城市重大市政設施數字化轉型分析

范益群，王安業，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展的物質基礎，對于改善人居環境、增強城市綜合承載能力具有重要作用。

2020年8月，住建部、網信辦、科技部、工信部、人社部、商務部、銀監會七部委聯合發文《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，實現對市政設施運行數據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據進行實時監測、模擬仿真和大數據分析，實現對管網漏損、防洪排澇、燃氣安全等及時預警和應急處置，促進資源節約利用，保障市政設施安全運行”[1]。

在2021年初，上海市發布的《關于全面推進上海城市數字化轉型的意見》中，也指出要塑造數字時代的城市全新功能[2]。融合應用數字孿生城市、大數據與人工智能等技術，推動城市“規建管用”一體化閉環運轉，實現城市決策“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字化管理系統建設和信息備案，逐步實現城市可視化、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，聯合了中國科學院上海微系統與信息技術研究所、上海電氣自動化設計研究所有限公司、中國城市規劃設計研究院、聯通產業互聯網有限公司等9家國內行業頂尖單位，獲得國家重點研發計劃“物聯網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體系，攻克多狀態混雜環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，搭建基于泛在物聯的市政設施智能化運管平臺，并在超大城市實現100萬以上監測節點的示范應用。進而保障重大市政設施的正常運行，對接“一網統管”城市運管平臺，支撐基礎設施傳統運管模式的轉型升級。據此，本文參考上海市政總院編制的《城建城市數字化轉型研究報告》，對城市重大市政設施數字化轉型的現狀和趨勢做進一步分析和總結。

1 城市重大市政設施工作現狀

城市重大市政設施及城市信息模型工作現狀見表1。

表1 城市重大市政設施工作現狀

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營權、所有權界定不清，法律主體不明確，管理標準不統一[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利范圍，也沒有明確規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主體。

（2）地下設施和地質調查不完全

要實現城市地下空間數字化，摸清地下資源和了解地質信息是前提。然而，我國大部分城市還沒有進行相關調查，有的也僅僅是對近期的項目進行了解，不能形成系統化的方法體系。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，調查很難執行[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，開發了如博超、探索者和魯班等軟件，但國內在核心建模、可持續分析等方面尚未開發出相關的軟件。BIM技術應用建立在相互協同的基礎之上，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境和統一的數據標準。此外，地下環境分析軟件的不成熟也使地下工程很難通過數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指導和頂層設計。在現行的項目中，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、建設內容范圍更廣，需要針對性、統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

我國各地區智慧水務的建設目標各不相同，發展水平參差不齊，主要表現在偏重于信息化建設，忽視對解決水務問題能力的提升；偏重于強調實時監測等“感知”建設，忽略數據挖掘和“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據甄別和計算模型的應用，難以真正發揮智慧水務應有的作用。

（2）智慧水務建設系統性差

目前，大部分水務企業未開展系統的智慧水務建設規劃，因采集系統、傳輸系統、控制系統等配套系統不匹配甚至未配置，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效率的智慧技術的推廣應用。

（3）信息技術與水務業務融合度差

智慧水務建設與互聯網、計算機、數字信息技術、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的應用需求；另一方面，行業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相結合，未考慮企業復雜的生產運行條件，導致很多“先進技術”表現出功能差、易損化、難維護等問題，不僅不能提升運行效率，更影響到企業建設智慧水務的信心和決心，不利于行業發展。

（4）數據挖掘和分析弱，難以支撐水務行業科學發展

智慧水務系統缺乏合理規劃設計，規模較小，功能也不盡完善，未建立基于數學模型和海量信息融合分析的輔助決策系統，各應用功能無法充分發揮；各類管理平臺仍以數據匯總分析為主，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驗判斷，斥巨資建立的系統難以為政府和水務企業提供有效的決策支持。

2.4 城市環保

（1）固廢處理技術亟待升級換代

目前，還缺少統一的新一代信息化技術架構、物聯設備和接口等標準；適用于固體廢物管理的物聯技術設備和應用軟件開發投入和產業化不足；固體廢物管理的大數據分析、數據挖潛應用能力較為落后。因此，現有信息化管理系統的整體架構和技術手段還難以滿足新固廢法提出的全過程監控和信息化追溯的要求。

