趙偉偉 黃國平
(1.南京市城市規(guī)劃編制研究中心,江蘇 南京 210029;2.武大吉奧信息技術有限公司,湖北 武漢 430223)
智慧城市是城市信息化發(fā)展的目標和愿景,在發(fā)展的過程中也必然歷經(jīng)從單一到綜合、從局部到整體、從初級到高級的發(fā)展階段。特別是在數(shù)字城市、智慧城市階段,都需要時空大數(shù)據(jù)與云平臺等的支撐[1-3]。
時空大數(shù)據(jù)即時空信息基礎設施,是城市信息化不可或缺的、基礎性的、根本性的信息資源。搭建基于時空大數(shù)據(jù)的綜合感知平臺,接入物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng),得到城市實時狀態(tài)信息,同時以基于法律規(guī)定的、各行業(yè)一致的時空基準為基礎,整合囊括人口信息、經(jīng)濟數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)、文化信息等信息資源,是實現(xiàn)城市信息化的途徑和必然要求[4-6]。
本文將以綜合感知平臺建設為核心,重點介紹基于時空大數(shù)據(jù)進行綜合感知平臺建設的技術設計、建設內(nèi)容和應用成效,為今后的綜合感知平臺建設工作提供一條有效的技術路線。
隨著現(xiàn)代經(jīng)濟社會環(huán)境的逐步改善,城市現(xiàn)代化水平越來越高,2010年,IBM提出了“智慧的城市”這個概念,以全域整體感知,相互連通為設計愿景,以期更好地適應社會和經(jīng)濟在新時期的發(fā)展,針對城市資源的緊張和高質量生活需求之間的矛盾,治療“城市病”。
近年來,我國不斷發(fā)布了各類政策,著力促進物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展,不少地方政府也陸續(xù)公布了與物聯(lián)網(wǎng)相關的專項規(guī)劃、實施規(guī)劃方案,發(fā)表了針對性的發(fā)展意見,從地方土地規(guī)劃使用、產(chǎn)業(yè)基礎設施建設配套、地方稅收優(yōu)惠、核心技術開發(fā)和行業(yè)應用領域等多個方面,在政策上為整個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展提供了支持。
目前,我國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的整體產(chǎn)值已達到了萬億元的級別。行業(yè)規(guī)模在實現(xiàn)了超預期增長的同時,相關的網(wǎng)絡建設和行業(yè)應用推廣的成效也非常突出。中國也陸續(xù)推出了新基建、網(wǎng)絡強國等國家相關戰(zhàn)略,不斷推動新的網(wǎng)絡技術(如,5G、NB-IoT、IPv6等)在實際生產(chǎn)中的應用,消費和產(chǎn)業(yè)方面的物聯(lián)網(wǎng)逐步實現(xiàn)了規(guī)?;瘧?,在5G領域、車聯(lián)網(wǎng)領域等也逐步取得了突破性發(fā)展。
物聯(lián)網(wǎng)技術豐富了城市治理的手段,在智慧城市應用領域(如,水質監(jiān)測、空氣質量監(jiān)測、智慧路燈等)得到了非常廣泛地應用,提升了人民居住環(huán)境。但目前業(yè)務應用存在的煙囪建設模式,使不同系統(tǒng)使用的感知數(shù)據(jù)難以共享利用,導致物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)利用率較低,重復建設增加了利用成本。
建設綜合感知平臺,是為強化城市精細化管理,形成穩(wěn)定的建設模式,利用越來越強大的平臺功能,以接入更多的物聯(lián)網(wǎng)設施,承載更多的物聯(lián)應用,持續(xù)升級智慧城市的管理水平。綜合感知平臺需要滿足用戶對物聯(lián)網(wǎng)相關應用進行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌建設、統(tǒng)一監(jiān)管的需求,維持平穩(wěn)的系統(tǒng)運行狀態(tài),為用戶提供良好的使用體驗。
綜合感知平臺的建設主要包括以下3個目標:
(1)提供對所有物聯(lián)網(wǎng)設備統(tǒng)一的接入,實現(xiàn)對設備數(shù)據(jù)統(tǒng)一的采集、展示和共享利用;
(2)為大數(shù)據(jù)平臺及各應用系統(tǒng)提供支撐,為各類應用提供統(tǒng)一的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)相關服務;
