范益群，王安業(yè)，于曉宇，黃瑞達，項 輝

[1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.同濟大學，上海市 200092]

0 引言

城市市政基礎設施是城市的“骨架”，是城市正常運營和健康發(fā)展的物質(zhì)基礎，對于改善人居環(huán)境、增強城市綜合承載能力具有重要作用。

2020年8月，住建部、網(wǎng)信辦、科技部、工信部、人社部、商務部、銀監(jiān)會七部委聯(lián)合發(fā)文《關于加快推進新型城市基礎設施建設的指導意見》中，明確要求“推進智能化感知設施建設，實現(xiàn)對市政設施運行數(shù)據(jù)的全面感知和自動采集”，并“建立基于BIM平臺的市政基礎設施智能化管理平臺，對水電氣熱等運行數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測、模擬仿真和大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)對管網(wǎng)漏損、防洪排澇、燃氣安全等及時預警和應急處置，促進資源節(jié)約利用，保障市政設施安全運行”[1]。

在2021年初，上海市發(fā)布的《關于全面推進上海城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型的意見》中，也指出要塑造數(shù)字時代的城市全新功能[2]。融合應用數(shù)字孿生城市、大數(shù)據(jù)與人工智能等技術，推動城市“規(guī)建管用”一體化閉環(huán)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)城市決策“一張圖”、城市治理“一盤棋”，為城市精細管理和科學決策提供“說明書”。推進城市建筑、市政設施和地下管線的數(shù)字化管理系統(tǒng)建設和信息備案，逐步實現(xiàn)城市可視化、可驗證、可診斷、可預測、可學習、可決策、可交互的“七可能力”，使城市更聰明、更智慧。

2020年10月份，上海市政總院作為牽頭單位，聯(lián)合了中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、上海電氣自動化設計研究所有限公司、中國城市規(guī)劃設計研究院、聯(lián)通產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有限公司等9家國內(nèi)行業(yè)頂尖單位，獲得國家重點研發(fā)計劃“物聯(lián)網(wǎng)與智慧城市關鍵技術及示范”專項2020年度計劃“1.1城市重大市政設施智能化運維與管控平臺構(gòu)建及應用示范（項目編號：2020YFB2103300）”立項。該項目旨在探索重大市政設施運管智能化架構(gòu)體系，攻克多狀態(tài)混雜環(huán)境自主接入關鍵技術，研制惡劣工況下長期值守智能感知終端和移動便攜式采集與邊緣處理終端，搭建基于泛在物聯(lián)的市政設施智能化運管平臺，并在超大城市實現(xiàn)100萬以上監(jiān)測節(jié)點的示范應用。進而保障重大市政設施的正常運行，對接“一網(wǎng)統(tǒng)管”城市運管平臺，支撐基礎設施傳統(tǒng)運管模式的轉(zhuǎn)型升級。據(jù)此，本文參考上海市政總院編制的《城建城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究報告》，對城市重大市政設施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的現(xiàn)狀和趨勢做進一步分析和總結(jié)。

1 城市重大市政設施工作現(xiàn)狀

城市重大市政設施及城市信息模型工作現(xiàn)狀見表1。

表1 城市重大市政設施工作現(xiàn)狀

2 城市重大市政設施存在的問題與瓶頸

2.1 城市地下空間

（1）地下空間法律體系尚未健全

目前，城市地下空間法治體系存在的主要問題有：法律體系對地下空間的經(jīng)營權(quán)、所有權(quán)界定不清，法律主體不明確，管理標準不統(tǒng)一[3]。具體來看，在國家法律層面上，尚未形成完整的法律體系，法律上既沒有明確城市土地的地下部分哪些屬于國家的權(quán)利范圍，也沒有明確規(guī)定地下空間是一種資源，所以很難界定城市地下空間的所有權(quán)主體。

（2）地下設施和地質(zhì)調(diào)查不完全

要實現(xiàn)城市地下空間數(shù)字化，摸清地下資源和了解地質(zhì)信息是前提。然而，我國大部分城市還沒有進行相關調(diào)查，有的也僅僅是對近期的項目進行了解，不能形成系統(tǒng)化的方法體系。加之管理上，各部門對城市地下空間的運營各自為政，相互缺乏溝通，很難形成合力，調(diào)查很難執(zhí)行[12]。

