依托智慧燈桿推進(jìn)城市生命線安全工程的思考與建議

臧 鋒，陳 荃，邱鈺真

(南京城市照明建設(shè)運(yùn)營集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210019)

引言

隨著城市建設(shè)的快速推進(jìn)，城市運(yùn)行系統(tǒng)愈加復(fù)雜，城市生命線不斷經(jīng)歷著改建、擴(kuò)建和新建，基礎(chǔ)設(shè)施種類不斷增加，數(shù)量不斷增多，規(guī)模不斷增大。城市生命線是由城市中的水力、電力、燃?xì)狻崃?、交通等基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)組成的，是保障公眾日常生產(chǎn)生活和生命安全的基礎(chǔ)防線。目前我國城市生命線基數(shù)大、增長速度快，市政管網(wǎng)總長超過200萬km[1]。城市生命線具有基礎(chǔ)性、公共性、系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性、專業(yè)性、復(fù)雜性和脆弱性的顯著特征[2]。

城市生命線系統(tǒng)與各類自然災(zāi)害、重特大安全事故等公共安全事件，防控不當(dāng)易引發(fā)耦合、疊加、連鎖反應(yīng)造成人員大量傷亡。2000年以來全國重特大事故發(fā)生在城市的比率約為53.4%，2010年以來全國一次死亡100人以上的重特大事故發(fā)生在城市的比例為75%。據(jù)應(yīng)急管理部數(shù)據(jù)和公告，統(tǒng)計自2020年以來全國各地發(fā)生的重大安全事故見表1。多地重大安全事故相繼發(fā)生，暴露出城市的安全風(fēng)險防控意識淡薄、安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)不完善、重救援輕預(yù)防、重預(yù)案輕預(yù)警等問題。研發(fā)科學(xué)的城市安全風(fēng)險識別技術(shù)，建立高效的城市安全風(fēng)險預(yù)警體系，建立完備的城市生命線安全監(jiān)測體系，用以提升城市風(fēng)險的感知與防控能力勢在必行。

表1 2020—2023年城市生命線安全工程代表性事故Table 1 Representative incidents of urbam lifehine safety projects，2020—2013

1 城市生命線安全工程的建設(shè)依據(jù)

2018年1月國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)城市安全發(fā)展的意見》中明確提出：城市的發(fā)展需深入推進(jìn)城市生命線安全工程建設(shè)，積極研發(fā)、推廣和應(yīng)用先進(jìn)的安全技術(shù)和產(chǎn)品。城市現(xiàn)代化程度越來越高，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)對生命線系統(tǒng)的依賴程度也越來越高，城市生命線系統(tǒng)安全的重要性日益凸顯。

全國各省市也相繼出臺相關(guān)政策并開展城市生命線建設(shè)工作。安徽省出臺的《關(guān)于推進(jìn)城市安全發(fā)展的實施意見》中提出：深入推進(jìn)城市生命線工程建設(shè)，建立集數(shù)據(jù)采集、管理、更新、分析于一體的城市地下管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)，建設(shè)城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)重大安全事件及時預(yù)警和快速響應(yīng)；2019年，北京市人民政府辦公廳印發(fā)的《關(guān)于推進(jìn)城市安全發(fā)展的實施意見》(京政辦發(fā)〔2019〕17號)中提出：強(qiáng)化供氣、供電、供熱、給水、排水、通信、交通等城市運(yùn)行領(lǐng)域安全監(jiān)測，推進(jìn)城市生命線系統(tǒng)預(yù)警控制自動化；2021年，上海市頒布《上海市人民政府關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市安全風(fēng)險防控的意見》。2022年，江蘇省形成《城市生命線安全工程—城市基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行智慧監(jiān)管系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》)，用以提升城市基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)范化、智慧化管理水平和智慧城市的建設(shè)水平?！稊?shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》有機(jī)融合了空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)，建立了跨區(qū)域、跨層級數(shù)據(jù)匯聚組織體系，實現(xiàn)了城市基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、監(jiān)管數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)化融合，統(tǒng)一了行業(yè)監(jiān)管協(xié)同和數(shù)據(jù)共享共用等方面的技術(shù)要求，填補(bǔ)了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)空白；對打造城市生命線安全工程建設(shè)“江蘇范式”具有重要的引領(lǐng)作用。

