趙偉偉 黃國(guó)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(shù)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(biāo)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(jí)到高級(jí)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(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái)等的支撐[1-3]。
時(shí)空大數(shù)據(jù)即時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施,是城市信息化不可或缺的、基礎(chǔ)性的、根本性的信息資源。搭建基于時(shí)空大數(shù)據(jù)的綜合感知平臺(tái),接入物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng),得到城市實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,同時(shí)以基于法律規(guī)定的、各行業(yè)一致的時(shí)空基準(zhǔn)為基礎(chǔ),整合囊括人口信息、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、社會(huì)數(shù)據(jù)、文化信息等信息資源,是實(shí)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(tái)建設(shè)為核心,重點(diǎn)介紹基于時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合感知平臺(tái)建設(shè)的技術(shù)設(shè)計(jì)、建設(shè)內(nèi)容和應(yīng)用成效,為今后的綜合感知平臺(tái)建設(shè)工作提供一條有效的技術(shù)路線。
隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(gè)概念,以全域整體感知,相互連通為設(shè)計(jì)愿景,以期更好地適應(yīng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)在新時(shí)期的發(fā)展,針對(duì)城市資源的緊張和高質(zhì)量生活需求之間的矛盾,治療“城市病”。
近年來,我國(guó)不斷發(fā)布了各類政策,著力促進(jìn)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(guān)的專項(xiàng)規(guī)劃、實(shí)施規(guī)劃方案,發(fā)表了針對(duì)性的發(fā)展意見,從地方土地規(guī)劃使用、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)配套、地方稅收優(yōu)惠、核心技術(shù)開發(fā)和行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域等多個(gè)方面,在政策上為整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展提供了支持。
目前,我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的整體產(chǎn)值已達(dá)到了萬(wàn)億元的級(jí)別。行業(yè)規(guī)模在實(shí)現(xiàn)了超預(yù)期增長(zhǎng)的同時(shí),相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和行業(yè)應(yīng)用推廣的成效也非常突出。中國(guó)也陸續(xù)推出了新基建、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)等國(guó)家相關(guān)戰(zhàn)略,不斷推動(dòng)新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如,5G、NB-IoT、IPv6等)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用,消費(fèi)和產(chǎn)業(yè)方面的物聯(lián)網(wǎng)逐步實(shí)現(xiàn)了規(guī)?;瘧?yīng)用,在5G領(lǐng)域、車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域等也逐步取得了突破性發(fā)展。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)豐富了城市治理的手段,在智慧城市應(yīng)用領(lǐng)域(如,水質(zhì)監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、智慧路燈等)得到了非常廣泛地應(yīng)用,提升了人民居住環(huán)境。但目前業(yè)務(wù)應(yīng)用存在的煙囪建設(shè)模式,使不同系統(tǒng)使用的感知數(shù)據(jù)難以共享利用,導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)利用率較低,重復(fù)建設(shè)增加了利用成本。
建設(shè)綜合感知平臺(tái),是為強(qiáng)化城市精細(xì)化管理,形成穩(wěn)定的建設(shè)模式,利用越來越強(qiáng)大的平臺(tái)功能,以接入更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施,承載更多的物聯(lián)應(yīng)用,持續(xù)升級(jí)智慧城市的管理水平。綜合感知平臺(tái)需要滿足用戶對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌建設(shè)、統(tǒng)一監(jiān)管的需求,維持平穩(wěn)的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),為用戶提供良好的使用體驗(yàn)。
綜合感知平臺(tái)的建設(shè)主要包括以下3個(gè)目標(biāo):
(1)提供對(duì)所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一的接入,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)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(tái)及各應(yīng)用系統(tǒng)提供支撐,為各類應(yīng)用提供統(tǒng)一的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)相關(guān)服務(wù);
(3)獲取物聯(lián)設(shè)施實(shí)時(shí)狀態(tài),為領(lǐng)導(dǎo)和管理者展示城市環(huán)境的情況,便于領(lǐng)導(dǎo)和管理者更了解真實(shí)情況,對(duì)城市管理、應(yīng)急處置等做出處置決策。
基于新一代信息技術(shù)云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、時(shí)空大數(shù)據(jù)、地理信息集成等,進(jìn)行綜合感知平臺(tái)建設(shè),充分接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù),獲取城市實(shí)時(shí)狀態(tài)信息,通過整合人口、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、文化等信息,完整、深入地呈現(xiàn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境運(yùn)行狀態(tài),為領(lǐng)導(dǎo)及管理人員提供城市宏觀運(yùn)行狀況。結(jié)合對(duì)城市發(fā)展問題的綜合分析,將感知數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進(jìn)行可視化展示,為城市管理的精準(zhǔn)施政提供決策支持,為打造“智慧城市大腦”提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
綜合感知平臺(tái)通過多種方式匯聚感知數(shù)據(jù),包括感知設(shè)備適配和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)適配。