（3）項目全過程智能應用不足

當前，針對地下工程的國產(chǎn)軟件很少而且大部分并不成熟。雖然各軟件公司在不斷研發(fā)，開發(fā)了如博超、探索者和魯班等軟件，但國內(nèi)在核心建模、可持續(xù)分析等方面尚未開發(fā)出相關的軟件。BIM技術應用建立在相互協(xié)同的基礎之上，需要建模，制圖，施工模擬等軟件相互配合，這些都需開放兼容的設計軟件環(huán)境和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準。此外，地下環(huán)境分析軟件的不成熟也使地下工程很難通過數(shù)字孿生將模型應用到項目的全生命周期[3]。

2.2 城市道路交通

城市道路智慧化設計和建設缺少系統(tǒng)指導和頂層設計。在現(xiàn)行的項目中，設施重復建設問題突出，比如傳感器，云存儲中心、5G網(wǎng)絡等配套基礎設施[6]。

道路是城市活動的重要空間，是交通設施、新基建設施的核心載體，相比公路領域，涉及到公交、停車、物流等各種交通場景建設和利用的空間，因此城市道路的智慧化建設的需求類型更多、建設內(nèi)容范圍更廣，需要針對性、統(tǒng)一地對城市道路特征進行建設。

2.3 城市水務

（1）智慧水務的目標不明確

我國各地區(qū)智慧水務的建設目標各不相同，發(fā)展水平參差不齊，主要表現(xiàn)在偏重于信息化建設，忽視對解決水務問題能力的提升；偏重于強調(diào)實時監(jiān)測等“感知”建設，忽略數(shù)據(jù)挖掘和“智慧”應用建設等。這使得一些地方在智慧水務建設過程中，大多停留在信息化表達上，導致建成項目系統(tǒng)性弱、可應用性弱、兼容性差，技術融合不充分，也不具備智慧化所需大數(shù)據(jù)甄別和計算模型的應用，難以真正發(fā)揮智慧水務應有的作用。

（2）智慧水務建設系統(tǒng)性差

目前，大部分水務企業(yè)未開展系統(tǒng)的智慧水務建設規(guī)劃，因采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等配套系統(tǒng)不匹配甚至未配置，造成工裝設備智能化水平低、智能化改造難度大、智能化設備利用率低。這些問題不僅造成資源浪費，也阻礙了真正有利于提高生產(chǎn)效率的智慧技術的推廣應用。

（3）信息技術與水務業(yè)務融合度差

智慧水務建設與互聯(lián)網(wǎng)、計算機、數(shù)字信息技術、云計算、人工智能等當代先進技術融合性差。一方面，當前很多智慧水務建設所采用的技術設備不能適應水務行業(yè)的應用需求；另一方面，行業(yè)缺乏技術改進與管理改進相融合的研究與實踐，許多技術和設備只是單純的將計算機技術、檢測技術、自控技術等與水務行業(yè)相結(jié)合，未考慮企業(yè)復雜的生產(chǎn)運行條件，導致很多“先進技術”表現(xiàn)出功能差、易損化、難維護等問題，不僅不能提升運行效率，更影響到企業(yè)建設智慧水務的信心和決心，不利于行業(yè)發(fā)展。

（4）數(shù)據(jù)挖掘和分析弱，難以支撐水務行業(yè)科學發(fā)展

智慧水務系統(tǒng)缺乏合理規(guī)劃設計，規(guī)模較小，功能也不盡完善，未建立基于數(shù)學模型和海量信息融合分析的輔助決策系統(tǒng)，各應用功能無法充分發(fā)揮；各類管理平臺仍以數(shù)據(jù)匯總分析為主，平臺決策功能還過于分散和薄弱，決策過程仍然依賴決策者的經(jīng)驗判斷，斥巨資建立的系統(tǒng)難以為政府和水務企業(yè)提供有效的決策支持。