(3)獲取物聯(lián)設施實時狀態(tài),為領導和管理者展示城市環(huán)境的情況,便于領導和管理者更了解真實情況,對城市管理、應急處置等做出處置決策。
基于新一代信息技術云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、時空大數(shù)據(jù)、地理信息集成等,進行綜合感知平臺建設,充分接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù),獲取城市實時狀態(tài)信息,通過整合人口、經(jīng)濟、社會、文化等信息,完整、深入地呈現(xiàn)社會、經(jīng)濟和環(huán)境運行狀態(tài),為領導及管理人員提供城市宏觀運行狀況。結合對城市發(fā)展問題的綜合分析,將感知數(shù)據(jù)和分析結果進行可視化展示,為城市管理的精準施政提供決策支持,為打造“智慧城市大腦”提供堅實的基礎。
綜合感知平臺通過多種方式匯聚感知數(shù)據(jù),包括感知設備適配和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡適配。
感知設備適配方式提供不同行業(yè)多種類傳感器(包括溫度、濕度、有害氣體、位移、傾角、地磁等設備)的接入支持。平臺軟件能夠支持各類數(shù)據(jù)協(xié)議的解碼,提供不同設備數(shù)據(jù)協(xié)議的解析處理支持。感知平臺具備海量設備的高并發(fā)接入,通過定義標準化的接口,利用不同的處理程序,從而實現(xiàn)平臺能力的擴展。
數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡適配能夠兼容各種網(wǎng)絡環(huán)境,支持多種網(wǎng)絡形式(包括有線、3G、4G、5G、NB-IoT、eMTC等)的接入,提供主流的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議的適配能力,同時提供異構設備的扁平化接入支持。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡適配提供對軟網(wǎng)關的支持,從而適配數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和傳輸協(xié)議。
在具備網(wǎng)絡的條件下,提供在線數(shù)據(jù)接入能力,具備數(shù)據(jù)接口對接的功能支持。通過時空大數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)對接業(yè)務系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口,對數(shù)據(jù)進行靈活的接入、清洗、轉換及加載,實現(xiàn)跨業(yè)務系統(tǒng)、跨異構數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)轉換及匯聚。
基于業(yè)務流引擎對多源異構的時空信息進行匯聚、整合、一體化處理,根據(jù)數(shù)據(jù)融合業(yè)務流程,按照邏輯和規(guī)則構建業(yè)務流引擎,實現(xiàn)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)與基礎地理信息數(shù)據(jù)、各行業(yè)專題數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)持續(xù)的實時、高效數(shù)據(jù)抽取、匯聚、整合等工作,實現(xiàn)多源信息融合,提升數(shù)據(jù)的價值,更充分發(fā)揮數(shù)據(jù)效用。
根據(jù)時空大數(shù)據(jù)的要求,對于匯聚過來的各類地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。在數(shù)據(jù)轉換的過程中,為了控制目標數(shù)據(jù)的內(nèi)容,如,指定目標數(shù)據(jù)地物類名、增加或刪除屬性字段、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)分解等。采用這種方法進行雙向的轉換,一方面,在轉換的過程中損失的信息量較??;另一方面,在數(shù)據(jù)轉換的同時也可以進行數(shù)據(jù)操作,從而進行復雜語義的轉換。
