一種基于IOC的數字智慧城市平臺的研究

陸文輝，黃凱

（1.上海申騰信息技術有限公司，上海，200040；2.上海科技館，上海，200127）

1 研究背景和目的

目前，隨著物聯網技術和智能設備的不斷完善和成熟，數字化智慧城市也越來越多的開始使用機器視覺和大數據等新興人工智能技術進行基礎構建，為現代化城市建設提供越來越多的能力支撐。傳統的城市在建設規劃過程中，設計都是采用的傳統的技術架構進行設計，難以滿足現在的實際業務需求，同時各個業務系統的信息資源未能集中管理，導致協調處理和應用存在困難，系統之間的數據需要建立統一數據庫進行存儲和治理，實現系統信息數據統一整合和共享互通。現階段發達國家都開始使用新型智能化手段進行構建智能化智慧城市，通過對城市進行集中管理和建設，實現資源高效利用，優化城市管理的流程和實現城市價值最大化，推動相關產業不斷發展。本文中的數字智慧城市平臺通過結合地理位置信息、實際建筑模型建模采樣、物聯網信息采集和云計算等技術對城市進行統一規劃，主要對城市中數據規劃、城市建筑信息統一規劃、城市多維地理位置信息和智能感應設備數據規劃，搭建一套完整和統一規范的數字智慧城市平臺，整體提升城市管理能力，方便后期統一進行數字化規劃和維護。數字智慧城市平臺需要考慮交通出行、社會民生、安保防控和環境管理等種種因素，結合城市中部署和安裝的物聯網傳感器設備和智能終端設備，實現對城市動態化數據采集，再利用多維顯示模型，真實的顯示城市中實際的運行狀態，做到數據實時監測和現象統一呈現，另外通過大數據的決策計算，還可以對城市中突發情況進行仿真推演和預警，提升城市總體防災的快速響應和應急處置能力，讓城市健康安全的運行和運轉。

2 數字智慧城市平臺總體架構

基于IOC的數字智慧城市平臺由于需要對接的物聯網設備和廠商系統比較多，為了避免后期繁瑣的兼容適配工作，需要系統在設計時就需要進行體系化的設計，系統組件和擴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。數字智慧城市平臺主要采用5層架構進行設計，終端感知層、數據層、數字孿生平臺、通用場景層和行業應用層進行組成。終端感知層主要負責平臺和底層物聯網設備進行連接，物聯網終端設備包括但不限于門禁設備、智能停車設備、照明設備、音視頻采集設備、各類傳感器、邊緣計算設備等，設備的統一通信和邊緣端的簡單處理調度都是由本層進行連接和操作，后期擴展和維護也是通過本層進行。數據處理層主要是分為數據集成融合平臺和數據應用處理兩部門，數據應用處理還包括應用開發、云計算處理和物聯網應用處理模塊，其核心任務就是負責處理分析底層的數據資源，之后通過提供數據能力給上層進行應用，處理具體業務內容。數字孿生平臺主要是實現數字化的場景進行建模顯示，可視化的平臺和仿真平臺就是提供多維顯示城市實際圖形信息的能力，底層數據層采集的數據通過多維城市模型可以顯示實際的采集數據信息，例如停車場目前實際車位信息，場館內控制設備的狀態信息、建筑層級之間的人員數量，溫度熱度，能源供應站內及時實際運行情況，用戶都可以直接通過模型進行實際查看，方便快捷，便于管理和維護。通用場景層主要是指數字智慧城市平臺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、能源管理和環境管理等多種方面，這些通用場景運行都基于城市動態業務數據進行管理，并幫助更多的應用場景準確落地，優化城市建設和運行。行業應用層主要是智慧城市中最上層的應用模塊，例如社區建設，園區建設、政務建設和文旅建設等。通過數字智慧城市平臺進行城市數字化管理，可以實現數據平臺和社會場景進行高效融合，城市運營管理過程中，可以實現業務場景和數據資源的及時精準管控，激活并提升場景應用能力，發揮新型基礎設施效能，賦能新型智慧城市建設。具體系統總體架構圖，如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

3 數字智慧城市平臺核心技術

本項目基于IOC的數字智慧城市平臺主要對數字化智慧城市進行數字化管理和建設，通過技術幫助城市實現智能化決策和運行，同時提高城市管理和運行水平，提升城市運行效率。

■3.1 城市信息模型平臺

數字智慧城市平臺需要動態的顯示城市的總體狀況和設備運行狀態，為城市/建筑提供動態預警，也是后續進行數字化治理城市的重要基礎功能，幫助智慧城市/建筑平臺高效平穩運行。城市信息模型平臺運用模擬仿真和深度學習等技術進行構建，主要通過底層模型數據采集和對信息基礎設施的部署進行預演和模擬，之后運用采集的數據構建模型平臺，處理匯集數據進行實時可視化呈現，對城市中的建筑和設施進行分層模塊化搭建，最上層渲染層直接顯示數據和渲染城市界面。具體城市信息模型平臺的三層架構圖，如圖2所示。城市信息模型平臺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化決策方案，使得城市在運行過程中變得更加聰明和智能。

