基于智慧燈桿的城市數(shù)字孿生平臺研究

張國良，譚方勇

(1.蘇州瀾普智能技術(shù)有限公司，江蘇蘇州，215001; 2.蘇州市職業(yè)大學(xué) 計算機工程學(xué)院，江蘇蘇州， 215104)

0 引言

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的發(fā)展，我國智慧城市建設(shè)的步伐也正在加速，而建設(shè)虛擬服務(wù)現(xiàn)實、數(shù)據(jù)驅(qū)動整治、智能界定一切的數(shù)字孿生城市也將成為智慧城市建設(shè)的主要內(nèi)容和未來的發(fā)展趨勢。黨的二十大報告也提出了要“加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，打造宜居、韌性、智慧城市”，這也說明智慧城市建設(shè)已經(jīng)成為城市可持續(xù)發(fā)展的需要，同樣也是信息技術(shù)發(fā)展的需要[1]。

智慧燈桿是以城市道路照明為主，將視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、廣播、文化宣傳以及通信基站等功能整合為一體的智能化設(shè)備，在當前的智慧城市建設(shè)與管理中起著重要的作用，還可以響應(yīng) “節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟”的國家政策[2]。

本文將研究如何利用城市智慧燈桿在城市管理中的作用，通過數(shù)字孿生平臺技術(shù)來構(gòu)建服務(wù)于城市智慧化管理的數(shù)字孿生平臺，在“虛實結(jié)合”中提升城市精細治理效能。

1 數(shù)字孿生平臺架構(gòu)

數(shù)字孿生平臺基于實時渲染技術(shù)、三維動態(tài)數(shù)據(jù)管理技術(shù)、3D可視化技術(shù)、GIS+BIM+IOT等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)海量三維場景的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能。既具有地理信息宏觀地理數(shù)據(jù)的展示能力，具有虛擬現(xiàn)實的精致表現(xiàn)能力和交互能力，能夠快速實現(xiàn)瀏覽器和移動端海量數(shù)據(jù)信息美觀、流暢的三維可視化、場景化管理與實時交互，支撐數(shù)字孿生新型智慧城市的建設(shè)、感知與萬物互聯(lián)。

如圖1所示為數(shù)字孿生平臺的架構(gòu)，其主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)字底板、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理和智慧應(yīng)用五大部分構(gòu)成。平臺以BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為基礎(chǔ)，整合城市道路智慧燈桿周邊場景、燈桿道路等空天地一體化多維信息模型數(shù)據(jù)和燈桿感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建貫穿智慧路燈管理、可視化高精地圖管理、公共政府接口對接、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集成等智慧平臺支撐，提供三維可視化表達、三維可視化渲染、數(shù)字底板數(shù)據(jù)匯聚、智慧燈桿聯(lián)動管理等核心功能，提供從燈桿單體、燈桿道路場景到整體區(qū)域大場景的模擬仿真能力，支撐智慧路燈智慧應(yīng)用平臺的互聯(lián)互通、資源共享，形成道路整體區(qū)域綜合燈桿一體化智慧應(yīng)用的新格局，為綜合道路管理與應(yīng)用提供有效的決策依據(jù)。

圖1 數(shù)字孿生平臺架構(gòu)

2 平臺關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

在城市智慧燈桿的實際運行過程中會產(chǎn)生海量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如各類地圖要素數(shù)據(jù)、監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、城市傾斜攝影數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、各類數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)等，數(shù)字孿生平臺需要充分將處在不同部門、不同行業(yè)、不同系統(tǒng)以及不同數(shù)據(jù)格式之間的海量數(shù)據(jù)進行匯集整合，為感知研判提供全面的數(shù)據(jù)支撐。

高效匯聚海量多源數(shù)據(jù)，結(jié)合精準高效時空索引與開放安全數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一數(shù)據(jù)與服務(wù)接口，可有效解決數(shù)字孿生建設(shè)中跨行業(yè)數(shù)據(jù)的融合和展示問題，將原本孤立子系統(tǒng)不同類型、不同主題的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行打通，避免信息壁壘，支撐數(shù)據(jù)價值的深度挖掘和共享協(xié)同新模式[3]。

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)高效匯聚與管理技術(shù)主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、清洗、建模、組織、管理與共享交換。通過對不同數(shù)據(jù)格式和不同時空位置的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)通過構(gòu)建的時空基準高效索引進行數(shù)據(jù)規(guī)范化，然后進行三維模型動態(tài)單體化分割建筑物便于標識、BIM模型輕量化，語義化CIM建模進行有效組織和管理并發(fā)布為標準服務(wù)。