（2）固廢管理制度需要調整和創新

固體廢物信息化管理使現有管理制度實施更加便利，同時也對現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移帶來了管理模式的變化，數據的權屬和企業、政府等相關方的權責問題有待明確，信息化管理流程和數據的法律地位、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轉變和升級。

（3）環保行業數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境管理制度落實、支持相關部門業務辦理、服務企業和社會需求等方面發揮了一定作用，但仍有巨大的提升空間，比如：在未來可以支持生態環境部門排污許可制度實施和環境執法工作，支撐國家和地方稅收政策、產業政策、金融政策的實施。同社會生產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業發展提供極大便利并產生積極深遠的影響[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、執行部門不同，帶來很多問題，如按規范建設到位、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費及管理人員的限制，對場所內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）數據集成與處理難

在多源異構數據集成方面，傳統數據如何與BIM數據之間形成有效對接仍存在困難。面對大體量、精細化的BIM數據，如何生產存儲和更新、如何更高效精準地應用數據等，都需要做大量的工作，BIM數據的處理、高效載入、組織是一個難點。

（2）技術研發和推廣普及弱

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。

技術的更新換代需要一定的時間，CIM區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 發展趨勢

城市重大市政設施數字化發展趨勢見表2。

表2 城市重大市政設施數字化發展趨勢

4 重點工作建議

通過上述現狀和趨勢的分析梳理，圍繞城市重大市政基礎設施數字化轉型的需求與任務，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、理念創新，提升運行管理效率和事故監測預警能力。首先，建立健全的城市地下空間法律法規體系和推動地下空間信息透明化。其次，推動地下空間開發利用全生命周期智能化。基于3D數字空間為載體，落實地下空間全域和全要素管控。

（2）推進以“數字感知、智慧底座”為核心的交通經濟新轉型，實現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。道路交通數字化轉型建設總體包括交通基礎設施的數字化建設、數字化監管和行業治理模式建設和構建創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產學研聯動和產業生態的構建。結合政策、標準規范的制定，引導行業的轉型發展，最終全面提升交通行業。

（3）堅持以面向行業、支撐政府、服務社會為原則，通過新一代信息技術與水務業務的深度融合，不斷推動水務行業創新發展與升級換代，實現城鎮水務的數據資源化、控制智能化、管理精細化、決策智慧化，支撐城鎮水務行業運營更高效、管理更科學、服務更優質。首先，加強智慧水務整體規劃設計，為智慧水務持續發展筑牢基礎。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點。然后，建立智慧水務系統平臺，形成智慧水務體系，全面實現全自動化。最后，打造完善的自主運行智慧水務業務系統，進行全域推廣。

（4）構建和完善結構清晰、系統高效的環保行業數字化工作平臺。通過數字化平臺協同設計，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據，形成獨有的行業數據庫。其次，通過數字化平臺進一步對數據庫進行總結、分析，形成大數據資產，作為技術支撐，并提供數字化的系統解決方案。具體實施路徑：搭建以BIM為核心的數字化技術平臺，形成支撐環保設施建管運的大數據庫，通過數字化技術以“工程+服務”的方式推動環保行業從工程建設向服務建設轉型，通過數字建造驅動構建互利共贏融合發展的環保數字化產業鏈生態圈。

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

（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，吸引智慧產業資本、人才、企業的流動和集聚，帶動數字孿生、BIM、CIM、“云大物智鏈”等具有高技術、高附加值的數字經濟產業的發展，提升城市系統化、精細化、智慧化管理水平，推動城市治理體系和治理能力現代化。

5 結 語

實踐表明，城市重大市政設施數字化轉型需依托數字經濟的發展，利用大數據、人工智能、數字孿生等計算機技術賦能市政設施綠色高效的運行。可以預見，在不久的將來，城市重大市政設施數字化轉型將走產業化發展之路，形成產業鏈和生態鏈，在市政行業加快數字化的同時，數字化產業也會蓬勃發展，相互促進，多方協作，共同促進社會進步。