2.4 城市環(huán)保

（1）固廢處理技術亟待升級換代

目前，還缺少統(tǒng)一的新一代信息化技術架構(gòu)、物聯(lián)設備和接口等標準；適用于固體廢物管理的物聯(lián)技術設備和應用軟件開發(fā)投入和產(chǎn)業(yè)化不足；固體廢物管理的大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖潛應用能力較為落后。因此，現(xiàn)有信息化管理系統(tǒng)的整體架構(gòu)和技術手段還難以滿足新固廢法提出的全過程監(jiān)控和信息化追溯的要求。

（2）固廢管理制度需要調(diào)整和創(chuàng)新

固體廢物信息化管理使現(xiàn)有管理制度實施更加便利，同時也對現(xiàn)有制度提出新的改進和提升要求。例如，基于第三方信息服務的固體廢物申報和轉(zhuǎn)移帶來了管理模式的變化，數(shù)據(jù)的權(quán)屬和企業(yè)、政府等相關方的權(quán)責問題有待明確，信息化管理流程和數(shù)據(jù)的法律地位、效力問題需要明晰。解決上述問題將推動固體廢物管理模式的持續(xù)轉(zhuǎn)變和升級。

（3）環(huán)保行業(yè)數(shù)字化應用需拓展和提升

目前，信息化工作雖然在支撐固體廢物環(huán)境管理制度落實、支持相關部門業(yè)務辦理、服務企業(yè)和社會需求等方面發(fā)揮了一定作用，但仍有巨大的提升空間，比如：在未來可以支持生態(tài)環(huán)境部門排污許可制度實施和環(huán)境執(zhí)法工作，支撐國家和地方稅收政策、產(chǎn)業(yè)政策、金融政策的實施。同社會生產(chǎn)和生活的其他領域一樣，信息化工作也將為固體廢物管理和相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供極大便利并產(chǎn)生積極深遠的影響[13]。

2.5 城市應急消防

（1）消防設施管理體制不順

以市政消火栓為例，設計、建設、維護、使用、執(zhí)行部門不同，帶來很多問題，如按規(guī)范建設到位、設計不合理。

（2）應急避難場所運行維護管理不完善

已建成的應急避難場所受管理經(jīng)費及管理人員的限制，對場所內(nèi)的設備設施管理不夠完善，也缺少人員專門進行管理；另外，已建成的場所大多為場地型，平時主要為休閑廣場、綠地公園等公共場所，除要滿足應急避難的需要外，更多注意的是平時的使用需求。為了滿足平時的需要，應急避難必須的設備設施沒有專門的場地，客觀上也給維護管理造成了困難。

2.6 城市信息模型CIM

（1）數(shù)據(jù)集成與處理難

在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方面，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)如何與BIM數(shù)據(jù)之間形成有效對接仍存在困難。面對大體量、精細化的BIM數(shù)據(jù)，如何生產(chǎn)存儲和更新、如何更高效精準地應用數(shù)據(jù)等，都需要做大量的工作，BIM數(shù)據(jù)的處理、高效載入、組織是一個難點。

（2）技術研發(fā)和推廣普及弱

不論是基于GIS還是BIM等技術來搭建CIM平臺，目前都存在一定的不適應性。BIM技術對大場景城市級的支持較弱，GIS對部件等建筑單體級的模型支持較弱，這都是需要攻關的難題。

技術的更新?lián)Q代需要一定的時間，CIM區(qū)別于以往的空間信息平臺，引入了BIM技術，在建設工程領域，BIM技術處于初步發(fā)展階段，BIM軟件的普及需要一個實踐過程。此外，CIM平臺搭建成本很高，給推廣帶來了較大壓力。

3 發(fā)展趨勢

城市重大市政設施數(shù)字化發(fā)展趨勢見表2。

表2 城市重大市政設施數(shù)字化發(fā)展趨勢

4 重點工作建議

通過上述現(xiàn)狀和趨勢的分析梳理，圍繞城市重大市政基礎設施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的需求與任務，初步形成以下工作建議：

（1）建設城市地下空間綜合智慧化平臺，運用信息化、智能化等技術推動城市地下市政基礎設施管理手段、模式、理念創(chuàng)新，提升運行管理效率和事故監(jiān)測預警能力。首先，建立健全的城市地下空間法律法規(guī)體系和推動地下空間信息透明化。其次，推動地下空間開發(fā)利用全生命周期智能化?；?D數(shù)字空間為載體，落實地下空間全域和全要素管控。