感知設(shè)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(shè)備)的接入支持。平臺(tái)軟件能夠支持各類數(shù)據(jù)協(xié)議的解碼,提供不同設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議的解析處理支持。感知平臺(tái)具備海量設(shè)備的高并發(fā)接入,通過定義標(biāo)準(zhǔn)化的接口,利用不同的處理程序,從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)能力的擴(kuò)展。
數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)適配能夠兼容各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,支持多種網(wǎng)絡(luò)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(shí)提供異構(gòu)設(shè)備的扁平化接入支持。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)適配提供對(duì)軟網(wǎng)關(guān)的支持,從而適配數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議。
在具備網(wǎng)絡(luò)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(duì)接的功能支持。通過時(shí)空大數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)對(duì)接業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的接入、清洗、轉(zhuǎn)換及加載,實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)系統(tǒng)、跨異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及匯聚。
基于業(yè)務(wù)流引擎對(duì)多源異構(gòu)的時(shí)空信息進(jìn)行匯聚、整合、一體化處理,根據(jù)數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)流程,按照邏輯和規(guī)則構(gòu)建業(yè)務(wù)流引擎,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)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(shí)時(shí)、高效數(shù)據(jù)抽取、匯聚、整合等工作,實(shí)現(xiàn)多源信息融合,提升數(shù)據(jù)的價(jià)值,更充分發(fā)揮數(shù)據(jù)效用。
根據(jù)時(shí)空大數(shù)據(jù)的要求,對(duì)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(zhuǎn)換的過程中,為了控制目標(biāo)數(shù)據(jù)的內(nèi)容,如,指定目標(biāo)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(jìn)行雙向的轉(zhuǎn)換,一方面,在轉(zhuǎn)換的過程中損失的信息量較?。涣硪环矫?,在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時(shí)也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)操作,從而進(jìn)行復(fù)雜語(yǔ)義的轉(zhuǎn)換。
根據(jù)已有的各類空間數(shù)據(jù),以時(shí)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(wù)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(biāo)的數(shù)據(jù),可通過坐標(biāo)匹配定位進(jìn)行數(shù)據(jù)空間化;
(2)蘊(yùn)含地名、地址信息的數(shù)據(jù),可根據(jù)識(shí)別出的地名、地址信息,將地名標(biāo)識(shí)信息融入切分序列和邏輯組合關(guān)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(yǔ)相似性)實(shí)現(xiàn)地名、地址匹配,匹配后即可空間化;
(3)僅蘊(yùn)含地名基因信息內(nèi)容的數(shù)據(jù),先要結(jié)合漢語(yǔ)中分詞以及數(shù)據(jù)比對(duì)的技術(shù),利用基于語(yǔ)義、地理本體統(tǒng)一的認(rèn)知,快速進(jìn)行地名特征的提取,然后通過地名、地址的匹配實(shí)現(xiàn)定位。
以時(shí)空大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),結(jié)合綜合感知平臺(tái)匯聚的城市實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù),對(duì)城市運(yùn)行體征進(jìn)行綜合分析,包括人口分析、科技創(chuàng)新、社會(huì)民生、政務(wù)服務(wù)、城市建設(shè)、社會(huì)治理、生態(tài)環(huán)保等方面的分析,實(shí)施更有針對(duì)性的管理服務(wù)。
利用綜合感知平臺(tái)匯聚的綜合感知信息,建立多尺度綜合感知指標(biāo),基于場(chǎng)景感知設(shè)備與在線監(jiān)測(cè)技術(shù),提供城市多尺度綜合感知服務(wù),可實(shí)現(xiàn)城市趨勢(shì)分析、城市運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和個(gè)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(tái)采集到的實(shí)時(shí)信息,精確地獲得城市的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),能夠有效提升社會(huì)綜治效果,提高城市監(jiān)管能力。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),集成多源空間感知數(shù)據(jù),深入揭示城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象的分布、聯(lián)系和過程等規(guī)律,實(shí)現(xiàn)城市的動(dòng)態(tài)感知。通過獲取不同維度、不同分辨率的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)城市動(dòng)態(tài)的綜合分析,能夠有效提升時(shí)空大數(shù)據(jù)在城市治理中的應(yīng)用深度,為切實(shí)解決城市問題提供了新的思路。
綜合感知平臺(tái)提供數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn),能夠?qū)?shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)綜合分析結(jié)果進(jìn)行可視化展現(xiàn),建立能夠反映全領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展情況的相關(guān)指標(biāo)體系,更全面地展現(xiàn)出整個(gè)城市運(yùn)行的態(tài)勢(shì),充分感知城市的發(fā)展趨勢(shì)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),為城市領(lǐng)導(dǎo)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(dāng)?shù)恼宫F(xiàn)方式。所以,當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過可視化技術(shù)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(duì)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(shí)空大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),快速地在對(duì)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(chǎng)景數(shù)據(jù)等)之中顯示城市運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài),便于相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及管理者制定相關(guān)的決策。