圖2 城市信息模型平臺架構圖

■3.2 數字智慧園區架構

數字智慧園區是智慧城市中典型的建筑群，不僅數量上占據核心比例，而且還關系著城市化的發展。數字智慧園區的運行和搭建也是依賴于數字智慧城市平臺進行構建的，本文中的數字智慧園區采用4層進行設計。基礎設施層負責提供對園區人、事、物、環的智能感知能力，通過感知設備及傳感器網絡實現對園區范圍內基礎設施、環境、建筑、安全等方面的識別、信息采集、監測和控制。網絡傳輸層:包括園區專網、通信公網、邊緣節點及通信機房等所組成的網絡傳輸基礎設施。數字平臺層通過信息與通信技術的運用，夯實平臺核心服務能力，對下聯接物聯設備、屏蔽設備感知層的設備差異，對上支撐上層智慧應用、支撐水平業務擴展能力，提供高可靠服務能力，用于統一開發、承載和運行應用系統。智慧應用層基于數字平臺提供的核心數據、服務、開發能力，運用人工智能技術，建立的多種物聯設備聯動的行業或領域的智慧應用及應用組合，為園區管理者和園區用戶等提供整體的信息化應用和服務。數字智慧園區架構圖，如圖3所示。

圖3 數字智慧園區架構圖

■3.3 數字場景要素建模

數字智慧園區的建模顯示都是通過數字場景要素建模來實現的，系統通過時空數據引擎，將輸入系統的所有的靜態數據、動態數據通過時空結構預處理得到一個結構化的有機體，并對其他模塊提供一切關于時空場景的服務。通過全要素場景服務，應用層模塊可以方便的根據空間坐標，時間軸，查詢、檢索場景內的一切要素，包括但不限于：靜態場景數據（例如任何坐標高程、道路長度、建筑高度、點實體屬性等等）、動態場景數據（例如視頻監控數據、污水處理數據、污水設備運行情況等等）。數據層模塊則可以將最新的時空數據更新到全要素場景服務中去。具體的數字化數據建模轉換示意圖，如圖4所示。

圖4 數字化數據建模示意圖

4 數字智慧城市平臺具體實踐

數字智慧城市平臺的全要素場景平臺由全要素場景服務、場景分層結構以及城市渲染引擎構成。最底層涉及空間坐標轉換，模型處理，城市骨架搭建以及渲染分級，數字孿生場景平臺通過對外提供服務和能力供上層進行使用，用戶可以通過調用業務場景，渲染服務進行功能使用，開發者通過調用渲染服務和場景中間件來構建具體的業務場景，來進行業務需求的拓展和開發工作。用戶接入流程圖，如圖5所示。

圖5 用戶接入流程圖

城市靜態模型生成服務，可以針對一個城市分塊數據，生成對應于整個分塊的數據。對于大場景涉及面積較大的場景模型，采用城市動態加載，利用區塊Tile技術進行劃分按需呈現。另外還可以通過場景柵格化機制，將場景劃分為了2km見方的長方形區域，每個區塊4平方公里，可支持無縫拼接的任意場景顯示。每個場景區域可以獨立的動態加載，由于視野有限，將視野內的場景異步加載進來，將視野外的場景異步卸載出去，用戶在體驗時，不會感受任何場景切換的感覺，可體驗一個超大的世界的感覺。場景建模效果圖，如圖6所示。

圖6 場景建模效果圖

智慧城市的日常運營模塊是融合綜合安防、人員管理、便捷通行、資產管理、設備管理、能效管理、環境空間等主題模塊重點信息為一體的綜合展示模塊。以便捷交互為基礎目的，能夠做到全局總覽，掌握各子模塊關鍵信息。界面綜合展示效果與功能兼得。在保證產品綜合性的同時兼顧高效性。數據面板融合了人員管理、安防管理統計、設備運行概覽、環境質量檢測、能耗統計、物業費管理、停車場管理、告警統計等統計類相關數據，同時在數字孿生場景中兼具監控攝像、值班人員、安保崗亭等3D圖層聯動，直觀展示城市運營現狀，快速響應城市內的突發事件。運維運行示意圖，如圖7所示。

圖7 運維運行示意圖

5 小結

本文通過前期對數字智慧城市的研究調查和相關專業文獻的研究，具體的分析了目前數字智慧城市平臺的研究背景和現狀，介紹了數字智慧城市平臺總體架構的關鍵核心架構設計，分析其具體的工作原理，圍繞著目前數字化城市建設的具體需求，完成了相關基于IOC的數字智慧城市平臺的實現。然后詳細的分析了數字智慧城市平臺核心技術，城市信息模型平臺、數字智慧園區架構和數字場景要素建模，分析在系統研究和開發的過程中具體技術要點，城市信息模型平臺在幫助管理者決策的相關技術依靠原理，數字智慧園區作為智慧城市中典型案例和實踐的關鍵。平臺還會提供城市設備信息的查看和智能監控能力，通過平臺可以進行可視化操作，保證城市平穩運行，提升城市總體的防災快速響應和應急處置能力。