陸文輝，黃凱

（1.上海申騰信息技術(shù)有限公司，上海，200040；2.上?？萍拣^，上海，200127）

1 研究背景和目的

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能設(shè)備的不斷完善和成熟，數(shù)字化智慧城市也越來越多的開始使用機(jī)器視覺和大數(shù)據(jù)等新興人工智能技術(shù)進(jìn)行基礎(chǔ)構(gòu)建，為現(xiàn)代化城市建設(shè)提供越來越多的能力支撐。傳統(tǒng)的城市在建設(shè)規(guī)劃過程中，設(shè)計(jì)都是采用的傳統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以滿足現(xiàn)在的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，同時(shí)各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息資源未能集中管理，導(dǎo)致協(xié)調(diào)處理和應(yīng)用存在困難，系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)需要建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)和治理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一整合和共享互通。現(xiàn)階段發(fā)達(dá)國家都開始使用新型智能化手段進(jìn)行構(gòu)建智能化智慧城市，通過對(duì)城市進(jìn)行集中管理和建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源高效利用，優(yōu)化城市管理的流程和實(shí)現(xiàn)城市價(jià)值最大化，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展。本文中的數(shù)字智慧城市平臺(tái)通過結(jié)合地理位置信息、實(shí)際建筑模型建模采樣、物聯(lián)網(wǎng)信息采集和云計(jì)算等技術(shù)對(duì)城市進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，主要對(duì)城市中數(shù)據(jù)規(guī)劃、城市建筑信息統(tǒng)一規(guī)劃、城市多維地理位置信息和智能感應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)規(guī)劃，搭建一套完整和統(tǒng)一規(guī)范的數(shù)字智慧城市平臺(tái)，整體提升城市管理能力，方便后期統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)字化規(guī)劃和維護(hù)。數(shù)字智慧城市平臺(tái)需要考慮交通出行、社會(huì)民生、安保防控和環(huán)境管理等種種因素，結(jié)合城市中部署和安裝的物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備和智能終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市動(dòng)態(tài)化數(shù)據(jù)采集，再利用多維顯示模型，真實(shí)的顯示城市中實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)，做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)象統(tǒng)一呈現(xiàn)，另外通過大數(shù)據(jù)的決策計(jì)算，還可以對(duì)城市中突發(fā)情況進(jìn)行仿真推演和預(yù)警，提升城市總體防災(zāi)的快速響應(yīng)和應(yīng)急處置能力，讓城市健康安全的運(yùn)行和運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 數(shù)字智慧城市平臺(tái)總體架構(gòu)