2.2 空間數(shù)據(jù)技術(shù)

數(shù)字孿生平臺基于GIS+BIM+IOT數(shù)據(jù)，提取影像、點云、傳感器等多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一空間，并進行結(jié)構(gòu)語義化建模，通過數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)構(gòu)建與物理世界的對應(yīng)數(shù)字世界模型，涵蓋空間信息、業(yè)務(wù)信息的語義數(shù)據(jù)庫，通過面向服務(wù)端的時空大數(shù)據(jù)管理、全要素三維可視化平臺、大數(shù)據(jù)仿真計算框架、物聯(lián)網(wǎng)管理服務(wù)部署搭建微服務(wù)框架開放平臺、API等進行客戶端端的數(shù)據(jù)可視化展示、仿真及業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)數(shù)字化的全過程流轉(zhuǎn)、整合、計算、分析及應(yīng)用。

數(shù)字孿生平臺基于GIS+BIM+IOT數(shù)據(jù)，提取影像、點云、傳感器等多種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一空間，如圖2所示，并進行結(jié)構(gòu)語義化建模，通過數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)構(gòu)建與物理世界的對應(yīng)數(shù)字世界模型，涵蓋空間信息、業(yè)務(wù)信息的語義數(shù)據(jù)庫，通過面向服務(wù)端的時空大數(shù)據(jù)管理、全要素三維可視化平臺、大數(shù)據(jù)仿真計算框架、物聯(lián)網(wǎng)管理服務(wù)部署搭建微服務(wù)框架開放平臺、API等進行客戶端端的數(shù)據(jù)可視化展示、仿真及業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)數(shù)字化的全過程流轉(zhuǎn)、整合、計算、分析及應(yīng)用。

2.3 數(shù)據(jù)聯(lián)動技術(shù)

結(jié)合高效的時空唯一檢索ID和前端渲染框架，實現(xiàn)對時空流數(shù)據(jù)高效的檢索、可視化展示。采用標準化的HTTP、Web和交換服務(wù)接口定義規(guī)范，數(shù)據(jù)接入和綜合設(shè)備接入層支持與大型物聯(lián)網(wǎng)云平臺進行對接，并結(jié)合高可用高擴展性分布式存儲框架在前端進行展示，如圖2所示。

九寨情歌之所以這么有魅力，主要在于它嫻熟的運用了比喻這種藝術(shù)表現(xiàn)手段。比喻是“嘎花”中最常見、最重要的修辭手段。在本文所舉例的所有例子，幾乎都包含比喻。雖然用花草樹木等作比喻的很多，但九寨的人們更是經(jīng)常用文學(xué)經(jīng)典來比喻，用彼情喻此情，委婉又坦率。如：

圖2 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實時數(shù)據(jù)接入技術(shù)

3 數(shù)字孿生平臺中數(shù)據(jù)聯(lián)動與功能交互

數(shù)字孿生可視化平臺，能夠?qū)Τ鞘械缆穲鼍翱臻g三維模型數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備位置數(shù)據(jù)、智慧路燈設(shè)備位置數(shù)據(jù)、井蓋監(jiān)測等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一展示，綜合運用CIM建模和大數(shù)據(jù)存儲及展示技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)字孿生，對運行和管理的各項數(shù)據(jù)指標進行實時、全面、形象、直觀地展示，如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生可視化平臺

3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理存儲

數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和存儲模塊，主要是通過CIM平臺3D引擎，將涉及的所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行采集，同時在數(shù)據(jù)采集過程中，對數(shù)據(jù)進行深度挖掘、分析、聚類，實現(xiàn)對海量、多源的各專題信息資源的管理和服務(wù)，通過開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會制定的空間數(shù)據(jù)互操作的接口規(guī)范，實現(xiàn)異構(gòu)GIS、BIM、IOT數(shù)據(jù)互操作，滿足規(guī)建信息資源開放和共享的要求。通過統(tǒng)一的信息共享服務(wù)，將能為各個應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一的信息共享服務(wù)，實現(xiàn)各類信息的統(tǒng)一管理和共建共享，實現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)的統(tǒng)一集成和集中管理。

大數(shù)據(jù)存儲和分析采用分布式架構(gòu)，并具有低耦合和高可配性的特點，便于動態(tài)擴展，且系統(tǒng)易于移植，可跨操作系統(tǒng)、跨數(shù)據(jù)庫運行，可以轉(zhuǎn)移到外部云平臺。

