梁 冰，周新宇，鐘 鈁，賈慧娟，薛 箏

（1.北京市西城區(qū)規(guī)劃管理信息中心，北京 100044；2.北京小月河科技園有限責(zé)任公司，北京 100191）

0 引 言

以歷史文化保護(hù)區(qū)精細(xì)化監(jiān)測和智能管理為核心目標(biāo)，以白塔寺街區(qū)為應(yīng)用示范對(duì)象，本文圍繞文保區(qū)和舊城現(xiàn)實(shí)問題，采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)研究建設(shè)西城區(qū)歷史文化街區(qū)多層次動(dòng)態(tài)監(jiān)測體系及可視化運(yùn)行監(jiān)測與應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)歷史文化保護(hù)區(qū)運(yùn)行監(jiān)測管理精細(xì)化和智能化，促進(jìn)歷史文化名城保護(hù)、規(guī)劃與日常管理，探索解決舊城更新問題、歷史文化名城保護(hù)與日常管理的新思路和新方法，為其他同類項(xiàng)目建設(shè)提供參考，形成示范帶動(dòng)效應(yīng)[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測體系設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測體系由前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)初步處理系統(tǒng)、后端數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)組成，其中數(shù)據(jù)傳輸通過手機(jī)無線通信進(jìn)行[2]。物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測體系架構(gòu)如圖1所示。

前端設(shè)備采用成熟的物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)及傳輸技術(shù)，對(duì)白塔寺街區(qū)的人流、車流、環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)測。

（1）人流監(jiān)測

在白塔寺街區(qū)外圍主要出入口、街區(qū)內(nèi)主要道路交叉口布設(shè)傳感器，方便對(duì)人流進(jìn)行監(jiān)測。將得到的精細(xì)化人口動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用于對(duì)街區(qū)人口分布及流動(dòng)的分析、街區(qū)各類公共空間的使用現(xiàn)狀分析以及街區(qū)各類公共空間的使用現(xiàn)狀分析。

（2）車流監(jiān)測

在白塔寺街區(qū)外圍主要出入口、街區(qū)內(nèi)主要道路交叉口布設(shè)傳感器，對(duì)車流進(jìn)行監(jiān)測。將得到的精細(xì)化車流量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用于對(duì)街區(qū)停車需求的分析。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測體系

（3）環(huán)境監(jiān)測

在白塔寺街區(qū)內(nèi)選取50～100 m為間距的網(wǎng)格，布設(shè)環(huán)境監(jiān)測傳感器，對(duì)顆粒物濃度、溫濕度、噪音等環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測。將得到的精細(xì)化環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)用于對(duì)街區(qū)內(nèi)低端產(chǎn)業(yè)的識(shí)別、對(duì)街區(qū)內(nèi)揚(yáng)塵頻發(fā)區(qū)的識(shí)別及特定化學(xué)物質(zhì)濃度較高區(qū)域的識(shí)別，并據(jù)此進(jìn)行相關(guān)分析[3]。

1.2 監(jiān)測與管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體技術(shù)方案采用B/S架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 技術(shù)架構(gòu)圖

本文系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖的組成要素如下：

（1）物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測層：包括人流監(jiān)測、車流監(jiān)測、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的各類傳感器設(shè)備及數(shù)據(jù)采集與傳輸，集成數(shù)據(jù)的收集與傳輸[4]。

（2）數(shù)據(jù)資源層：融合各類物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與項(xiàng)目示范區(qū)域相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)服務(wù)，并為各專項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)提供共性數(shù)據(jù)服務(wù)支撐。

（3）分析層：基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和文保時(shí)空數(shù)據(jù)庫，提供數(shù)學(xué)分析與挖掘能力。例如，通過復(fù)合分析人口、交通、環(huán)境和空間的關(guān)系，各要素間的相互作用機(jī)制，為各類規(guī)劃決策提供支持，在歷史文化街區(qū)保護(hù)與本地居民的舒適生活間尋找最優(yōu)解決方案。

（4）運(yùn)行監(jiān)測與管理層：通過全面掌握各類數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，基于可視化手段對(duì)示范區(qū)域各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測與管理、對(duì)重點(diǎn)專題或指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警。