基于IOC的數(shù)字智慧城市平臺(tái)由于需要對(duì)接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和廠商系統(tǒng)比較多，為了避免后期繁瑣的兼容適配工作，需要系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)就需要進(jìn)行體系化的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)組件和擴(kuò)展度需要兼顧充分的靈活性，滿足不同場景的特殊要求和功能。數(shù)字智慧城市平臺(tái)主要采用5層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，終端感知層、數(shù)據(jù)層、數(shù)字孿生平臺(tái)、通用場景層和行業(yè)應(yīng)用層進(jìn)行組成。終端感知層主要負(fù)責(zé)平臺(tái)和底層物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行連接，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備包括但不限于門禁設(shè)備、智能停車設(shè)備、照明設(shè)備、音視頻采集設(shè)備、各類傳感器、邊緣計(jì)算設(shè)備等，設(shè)備的統(tǒng)一通信和邊緣端的簡單處理調(diào)度都是由本層進(jìn)行連接和操作，后期擴(kuò)展和維護(hù)也是通過本層進(jìn)行。數(shù)據(jù)處理層主要是分為數(shù)據(jù)集成融合平臺(tái)和數(shù)據(jù)應(yīng)用處理兩部門，數(shù)據(jù)應(yīng)用處理還包括應(yīng)用開發(fā)、云計(jì)算處理和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用處理模塊，其核心任務(wù)就是負(fù)責(zé)處理分析底層的數(shù)據(jù)資源，之后通過提供數(shù)據(jù)能力給上層進(jìn)行應(yīng)用，處理具體業(yè)務(wù)內(nèi)容。數(shù)字孿生平臺(tái)主要是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的場景進(jìn)行建模顯示，可視化的平臺(tái)和仿真平臺(tái)就是提供多維顯示城市實(shí)際圖形信息的能力，底層數(shù)據(jù)層采集的數(shù)據(jù)通過多維城市模型可以顯示實(shí)際的采集數(shù)據(jù)信息，例如停車場目前實(shí)際車位信息，場館內(nèi)控制設(shè)備的狀態(tài)信息、建筑層級(jí)之間的人員數(shù)量，溫度熱度，能源供應(yīng)站內(nèi)及時(shí)實(shí)際運(yùn)行情況，用戶都可以直接通過模型進(jìn)行實(shí)際查看，方便快捷，便于管理和維護(hù)。通用場景層主要是指數(shù)字智慧城市平臺(tái)可以介入的具體城市場景，例如城市招商管理、綜合安防管理、交通出行管理、能源管理和環(huán)境管理等多種方面，這些通用場景運(yùn)行都基于城市動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并幫助更多的應(yīng)用場景準(zhǔn)確落地，優(yōu)化城市建設(shè)和運(yùn)行。行業(yè)應(yīng)用層主要是智慧城市中最上層的應(yīng)用模塊，例如社區(qū)建設(shè)，園區(qū)建設(shè)、政務(wù)建設(shè)和文旅建設(shè)等。通過數(shù)字智慧城市平臺(tái)進(jìn)行城市數(shù)字化管理，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺(tái)和社會(huì)場景進(jìn)行高效融合，城市運(yùn)營管理過程中，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)場景和數(shù)據(jù)資源的及時(shí)精準(zhǔn)管控，激活并提升場景應(yīng)用能力，發(fā)揮新型基礎(chǔ)設(shè)施效能，賦能新型智慧城市建設(shè)。具體系統(tǒng)總體架構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 數(shù)字智慧城市平臺(tái)核心技術(shù)

本項(xiàng)目基于IOC的數(shù)字智慧城市平臺(tái)主要對(duì)數(shù)字化智慧城市進(jìn)行數(shù)字化管理和建設(shè)，通過技術(shù)幫助城市實(shí)現(xiàn)智能化決策和運(yùn)行，同時(shí)提高城市管理和運(yùn)行水平，提升城市運(yùn)行效率。

■3.1 城市信息模型平臺(tái)

數(shù)字智慧城市平臺(tái)需要?jiǎng)討B(tài)的顯示城市的總體狀況和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為城市/建筑提供動(dòng)態(tài)預(yù)警，也是后續(xù)進(jìn)行數(shù)字化治理城市的重要基礎(chǔ)功能，幫助智慧城市/建筑平臺(tái)高效平穩(wěn)運(yùn)行。城市信息模型平臺(tái)運(yùn)用模擬仿真和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，主要通過底層模型數(shù)據(jù)采集和對(duì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的部署進(jìn)行預(yù)演和模擬，之后運(yùn)用采集的數(shù)據(jù)構(gòu)建模型平臺(tái)，處理匯集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化呈現(xiàn)，對(duì)城市中的建筑和設(shè)施進(jìn)行分層模塊化搭建，最上層渲染層直接顯示數(shù)據(jù)和渲染城市界面。具體城市信息模型平臺(tái)的三層架構(gòu)圖，如圖2所示。城市信息模型平臺(tái)還可以可快速模擬管理者決策效果，幫助城市管理者制定全局最優(yōu)化決策方案，使得城市在運(yùn)行過程中變得更加聰明和智能。

圖2 城市信息模型平臺(tái)架構(gòu)圖

■3.2 數(shù)字智慧園區(qū)架構(gòu)