（2）推進以“數(shù)字感知、智慧底座”為核心的交通經(jīng)濟新轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)交通基礎設施全要素、全周期、智能化、全鏈條、一體化的交通服務的廣泛應用。道路交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設總體包括交通基礎設施的數(shù)字化建設、數(shù)字化監(jiān)管和行業(yè)治理模式建設和構(gòu)建創(chuàng)新的交通場景和交通方式。在實施路徑上，以問題和目標為導向，重點以交通場景建設為切入和抓手，通過場景建設帶動行業(yè)產(chǎn)學研聯(lián)動和產(chǎn)業(yè)生態(tài)的構(gòu)建。結(jié)合政策、標準規(guī)范的制定，引導行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展，最終全面提升交通行業(yè)。

（3）堅持以面向行業(yè)、支撐政府、服務社會為原則，通過新一代信息技術與水務業(yè)務的深度融合，不斷推動水務行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展與升級換代，實現(xiàn)城鎮(zhèn)水務的數(shù)據(jù)資源化、控制智能化、管理精細化、決策智慧化，支撐城鎮(zhèn)水務行業(yè)運營更高效、管理更科學、服務更優(yōu)質(zhì)。首先，加強智慧水務整體規(guī)劃設計，為智慧水務持續(xù)發(fā)展筑牢基礎。其次，著力水務自動化智能化建設，工作開展上以人為因素為關鍵節(jié)點。然后，建立智慧水務系統(tǒng)平臺，形成智慧水務體系，全面實現(xiàn)全自動化。最后，打造完善的自主運行智慧水務業(yè)務系統(tǒng)，進行全域推廣。

（4）構(gòu)建和完善結(jié)構(gòu)清晰、系統(tǒng)高效的環(huán)保行業(yè)數(shù)字化工作平臺。通過數(shù)字化平臺協(xié)同設計，并將設計成果運用至項目的建、管、運過程中，在此過程不斷積累建管運數(shù)據(jù)，形成獨有的行業(yè)數(shù)據(jù)庫。其次，通過數(shù)字化平臺進一步對數(shù)據(jù)庫進行總結(jié)、分析，形成大數(shù)據(jù)資產(chǎn)，作為技術支撐，并提供數(shù)字化的系統(tǒng)解決方案。具體實施路徑：搭建以BIM為核心的數(shù)字化技術平臺，形成支撐環(huán)保設施建管運的大數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)字化技術以“工程+服務”的方式推動環(huán)保行業(yè)從工程建設向服務建設轉(zhuǎn)型，通過數(shù)字建造驅(qū)動構(gòu)建互利共贏融合發(fā)展的環(huán)保數(shù)字化產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)圈。

（5）構(gòu)建基于“智慧城市”的應急消防設施預警和決策系統(tǒng)。首先，建設開發(fā)應急消防設施和物資全生命周期管理平臺。其次，基于物聯(lián)網(wǎng)技術，建設應急消防設施場所等的安全監(jiān)測平臺，實現(xiàn)應急設備狀態(tài)、應急水源安全、消防通道占用情況等風險源的遠程監(jiān)控。最后，建設應急消防設施人員分布管理系統(tǒng)，利用人員定位標識，通過綜合接收信號強度算法和網(wǎng)絡拓撲分析法對受控目標進行環(huán)境位置分析和計算。

（6）建設CIM基礎平臺，推進CIM基礎平臺在上海市新型城市基礎設施建設中的廣泛應用，吸引智慧產(chǎn)業(yè)資本、人才、企業(yè)的流動和集聚，帶動數(shù)字孿生、BIM、CIM、“云大物智鏈”等具有高技術、高附加值的數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升城市系統(tǒng)化、精細化、智慧化管理水平，推動城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化。

5 結(jié) 語

實踐表明，城市重大市政設施數(shù)字化轉(zhuǎn)型需依托數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等計算機技術賦能市政設施綠色高效的運行?？梢灶A見，在不久的將來，城市重大市政設施數(shù)字化轉(zhuǎn)型將走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路，形成產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)鏈，在市政行業(yè)加快數(shù)字化的同時，數(shù)字化產(chǎn)業(yè)也會蓬勃發(fā)展，相互促進，多方協(xié)作，共同促進社會進步。