2 城市生命線安全工程的建設(shè)成果和局限

2.1 城市生命線在國內(nèi)城市及行業(yè)取得的成果

2.1.1 城市生命線安全工程的城市經(jīng)驗

在國內(nèi)城市生命線安全工程的建設(shè)中，合肥市具有代表性。合肥成立了由市長任組長的城市基礎(chǔ)設(shè)施安全工程建設(shè)推進(jìn)工作領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)籌推進(jìn)城市生命線工程安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，初步實現(xiàn)前端傳感器精準(zhǔn)感知、監(jiān)測系統(tǒng)精準(zhǔn)分析、監(jiān)測中心精準(zhǔn)推送、多方聯(lián)動精準(zhǔn)處置“全鏈條”管理，保障城市安全有序運(yùn)行[3]。

合肥城市生命線安全工程以公共安全科技為核心，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)為支撐，針對城市基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)行狀態(tài)搭建監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，建立監(jiān)測運(yùn)營體系，形成常態(tài)化監(jiān)測、動態(tài)化預(yù)警、精準(zhǔn)化溯源、協(xié)同化處置等核心能力，科學(xué)預(yù)防燃?xì)獗?、橋梁坍塌、城市?nèi)澇、管網(wǎng)泄漏及路面塌陷等重大安全風(fēng)險。形成了城市生命線系統(tǒng)風(fēng)險的及時感知、早期預(yù)測預(yù)警和高效處置應(yīng)對的“合肥模式”。

2.1.2 城市生命線安全工程的行業(yè)成果

國內(nèi)安防、智能物聯(lián)領(lǐng)域的頭部企業(yè)——?？低曇蕴嵘鞘猩€管理的科學(xué)化、精細(xì)化、智能化水平為導(dǎo)向，針對城市預(yù)警與研判系統(tǒng)，開發(fā)了基于攝像機(jī)的智能感知聯(lián)網(wǎng)平臺，構(gòu)建了統(tǒng)一的物聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，融合新建的物聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對接多部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度融合研判；充分整合現(xiàn)有應(yīng)急通信手段，構(gòu)建了應(yīng)急指揮信息化基礎(chǔ)支撐體系；圍繞“體系化匯聚整合的感知監(jiān)測、多維度融合研判的預(yù)警分析、跨行業(yè)協(xié)同調(diào)度的決策處置”，構(gòu)建了城市生命線預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)。漢威科技依托物聯(lián)傳感器，在燃?xì)獍踩⒊鞘泄芫W(wǎng)、城市排澇、橋梁安全等城市生命線領(lǐng)域均有相應(yīng)的專用傳感器產(chǎn)品和物聯(lián)網(wǎng)方案，構(gòu)建了從感知層到數(shù)據(jù)層、平臺層再到應(yīng)用層的軟硬件全面覆蓋的“城市生命線”整體解決方案。

2.2 城市生命線安全工程的局限性

2.2.1 “感知智能化”整體水平不高

總的來說，目前在國內(nèi)城市生命線安全工程的建設(shè)中，由于缺乏目標(biāo)導(dǎo)向的建設(shè)規(guī)劃和科學(xué)合理的智能化體系架構(gòu)，導(dǎo)致各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)交互不能有效實現(xiàn)，無法實現(xiàn)多模態(tài)綜合感知能力，因此整體的感知系統(tǒng)運(yùn)維效能偏低，不能滿足城域級城市生命線發(fā)展。而且城市生命線的運(yùn)維保障體系目前尚處于信息化的初級階段，設(shè)備“在線率”、報警“準(zhǔn)確率”等關(guān)鍵指標(biāo)普遍偏低，設(shè)施運(yùn)維投入費用過高，制約了城市生命線體系規(guī)模發(fā)展。

2.2.2 “認(rèn)知智能化”缺乏數(shù)據(jù)支撐體系

在各地城市生命線安全工程建設(shè)中，受限于安裝加載、產(chǎn)品設(shè)備、能源供給、通信網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)水平等條件，普遍存在著數(shù)據(jù)采集能力不足、數(shù)據(jù)豐富程度不夠、數(shù)據(jù)回傳速率偏低等問題，導(dǎo)致后臺對于信息的認(rèn)知與現(xiàn)場實際狀況存在偏差。同時由于數(shù)字化發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，技術(shù)“七國八制”等問題，城域級感知系統(tǒng)的全鏈路閉環(huán)模式尚未打通。