根據(jù)已有的各類空間數(shù)據(jù),以時間為軸形成歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。利用地址匹配引擎,將地名、地址等非空間數(shù)據(jù)在線賦予空間屬性,滿足眾多政府部門業(yè)務數(shù)據(jù)的空間化需求。數(shù)據(jù)的空間化通常分為3種情況:
(1)具有空間位置坐標的數(shù)據(jù),可通過坐標匹配定位進行數(shù)據(jù)空間化;
(2)蘊含地名、地址信息的數(shù)據(jù),可根據(jù)識別出的地名、地址信息,將地名標識信息融入切分序列和邏輯組合關系中,采用局部模糊匹配后消除歧義的方法,以多種匹配方法(如,分詞匹配、本體和詞語相似性)實現(xiàn)地名、地址匹配,匹配后即可空間化;
(3)僅蘊含地名基因信息內(nèi)容的數(shù)據(jù),先要結合漢語中分詞以及數(shù)據(jù)比對的技術,利用基于語義、地理本體統(tǒng)一的認知,快速進行地名特征的提取,然后通過地名、地址的匹配實現(xiàn)定位。
以時空大數(shù)據(jù)為基礎,結合綜合感知平臺匯聚的城市實時運行數(shù)據(jù),對城市運行體征進行綜合分析,包括人口分析、科技創(chuàng)新、社會民生、政務服務、城市建設、社會治理、生態(tài)環(huán)保等方面的分析,實施更有針對性的管理服務。
利用綜合感知平臺匯聚的綜合感知信息,建立多尺度綜合感知指標,基于場景感知設備與在線監(jiān)測技術,提供城市多尺度綜合感知服務,可實現(xiàn)城市趨勢分析、城市運行狀態(tài)監(jiān)測和個體行為跟蹤等城市數(shù)據(jù)綜合分析。
充分利用綜合感知平臺采集到的實時信息,精確地獲得城市的動態(tài)數(shù)據(jù),能夠有效提升社會綜治效果,提高城市監(jiān)管能力。利用數(shù)據(jù)挖掘技術,集成多源空間感知數(shù)據(jù),深入揭示城市社會經(jīng)濟現(xiàn)象的分布、聯(lián)系和過程等規(guī)律,實現(xiàn)城市的動態(tài)感知。通過獲取不同維度、不同分辨率的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)對城市動態(tài)的綜合分析,能夠有效提升時空大數(shù)據(jù)在城市治理中的應用深度,為切實解決城市問題提供了新的思路。
綜合感知平臺提供數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn),能夠將實時感知數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)綜合分析結果進行可視化展現(xiàn),建立能夠反映全領域內(nèi)經(jīng)濟與社會發(fā)展情況的相關指標體系,更全面地展現(xiàn)出整個城市運行的態(tài)勢,充分感知城市的發(fā)展趨勢和運行風險,為城市領導及管理者制定處置方法和政策提供支撐。
數(shù)據(jù)可視化可以根據(jù)用戶需求選擇數(shù)據(jù)角度或者屬性信息,也可以根據(jù)目的和用戶類型來選用恰當?shù)恼宫F(xiàn)方式。所以,當數(shù)據(jù)經(jīng)過可視化技術處理后,能以多種不同的視覺形式來表現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容,使用戶加深對數(shù)據(jù)含義的理解。在感知數(shù)據(jù)的可視化中,能夠以時空大數(shù)據(jù)為基礎,快速地在對象所涉及的不同類別的空間數(shù)據(jù)(包括二維數(shù)據(jù)、三維場景數(shù)據(jù)等)之中顯示城市運行的真實狀態(tài),便于相關領導及管理者制定相關的決策。
關鍵技術包括唯一編碼的時空對象模型技術、基于業(yè)務流引擎的信息融合技術以及基于城市空間模型二、三維一體化的數(shù)字孿生映射技術等。唯一編碼的時空對象模型技術具備唯一編碼,是數(shù)據(jù)進行融合、掛接的核心;基于城市空間模型二、三維一體化的數(shù)字孿生映射技術則是自動生產(chǎn)三維建筑簡單模型的高效方法。
采用具有唯一編碼的地理實體數(shù)據(jù),對地理實體數(shù)據(jù)逐要素注入“三域”標識。基于時空數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重組,根據(jù)要素標識信息構建各地理實體的時空對象,每個時空對象都具有唯一標識,通過唯一編碼進行掛接、融合匹配,實現(xiàn)與人口、經(jīng)濟、法人、建筑物等基礎數(shù)據(jù)的關聯(lián)和融合,能夠有效促進地理信息在各部門之間的交換、共享和利用,輔助應用部門管理與決策,也方便了公眾查詢,拓展了平臺應用的廣度和深度,為社會精細化、網(wǎng)格化治理和新型智慧城市建設奠定了堅實的基礎。
