┻M(jìn)行風(fēng)險預(yù)警與輔助決策，最大限度地降低事故損失。

4.2 道路交通全息感知

針對城市中易堵與事故多發(fā)路段道路交通的安全監(jiān)控，依托視頻監(jiān)控、動態(tài)稱重、車流量檢測等感知設(shè)備，實時掌握道路交通運行狀況并自動識別異常事件；在對實時視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能分析的基礎(chǔ)上，重構(gòu)整個監(jiān)控路段的交通運行情況，實現(xiàn)監(jiān)控路段車輛動態(tài)孿生仿真，并對重點車輛保持全程跟蹤，為道路交通管理提供直觀、高效的數(shù)據(jù)支撐。

4.3 城市環(huán)衛(wèi)管理

平臺可接入垃圾處理廠、焚燒廠、餐廚廠的空氣質(zhì)量、水質(zhì)、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測各垃圾處理廠等單位的大氣、水質(zhì)等環(huán)境指標(biāo)。根據(jù)城市環(huán)衛(wèi)業(yè)務(wù)監(jiān)管的具體要求，對環(huán)衛(wèi)各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效監(jiān)管，輔助環(huán)衛(wèi)主管部門對環(huán)衛(wèi)工作中的人、事、物進(jìn)行實時調(diào)度，實現(xiàn)城市環(huán)衛(wèi)集中化、精細(xì)化、智慧化管理。

4.4 城市智慧水務(wù)

通過水質(zhì)檢測儀、管網(wǎng)壓力表、數(shù)據(jù)采集儀等在線監(jiān)測設(shè)備實時監(jiān)測城市供水系統(tǒng)的運行狀態(tài)，利用平臺實現(xiàn)水務(wù)管理部門與供水設(shè)施的有機整合，并可對海量水務(wù)信息進(jìn)行融合分析與智能處理，為水務(wù)管理部門提供輔助決策建議，實現(xiàn)城市水務(wù)系統(tǒng)生產(chǎn)、管理與服務(wù)流程的精細(xì)化和動態(tài)化管理。

4.5 城市應(yīng)急消防

基于數(shù)字孿生思想，利用平臺的建模與仿真能力，對重點建筑、應(yīng)急避難場所、消防設(shè)施進(jìn)行三維可視化建模，高度還原真實世界，為應(yīng)急管理部門提供相關(guān)建筑、場所及各類設(shè)施地點及布局的直觀數(shù)據(jù)，在平時可支持消防救援單位真實高效地開展各類消防預(yù)案演練，在緊急事件發(fā)生時可輔助應(yīng)急管理部門實現(xiàn)指揮與消防救援力量的精準(zhǔn)部署。

5 結(jié) 語

將以CIM 為核心的新一代信息技術(shù)引入市政基礎(chǔ)設(shè)施運維與管控體系建設(shè)中，構(gòu)建基于CIM 的市政設(shè)施智能運管平臺并開展多維度智慧城市數(shù)字孿生應(yīng)用，支撐市政基礎(chǔ)設(shè)施傳統(tǒng)運管模式的轉(zhuǎn)型升級，實現(xiàn)典型市政基礎(chǔ)設(shè)施的智能化運維與管控，有助于推動城市治理能力的現(xiàn)代化與管理水平的精細(xì)化，提升城市韌性。