數(shù)字智慧園區(qū)是智慧城市中典型的建筑群，不僅數(shù)量上占據(jù)核心比例，而且還關(guān)系著城市化的發(fā)展。數(shù)字智慧園區(qū)的運(yùn)行和搭建也是依賴于數(shù)字智慧城市平臺(tái)進(jìn)行構(gòu)建的，本文中的數(shù)字智慧園區(qū)采用4層進(jìn)行設(shè)計(jì)?；A(chǔ)設(shè)施層負(fù)責(zé)提供對(duì)園區(qū)人、事、物、環(huán)的智能感知能力，通過感知設(shè)備及傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)范圍內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施、環(huán)境、建筑、安全等方面的識(shí)別、信息采集、監(jiān)測(cè)和控制。網(wǎng)絡(luò)傳輸層:包括園區(qū)專網(wǎng)、通信公網(wǎng)、邊緣節(jié)點(diǎn)及通信機(jī)房等所組成的網(wǎng)絡(luò)傳輸基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字平臺(tái)層通過信息與通信技術(shù)的運(yùn)用，夯實(shí)平臺(tái)核心服務(wù)能力，對(duì)下聯(lián)接物聯(lián)設(shè)備、屏蔽設(shè)備感知層的設(shè)備差異，對(duì)上支撐上層智慧應(yīng)用、支撐水平業(yè)務(wù)擴(kuò)展能力，提供高可靠服務(wù)能力，用于統(tǒng)一開發(fā)、承載和運(yùn)行應(yīng)用系統(tǒng)。智慧應(yīng)用層基于數(shù)字平臺(tái)提供的核心數(shù)據(jù)、服務(wù)、開發(fā)能力，運(yùn)用人工智能技術(shù)，建立的多種物聯(lián)設(shè)備聯(lián)動(dòng)的行業(yè)或領(lǐng)域的智慧應(yīng)用及應(yīng)用組合，為園區(qū)管理者和園區(qū)用戶等提供整體的信息化應(yīng)用和服務(wù)。數(shù)字智慧園區(qū)架構(gòu)圖，如圖3所示。

圖3 數(shù)字智慧園區(qū)架構(gòu)圖

■3.3 數(shù)字場景要素建模

數(shù)字智慧園區(qū)的建模顯示都是通過數(shù)字場景要素建模來實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)通過時(shí)空數(shù)據(jù)引擎，將輸入系統(tǒng)的所有的靜態(tài)數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過時(shí)空結(jié)構(gòu)預(yù)處理得到一個(gè)結(jié)構(gòu)化的有機(jī)體，并對(duì)其他模塊提供一切關(guān)于時(shí)空?qǐng)鼍暗姆?wù)。通過全要素場景服務(wù)，應(yīng)用層模塊可以方便的根據(jù)空間坐標(biāo)，時(shí)間軸，查詢、檢索場景內(nèi)的一切要素，包括但不限于：靜態(tài)場景數(shù)據(jù)（例如任何坐標(biāo)高程、道路長度、建筑高度、點(diǎn)實(shí)體屬性等等）、動(dòng)態(tài)場景數(shù)據(jù)（例如視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、污水處理數(shù)據(jù)、污水設(shè)備運(yùn)行情況等等）。數(shù)據(jù)層模塊則可以將最新的時(shí)空數(shù)據(jù)更新到全要素場景服務(wù)中去。具體的數(shù)字化數(shù)據(jù)建模轉(zhuǎn)換示意圖，如圖4所示。

圖4 數(shù)字化數(shù)據(jù)建模示意圖

4 數(shù)字智慧城市平臺(tái)具體實(shí)踐

數(shù)字智慧城市平臺(tái)的全要素場景平臺(tái)由全要素場景服務(wù)、場景分層結(jié)構(gòu)以及城市渲染引擎構(gòu)成。最底層涉及空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，模型處理，城市骨架搭建以及渲染分級(jí)，數(shù)字孿生場景平臺(tái)通過對(duì)外提供服務(wù)和能力供上層進(jìn)行使用，用戶可以通過調(diào)用業(yè)務(wù)場景，渲染服務(wù)進(jìn)行功能使用，開發(fā)者通過調(diào)用渲染服務(wù)和場景中間件來構(gòu)建具體的業(yè)務(wù)場景，來進(jìn)行業(yè)務(wù)需求的拓展和開發(fā)工作。用戶接入流程圖，如圖5所示。