根據(jù)數(shù)據(jù)融合業(yè)務流程建立業(yè)務流引擎,基于業(yè)務流引擎對多源異構時空信息進行匯聚整合一體化處理,實現(xiàn)了基礎地理信息數(shù)據(jù)與各行業(yè)專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)持續(xù)的、實時、高效的數(shù)據(jù)抽取、匯聚、整合及空間化落圖等序列工作,為綜合感知平臺提供了技術支撐。
應用流式三維云端渲染技術,能夠將數(shù)據(jù)渲染從客戶端放到云服務端,客戶端與服務器之間采用流媒體方式,將渲染的三維畫面實時編碼壓縮成視頻流傳輸?shù)娇蛻舳孙@示,同時將響應返回客戶端。整個流程采用高效率服務視頻壓縮編碼,避免海量數(shù)據(jù)傳輸造成網(wǎng)絡擁堵而導致渲染模型卡頓、數(shù)據(jù)響應不及時問題,大幅提高海量規(guī)模數(shù)據(jù)的Web展示能力。
綜合感知平臺基于二維地圖與城市三維地理信息模型,能夠實現(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)一體化、顯示一體化、分析一體化、服務一體化的應用效果。同時,利用物理的模型、傳感器等數(shù)據(jù),在虛擬空間中實現(xiàn)真實世界的映射,建成可進行編輯操作的鏡像,實現(xiàn)物理空間與虛擬數(shù)字空間交互映射、融合共生。另外,結合強大的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)處理分析等能力,對所獲取的設備進行當前狀態(tài)評估、歷史狀況診斷、未來走勢預測,并給出分析結論,為新智慧城市監(jiān)管提供全面支持。
建設物聯(lián)網(wǎng)綜合感知平臺,統(tǒng)一接入并管理相關的物聯(lián)網(wǎng)感知設備,通過感知設備實現(xiàn)對不同監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集,并保持感知數(shù)據(jù)采集、分享、利用的高效和穩(wěn)定,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的匯聚、管理。同時,物聯(lián)網(wǎng)綜合感知平臺可以將物聯(lián)感知數(shù)據(jù)共享給時空大數(shù)據(jù)與云平臺,便于各部門的應用系統(tǒng)進行調(diào)用,更方便地滿足各單位管理和數(shù)據(jù)分析的需要,提升智慧城市精細治理能力。
接入各類具備開放和共享條件的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù),為傳感信息深度的共享提供支撐。整合數(shù)據(jù)成果,集成基礎地理信息、行業(yè)專題信息和智能感知實時信息等數(shù)據(jù),形成統(tǒng)一的、權威的時空大數(shù)據(jù)與云平臺,為城市領導及各管理部門、企業(yè)、人民大眾提供相關的時空信息資源服務,為基于時空的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)應用奠定了基礎,建立能夠反映全領域內(nèi)經(jīng)濟與社會發(fā)展情況的相關指標體系,更清晰地展示整個城市運行的態(tài)勢,充分感知城市的發(fā)展趨勢和運行風險,為城市領導及管理者制定處置方法和政策提供支撐。
本文提出的綜合感知平臺建設充分接入已有物聯(lián)網(wǎng)設備,獲取并匯集感知數(shù)據(jù),利用時空大數(shù)據(jù)融合形成數(shù)據(jù)基礎,進行數(shù)據(jù)綜合分析,并將分析結果進行可視化展現(xiàn),為領導提供決策支持。
隨著大數(shù)據(jù)時代的到來,全面利用物聯(lián)網(wǎng)技術系統(tǒng)收集和分析實時感知數(shù)據(jù)和信息,結合城市實際建設需求和發(fā)展策略,充分利用新技術,調(diào)動各方資源進行智慧城市建設,提升城市發(fā)展速度,從而高效地實現(xiàn)城市監(jiān)管的目標,為城市健康發(fā)展奠定基礎。
本文提出的綜合感知平臺建設方法能夠有力支撐城市物聯(lián)感知平臺的建設。未來,我們將以時空大數(shù)據(jù)與云平臺為研究的載體和基礎,面向物聯(lián)設備全天候監(jiān)控、全生命周期管理的實際需求,繼續(xù)探索物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理與應用。