2.2.3 “決策智能化”尚無實踐應(yīng)用場景

更重要的是，由于上文所述問題，如信息傳達(dá)不及時、準(zhǔn)確率不高、點位不精準(zhǔn)、覆蓋面不全等問題，決策端無法做出正確有效的反應(yīng)。城市生命線安全工程目前完全不具備“決策智能化”的水平，更是缺乏其應(yīng)用場景，需要通過全域性、復(fù)用性、數(shù)字化、數(shù)智化感知體系的進(jìn)一步建設(shè)，最終實現(xiàn)城市生命線全體系、全過程的“決策智能化”。

3 依托智慧燈桿架構(gòu)城市生命線安全工程研究工作方向的思考

3.1 智慧燈桿的定義與用途

智慧燈桿是一種集成各種信息設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新復(fù)合應(yīng)用的智慧燈桿產(chǎn)品，具備智慧照明、Wi-Fi熱點、環(huán)境信息采集、安防及道路智慧監(jiān)控、信息發(fā)布、應(yīng)急可視報警以及智能充電樁等多種功能[4]。智慧燈桿以其優(yōu)秀的點位、廣泛的分布成為智慧城市感知體系建設(shè)的良好載體，在各類 信息與通信技術(shù)(Information and Communications Technology，ICT)技術(shù)的賦能下，可以高效集約地提供城管、市政、交通、安防、環(huán)保等多領(lǐng)域的新型公共服務(wù)。同時，合理布局的智慧燈桿網(wǎng)絡(luò)，可以為智慧城市大腦實時提供海量城市運(yùn)行數(shù)據(jù)，并實時將城市管理決策精準(zhǔn)傳達(dá)到城市各處，是構(gòu)建數(shù)字孿生城市及其交互體系的重要基礎(chǔ)[5]。

3.2 智慧路燈的國內(nèi)外應(yīng)用介紹

國外智慧路燈迅速發(fā)展，新加坡基于智慧路燈，利用智能化路燈升級組網(wǎng)，實行“智能化+LED”的升級方案，搭建智能化城市共享基礎(chǔ)設(shè)施。芝加哥在路燈燈桿上安裝傳感器，對城市數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，“燈柱傳感器”用以收集路面的各類信息，以及檢測空氣質(zhì)量、噪音水平、溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境數(shù)據(jù)，且不會侵犯個人隱私。荷蘭海牙市的海灘上也建起“智能”燈柱，并搭載攝像頭、傳感儀等設(shè)備，用于傳輸數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)燈光亮度、檢測空氣和噪音、控制交通、尋找空余的停車位等服務(wù)。

國內(nèi)智慧路燈多用于旅游景區(qū)，海南三亞天涯海角景區(qū)內(nèi)安裝智慧燈桿，集風(fēng)力發(fā)電、一鍵報警、環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、手機(jī)充電等功能供旅客的應(yīng)急需求。常州淹城景區(qū)兼顧市政道路多桿合一的建設(shè)要求，同時搭載5G微基站、智能節(jié)能照明、無線Wi-Fi、廣播、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等設(shè)施。廣州融創(chuàng)文旅城的智慧燈桿除了照明功能之外，還將5G基站、LED廣告、氣象監(jiān)測、環(huán)保監(jiān)測、充電樁、手機(jī)充電等應(yīng)用搭載在智慧燈桿上，實現(xiàn)“一桿多用”。

3.3 基于智慧路燈的城市生命線安全工程思考和建議

依托智慧燈桿布局城市生命線安全工程，對城市區(qū)域內(nèi)災(zāi)情防控狀況進(jìn)行監(jiān)測，為該區(qū)域內(nèi)的市政設(shè)施提供感知、分析與決策功能，可以有效提高城市生命線系統(tǒng)的安全保障能力，實現(xiàn)城市安全和城市智慧化同步發(fā)展。