圖5 用戶接入流程圖

城市靜態(tài)模型生成服務(wù)，可以針對(duì)一個(gè)城市分塊數(shù)據(jù)，生成對(duì)應(yīng)于整個(gè)分塊的數(shù)據(jù)。對(duì)于大場景涉及面積較大的場景模型，采用城市動(dòng)態(tài)加載，利用區(qū)塊Tile技術(shù)進(jìn)行劃分按需呈現(xiàn)。另外還可以通過場景柵格化機(jī)制，將場景劃分為了2km見方的長方形區(qū)域，每個(gè)區(qū)塊4平方公里，可支持無縫拼接的任意場景顯示。每個(gè)場景區(qū)域可以獨(dú)立的動(dòng)態(tài)加載，由于視野有限，將視野內(nèi)的場景異步加載進(jìn)來，將視野外的場景異步卸載出去，用戶在體驗(yàn)時(shí)，不會(huì)感受任何場景切換的感覺，可體驗(yàn)一個(gè)超大的世界的感覺。場景建模效果圖，如圖6所示。

圖6 場景建模效果圖

智慧城市的日常運(yùn)營模塊是融合綜合安防、人員管理、便捷通行、資產(chǎn)管理、設(shè)備管理、能效管理、環(huán)境空間等主題模塊重點(diǎn)信息為一體的綜合展示模塊。以便捷交互為基礎(chǔ)目的，能夠做到全局總覽，掌握各子模塊關(guān)鍵信息。界面綜合展示效果與功能兼得。在保證產(chǎn)品綜合性的同時(shí)兼顧高效性。數(shù)據(jù)面板融合了人員管理、安防管理統(tǒng)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行概覽、環(huán)境質(zhì)量檢測(cè)、能耗統(tǒng)計(jì)、物業(yè)費(fèi)管理、停車場管理、告警統(tǒng)計(jì)等統(tǒng)計(jì)類相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)在數(shù)字孿生場景中兼具監(jiān)控?cái)z像、值班人員、安保崗?fù)さ?D圖層聯(lián)動(dòng)，直觀展示城市運(yùn)營現(xiàn)狀，快速響應(yīng)城市內(nèi)的突發(fā)事件。運(yùn)維運(yùn)行示意圖，如圖7所示。

圖7 運(yùn)維運(yùn)行示意圖

5 小結(jié)

本文通過前期對(duì)數(shù)字智慧城市的研究調(diào)查和相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)的研究，具體的分析了目前數(shù)字智慧城市平臺(tái)的研究背景和現(xiàn)狀，介紹了數(shù)字智慧城市平臺(tái)總體架構(gòu)的關(guān)鍵核心架構(gòu)設(shè)計(jì)，分析其具體的工作原理，圍繞著目前數(shù)字化城市建設(shè)的具體需求，完成了相關(guān)基于IOC的數(shù)字智慧城市平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。然后詳細(xì)的分析了數(shù)字智慧城市平臺(tái)核心技術(shù)，城市信息模型平臺(tái)、數(shù)字智慧園區(qū)架構(gòu)和數(shù)字場景要素建模，分析在系統(tǒng)研究和開發(fā)的過程中具體技術(shù)要點(diǎn)，城市信息模型平臺(tái)在幫助管理者決策的相關(guān)技術(shù)依靠原理，數(shù)字智慧園區(qū)作為智慧城市中典型案例和實(shí)踐的關(guān)鍵。平臺(tái)還會(huì)提供城市設(shè)備信息的查看和智能監(jiān)控能力，通過平臺(tái)可以進(jìn)行可視化操作，保證城市平穩(wěn)運(yùn)行，提升城市總體的防災(zāi)快速響應(yīng)和應(yīng)急處置能力。