3.2 對接智慧路燈管理平臺

對接智慧路燈管理平臺，在數(shù)字孿生平臺三維場景中，每座智慧燈桿在地圖上以圖標的形式顯示，并以不同的顏色展現(xiàn)不同的狀態(tài)信息，如報警、離線等。此外，還可以根據(jù)燈桿的內(nèi)置控制器獲取電壓、電流、功率、電量等數(shù)據(jù)。

3.3 對接可視化管理平臺

可視化管理平臺擁有道路擁堵、失衡算法，計算道路擁堵、失衡指數(shù)，并識別擁堵、失衡道路，可計算顯示道路各方向、各車道的車流數(shù)據(jù)，包括過車數(shù)、排隊長隊、停車延誤、行程時間、時間占有率、空間占有率、停車次數(shù)等。數(shù)字孿生平臺可以根據(jù)接口數(shù)據(jù)，結(jié)合三維模擬技術(shù)展示道路數(shù)據(jù)，使管理者能夠直觀地了解路面擁堵情況。數(shù)字孿生平臺還可以結(jié)合可視化管理平臺給出的優(yōu)化建議，在三維地圖上聚合顯示對道路的安全性進行評價，可統(tǒng)計時間范圍內(nèi)道路發(fā)生的違規(guī)掉頭、事故、逆向行車、沖突點、非法占道、違規(guī)變道等交通事件數(shù)量。

3.4 對接高精度雷達子系統(tǒng)

3.5 對接智能井蓋子系統(tǒng)

智能井蓋管理系統(tǒng)是基于無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以在數(shù)字孿生平臺中實現(xiàn)城市井蓋和事件管理的信息化、管理。可實現(xiàn)對井蓋資源的全面統(tǒng)籌，對井蓋的狀態(tài)精細化管理。井蓋終端定時上傳狀態(tài)，結(jié)合地圖展示井蓋的位置和狀態(tài)。實時監(jiān)控井蓋，井蓋開啟立即報警通知監(jiān)控中心，可以在數(shù)字孿生平臺中第一時間告警。

3.6 對接環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

對接集成各類空氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、噪聲監(jiān)測等環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，基于地理信息系統(tǒng)，對各空氣質(zhì)量監(jiān)測點的類型、位置分布、狀態(tài)等信息進行實時監(jiān)測；運用豐富的可視化圖表，對空氣質(zhì)量指數(shù)、空氣質(zhì)量變化趨勢等要素進行綜合可視化分析，支持目標對象詳細信息查詢，如大氣監(jiān)測點負責單位、污染物排放等信息，輔助用戶全面掌握空氣環(huán)境質(zhì)量，為用戶進行環(huán)境治理提供科學(xué)決策依據(jù)。

支持集成各類聲音檢測儀以及聲音傳感器數(shù)據(jù)，基于地理信息系統(tǒng)，對管轄區(qū)域內(nèi)噪聲環(huán)境態(tài)勢進行實時監(jiān)測；運用豐富的可視化圖表，對管轄區(qū)域內(nèi)道路交通干線噪聲達標率、功能區(qū)噪聲達標率、噪聲變化趨勢等要素進行可視化分析，支持設(shè)立噪聲閾值告警觸發(fā)規(guī)則，對噪聲污染進行可視化告警，輔助管理者提高防治噪聲污染的能力和效率。

4 結(jié)語

目前，城市的數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)進入了一個快速發(fā)展的階段，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能以及數(shù)字孿生等技術(shù)對城市的智慧化建設(shè)有著舉足輕重的作用，依托智慧燈桿的多場景的海量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)來構(gòu)建服務(wù)于智慧城市建設(shè)的數(shù)字孿生平臺，可以將地圖要素、業(yè)務(wù)管理、物聯(lián)網(wǎng)感知、視頻監(jiān)控等多類型數(shù)據(jù)整合到一個三維可視化空間，將各領(lǐng)域、不同維度的數(shù)據(jù)進行結(jié)構(gòu)化、標準化整合，然后進行高度融合與挖掘分析，并構(gòu)建智慧管理相關(guān)的應(yīng)用，輔助用戶對各類監(jiān)測對象做出快速、準確的判斷，為數(shù)字孿生空間的建設(shè)、管理、服務(wù)、監(jiān)管、決策提供可視化支撐，解決數(shù)字孿生建設(shè)中跨行業(yè)數(shù)據(jù)的融合和展示問題，即以三維時空呈現(xiàn)為切入點，給用戶帶來多維價值。