關(guān)鍵技術(shù)包括唯一編碼的時(shí)空對(duì)象模型技術(shù)、基于業(yè)務(wù)流引擎的信息融合技術(shù)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(shù)等。唯一編碼的時(shí)空對(duì)象模型技術(shù)具備唯一編碼,是數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)則是自動(dòng)生產(chǎn)三維建筑簡(jiǎn)單模型的高效方法。
采用具有唯一編碼的地理實(shí)體數(shù)據(jù),對(duì)地理實(shí)體數(shù)據(jù)逐要素注入“三域”標(biāo)識(shí)。基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重組,根據(jù)要素標(biāo)識(shí)信息構(gòu)建各地理實(shí)體的時(shí)空對(duì)象,每個(gè)時(shí)空對(duì)象都具有唯一標(biāo)識(shí),通過唯一編碼進(jìn)行掛接、融合匹配,實(shí)現(xiàn)與人口、經(jīng)濟(jì)、法人、建筑物等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和融合,能夠有效促進(jìn)地理信息在各部門之間的交換、共享和利用,輔助應(yīng)用部門管理與決策,也方便了公眾查詢,拓展了平臺(tái)應(yīng)用的廣度和深度,為社會(huì)精細(xì)化、網(wǎng)格化治理和新型智慧城市建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
根據(jù)數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)流程建立業(yè)務(wù)流引擎,基于業(yè)務(wù)流引擎對(duì)多源異構(gòu)時(shí)空信息進(jìn)行匯聚整合一體化處理,實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)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(shí)時(shí)、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(tái)提供了技術(shù)支撐。
應(yīng)用流式三維云端渲染技術(shù),能夠?qū)?shù)據(jù)渲染從客戶端放到云服務(wù)端,客戶端與服務(wù)器之間采用流媒體方式,將渲染的三維畫面實(shí)時(shí)編碼壓縮成視頻流傳輸?shù)娇蛻舳孙@示,同時(shí)將響應(yīng)返回客戶端。整個(gè)流程采用高效率服務(wù)視頻壓縮編碼,避免海量數(shù)據(jù)傳輸造成網(wǎng)絡(luò)擁堵而導(dǎo)致渲染模型卡頓、數(shù)據(jù)響應(yīng)不及時(shí)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(tái)基于二維地圖與城市三維地理信息模型,能夠?qū)崿F(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)一體化、顯示一體化、分析一體化、服務(wù)一體化的應(yīng)用效果。同時(shí),利用物理的模型、傳感器等數(shù)據(jù),在虛擬空間中實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界的映射,建成可進(jìn)行編輯操作的鏡像,實(shí)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(jié)合強(qiáng)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(duì)所獲取的設(shè)備進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)評(píng)估、歷史狀況診斷、未來走勢(shì)預(yù)測(cè),并給出分析結(jié)論,為新智慧城市監(jiān)管提供全面支持。
建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合感知平臺(tái),統(tǒng)一接入并管理相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備,通過感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)不同監(jiān)測(cè)對(duì)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(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的匯聚、管理。同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)綜合感知平臺(tái)可以將物聯(lián)感知數(shù)據(jù)共享給時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái),便于各部門的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)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(xì)治理能力。
接入各類具備開放和共享?xiàng)l件的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(chǔ)地理信息、行業(yè)專題信息和智能感知實(shí)時(shí)信息等數(shù)據(jù),形成統(tǒng)一的、權(quán)威的時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái),為城市領(lǐng)導(dǎo)及各管理部門、企業(yè)、人民大眾提供相關(guān)的時(shí)空信息資源服務(wù),為基于時(shí)空的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),建立能夠反映全領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展情況的相關(guān)指標(biāo)體系,更清晰地展示整個(gè)城市運(yùn)行的態(tài)勢(shì),充分感知城市的發(fā)展趨勢(shì)和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),為城市領(lǐng)導(dǎo)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(tái)建設(shè)充分接入已有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,獲取并匯集感知數(shù)據(jù),利用時(shí)空大數(shù)據(jù)融合形成數(shù)據(jù)基礎(chǔ),進(jìn)行數(shù)據(jù)綜合分析,并將分析結(jié)果進(jìn)行可視化展現(xiàn),為領(lǐng)導(dǎo)提供決策支持。
隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,全面利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)收集和分析實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)和信息,結(jié)合城市實(shí)際建設(shè)需求和發(fā)展策略,充分利用新技術(shù),調(diào)動(dòng)各方資源進(jìn)行智慧城市建設(shè),提升城市發(fā)展速度,從而高效地實(shí)現(xiàn)城市監(jiān)管的目標(biāo),為城市健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
本文提出的綜合感知平臺(tái)建設(shè)方法能夠有力支撐城市物聯(lián)感知平臺(tái)的建設(shè)。未來,我們將以時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺(tái)為研究的載體和基礎(chǔ),面向物聯(lián)設(shè)備全天候監(jiān)控、全生命周期管理的實(shí)際需求,繼續(xù)探索物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理與應(yīng)用。