（5）應(yīng)用層：面向各業(yè)務(wù)部門，提供監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析結(jié)果的可視化展現(xiàn)等應(yīng)用。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)來源于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備獲取的信息。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)、人流量數(shù)據(jù)、車流量數(shù)據(jù)，其屬性分別見表1～表3所列。

表1 環(huán)境質(zhì)量屬性

表2 人流量屬性

表3 車流量屬性

1.4 具體功能設(shè)計(jì)

1.4.1 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理模塊即系統(tǒng)主界面，利用可視化手段展示時(shí)空人口數(shù)據(jù)圖層、時(shí)空法人數(shù)據(jù)圖層、時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)圖層、文保專題數(shù)據(jù)圖層、專項(xiàng)大數(shù)據(jù)資源圖層等。左側(cè)為可折疊菜單欄，中間為地圖窗口，右側(cè)為圖表窗口?？赏ㄟ^點(diǎn)擊地圖窗口右側(cè)的圖層按鈕查看人口數(shù)據(jù)、法人數(shù)據(jù)、房屋數(shù)據(jù)、名木古樹數(shù)據(jù)等[5]?；A(chǔ)信息模塊主界面如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)信息模塊主界面

1.4.2 人流量監(jiān)測可視化

本模塊可以通過點(diǎn)擊地圖窗口的監(jiān)測設(shè)備顯示動(dòng)態(tài)人流熱力圖：將示范區(qū)域步行道路監(jiān)控點(diǎn)位人流量數(shù)據(jù)以道路交叉口為基礎(chǔ)進(jìn)行可視化展示，表明各路口不同時(shí)段的雙向通行人員計(jì)數(shù)；將監(jiān)控點(diǎn)位人流量數(shù)據(jù)以道路為基礎(chǔ)進(jìn)行熱力圖可視化展示，表明各路段不同時(shí)間的雙向通行人員計(jì)數(shù)。在右側(cè)圖標(biāo)中展示人流量監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線，在地圖彈出框中查看該位置設(shè)備的名稱、序列號(hào)、工作狀態(tài)、布設(shè)時(shí)間等信息。人流量監(jiān)測模塊主界面如圖4所示。

圖4 人流量監(jiān)測模塊主界面

1.4.3 車流量監(jiān)測可視化

本模塊可以通過點(diǎn)擊地圖窗口的監(jiān)測設(shè)備，在右側(cè)圖標(biāo)中展示車流量監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。將示范區(qū)步行道路監(jiān)控點(diǎn)位車流量數(shù)據(jù)以道路交叉口為基礎(chǔ)進(jìn)行可視化展示，表明各路口不同時(shí)段的雙向通行車輛計(jì)數(shù)；將監(jiān)控點(diǎn)位車流量數(shù)據(jù)以道路為基礎(chǔ)進(jìn)行熱力圖可視化展示，表明各路段不同時(shí)間的雙向通行車輛計(jì)數(shù)，在地圖彈出框中查看該位置設(shè)備的名稱、序列號(hào)、工作狀態(tài)、布設(shè)時(shí)間等信息。車流量監(jiān)測模塊主界面如圖5所示。

圖5 車流量監(jiān)測模塊主界面

1.4.4 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測可視化

本模塊可以通過點(diǎn)擊地圖窗口的監(jiān)測設(shè)備，在右側(cè)圖標(biāo)中展示各項(xiàng)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線。將示范區(qū)監(jiān)測的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)以監(jiān)控點(diǎn)位為基礎(chǔ)，進(jìn)行熱力圖可視化展示，表明各環(huán)境指標(biāo)的時(shí)空變化特征。在地圖彈出框中查看該位置設(shè)備的名稱、序列號(hào)、工作狀態(tài)、布設(shè)時(shí)間等信息。向下拖動(dòng)進(jìn)度條，可以查看幾項(xiàng)主要數(shù)據(jù)的最新值以及最近一次的采集時(shí)間。環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測模塊主界面如圖6所示。

圖6 環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測模塊主界面

2 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 高集成度多參數(shù)多源傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)