3.3.1 以智慧燈桿為載體，建立城市生命線綜合感知平臺，提高“感知智能化”水平

以智慧燈桿為主體，加載人防、物防、無人機(jī)搭載等硬件設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)通信、通感算一體技術(shù)等數(shù)字設(shè)施建立構(gòu)建形成城市生命線安全的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，從“數(shù)字化”的整體架構(gòu)、“實時在線”的感知、“動態(tài)生長”的場景、“智能研判”的數(shù)據(jù)處理、“開放性”技術(shù)升級五個方向打造城市生命線綜合感知平臺，通過分析和處理各種來源的傳感器數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)量，評估和預(yù)測城市生命線風(fēng)險存在的問題和挑戰(zhàn)，從而建立起城市重點場景下安全風(fēng)險識別數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)多源信息的融合分析預(yù)警和推演，共同構(gòu)建一套具備全域感知能力的數(shù)據(jù)資源體系和動態(tài)監(jiān)測與監(jiān)管的風(fēng)險評估體系，建立數(shù)字化、數(shù)智化水平的城市生命線系統(tǒng)。

3.3.2 以ICT技術(shù)為支撐，建立智能研判的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為“認(rèn)知智能化”提供數(shù)據(jù)支撐

建立城市生命線標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫，分析不同場景下城市生命線的運(yùn)行特性，建立城市生命線運(yùn)行特性機(jī)制、異常情況等規(guī)律監(jiān)測模型。以數(shù)據(jù)沉淀、規(guī)律研判為依據(jù)，以達(dá)到面向城市生命線各類應(yīng)用場景的“可預(yù)警”、“自適應(yīng)”水平，有效提升對城市生命線數(shù)據(jù)管理的掌控、整合和使用能力，從而將城市生命線風(fēng)險降到最低直至消解。如，在監(jiān)測橋梁坍塌應(yīng)用場景下，依據(jù)智能感知設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型分析結(jié)果和預(yù)設(shè)的閾值，形成對風(fēng)險識別和預(yù)警研判的智能化認(rèn)知，直觀地顯示系統(tǒng)是否運(yùn)營正常、各傳感器采集的數(shù)據(jù)是否有效、各監(jiān)測項目是否有超閾值報警。

3.3.3 以優(yōu)化人機(jī)交互方式為手段，完善信息可視化界面設(shè)計，提升“決策智能化”水平

運(yùn)用認(rèn)知心理學(xué)、人因工程學(xué)等理論，具體分析城市生命線風(fēng)險檢測環(huán)節(jié)中的使用者的認(rèn)知行為，從人因角度針對具體場景，提出相應(yīng)的基于認(rèn)知機(jī)制的“認(rèn)知—出錯”風(fēng)險識別模型，以此為基礎(chǔ)將數(shù)字信息可視化，設(shè)計出科學(xué)的仿真人機(jī)界面來減輕用戶的認(rèn)知負(fù)荷，提升人機(jī)交互效率、用戶感知決策水平和系統(tǒng)整體綜合效能。例如，在火情監(jiān)測場景下，“一網(wǎng)統(tǒng)管”的復(fù)雜信息顯示火災(zāi)范圍、蔓延速度等實時態(tài)勢的界面中，可以通過改變大小、色彩、狀態(tài)等界面信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化表達(dá)，提高決策的準(zhǔn)確性和效率。

4 結(jié)語

目前城市生命線亟需數(shù)字化、智能化的升級和賦能，提升管理維護(hù)效率，保障其服役安全性和抗災(zāi)害韌性。而大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的出現(xiàn)，為解決城市生命線安全問題提供了新的機(jī)遇和方法。傳統(tǒng)的城市生命線體系正在進(jìn)行從線下到線上，從分散到集中、從粗放到集約的迭代升級，嘗試依托智慧路燈推進(jìn)城市生命線安全監(jiān)測工程成為最值得嘗試、最具潛力的建設(shè)路徑。通過充分發(fā)揮其作為數(shù)字底座的特性和優(yōu)勢，可以逐步實現(xiàn)對城市基礎(chǔ)設(shè)施生命線運(yùn)行數(shù)據(jù)的全面感知、自動采集、監(jiān)測分析、預(yù)警上報。實現(xiàn)城市生命線安全運(yùn)行管理“從人防向技防、從看不見向看得見、從事后調(diào)查處理向事前事中預(yù)警、從被動應(yīng)對向主動防控”的轉(zhuǎn)變，有效提升城市的安全韌性[6]。