本文研究了多參數(shù)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集方式、供電方式、數(shù)據(jù)傳輸方式等。研究物理量、化學(xué)量以及噪音的分體式采集、時(shí)分同步采集等技術(shù)，研制了高集成度多參數(shù)多源傳感器，能夠采集18項(xiàng)參數(shù)：人流量、機(jī)動(dòng)車流量、環(huán)境質(zhì)量（溫度，濕度，風(fēng)速，風(fēng)向，光照度，噪聲，氣壓，紫外線強(qiáng)度，PM2.5，PM10，CO2，SO2，NO2，CO，O3，VOC）。該傳感器是目前采集參數(shù)最多、功能最全的小體量級(jí)城市環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于任何需要進(jìn)行大氣環(huán)境、人車流量監(jiān)測的場所[6]。

在多參數(shù)數(shù)據(jù)采集方面，針對(duì)大氣環(huán)境質(zhì)量中的化學(xué)量監(jiān)測彼此間擾動(dòng)大，在單臺(tái)設(shè)備上同時(shí)實(shí)現(xiàn)4項(xiàng)以上化學(xué)量準(zhǔn)確測量的設(shè)備較少。通過在設(shè)備內(nèi)部空間增加隔離設(shè)計(jì)，并經(jīng)過反復(fù)測試迭代，實(shí)現(xiàn)了6項(xiàng)化學(xué)量的同步精確測量（O3，CO，SO2，NO2，CO2，VOC）。通過研究將噪音與其他傳感器進(jìn)行時(shí)域分離采集，消除其他傳感器在采集數(shù)據(jù)過程中產(chǎn)生的噪音，還原設(shè)備現(xiàn)場真實(shí)的噪音數(shù)據(jù)。

2.1.2 基于LBS數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的人口分析技術(shù)

針對(duì)手機(jī)信令數(shù)據(jù)受區(qū)域手機(jī)基站密度所限，數(shù)據(jù)空間精度相對(duì)較低，適合較大區(qū)域間的人口流動(dòng)分析。LBS數(shù)據(jù)空間精度較高，但無法體現(xiàn)各網(wǎng)格間的人口流動(dòng)情況。通過研究基于互聯(lián)網(wǎng)的LBS數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的實(shí)時(shí)人口分析技術(shù)，將區(qū)域各地塊的LBS人口數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的人流量數(shù)據(jù)相結(jié)合，對(duì)區(qū)域各地塊的實(shí)時(shí)人口數(shù)進(jìn)行分析，建立LBS數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)融合的人口分析模型，實(shí)現(xiàn)城市小尺度空間的實(shí)時(shí)人口數(shù)量計(jì)算。

2.1.3 基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的區(qū)域運(yùn)行態(tài)勢分析技術(shù)

通過建立區(qū)域運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)模型、區(qū)域運(yùn)行預(yù)測預(yù)警模型、區(qū)域運(yùn)行綜合態(tài)勢模型，將空間數(shù)據(jù)信息和動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行融合關(guān)聯(lián)，并集成區(qū)域運(yùn)行的各類指標(biāo)、閾值數(shù)據(jù)，進(jìn)行歷史文化保護(hù)區(qū)環(huán)境及人車流量及相關(guān)事件信息的預(yù)警預(yù)測，支撐歷史文化區(qū)的運(yùn)行管理。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文系統(tǒng)采用B/S軟件結(jié)構(gòu)體系，前臺(tái)運(yùn)用HTML5技術(shù)，數(shù)據(jù)庫使用MySQL將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，后臺(tái)使用Java技術(shù)實(shí)現(xiàn)前臺(tái)與后臺(tái)的高速交互。運(yùn)用移動(dòng)無線通信將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，之后通過Java將后臺(tái)數(shù)據(jù)調(diào)用至前臺(tái)，然后進(jìn)行展示、分析。地圖數(shù)據(jù)通過地圖服務(wù)器發(fā)布空間數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地圖的調(diào)用顯示等功能。

3 結(jié) 語

通過應(yīng)用研究成果，在白塔寺街區(qū)安裝了全要素城市傳感器，建設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測管理系統(tǒng)、歷史文化街區(qū)運(yùn)行分析支撐平臺(tái)及可視化運(yùn)行監(jiān)測與應(yīng)用系統(tǒng)等，可定量化分析該區(qū)域內(nèi)的人、車和環(huán)境狀況，輔助相關(guān)部門在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行管理和規(guī)劃決策，如人口疏解、公共服務(wù)設(shè)施配置等。項(xiàng)目研究成果在歷史文化保護(hù)區(qū)的運(yùn)行管理和規(guī)劃決策方面具有示范效應(yīng)與較好的推廣應(yīng)用前景。