智能城市地下空間信息系統與應用

電科院 田智鵬

智能時代，對城市地下空間中的自然和人工設施標準化、信息化、智能化后構建的信息系統是實現對城市高效、智能治理的重要措施。基于城市生命體理論構建的城市地下空間信息系統是智能城市治理的有力基礎，信息系統的構建內容包括標準、傳感器、數據等，構建步驟包括硬件支撐、數據融合、模型支撐、功能設計等。地下空間虛實融合仿真與推演和人類異常行為識別是兩個典型的應用。

1 智能城市地下空間

隨著城市的發展，城市中可用的空間資源日益緊縮，尤其在城市生態環境標準日漸提高的態勢下，開發使用城市地下公共空間逐漸成為緩解城市地面空間擁堵、環境惡化、增加城市社會和經濟效益的重要手段。

地下空間（US，Underground Space）是指在地球表面以下的土層或巖層中天然形成或經人工開發而成的空間，主要包括天然存在的洞穴和巖石孔隙空間的自然空間和包括商業、戰備等人類活動產生的人為地下空間。城市地下空間（UUS，Urban Underground Space）是指城市范圍內地下巖層或土層中天然形成或經人工開發形成的地下空間[1,2]。

城市地下空間的開發利用能力是城市治理能力現代化程度的一個重要衡量，因為在地下空間開發利用過程中，人為力起主導作用，人類通過構建各類設施來實現利用的目的。

城市地下空間中的城市地下空間設施（UUF，Urban Underground Facilities）則指：在城市地下空間中，為滿足城市中各類生產生活、外出通行、環境保護、能量能源、安全防護、防災減災等需求而建設的人造之物。

城市地下空間開發利用涉及研究策劃、規劃設計、建造、使用、維護和管理的各類活動與過程，構建信息系統是實現這些過程的重要手段，尤其在智能城市中更加深入和普遍[3]。

2015年12月中央城市工作會議上指出，智慧地下城市的建設，要求以物聯網技術為基礎，以云計算技術為核心，以SOA（面向服務的體系結構）技術為重點，將不同功能單元通過定義好的接口和網絡聯系起來，使不同用途的地下建筑在異構系統中的服務以統一的方式進行交互，達到同一系統以及多個不同子系統的更高層次的集成管理的目的。

西方發達國家在管理上發展起步較早，基本形成了從中央到地方、從專業管理到綜合管理的協調統一的綜合安全管理體制。其中，日本政府的地下空間管理體制和法律體系具有代表性，日本在2001年頒布了《大深度地下公共使用特別措施法》，形成了中央政府由國土資源廳牽頭，地方政府由大深度使用協議會、綜合利用基本規劃策定委員會組成的，協調統一的地下空間管理體系。

總體來講，信息時代帶來了人類信息化地下空間設施的進程，各類地下空間信息系統的構建開始起步，尤其在大數據時代開啟了以數字化、智能化為核心的智能城市建設的新階段的背景下，利用大數據、云計算、人工智能等相關技術手段對智能城市中海量數據進行有效的采集、分析和利用，為構建及時、科學、有效的智能城市體系提供了科學化、精準化和智能化的基礎。

2 智能城市地下空間信息系統

智能城市的實現基礎是數字化，在城市中各類要素數字化的基礎上，綜合應用物聯網、感知網、云計算等集感知、獲取、傳輸、處理于一體的信息系統得以形成，然后才可以實現智能化的城市狀態。智能城市地下空間信息系統的構建與智能城市中其他信息系統一樣，也需要實現從標準的梳理、傳感器數據采集、大數據的處理和專用平臺的應用等全過程。

2.1 標準

數據標準是城市地下空間信息化的重要基礎工作，需要確定數據的名稱、代碼、分類編碼、數據類型、精度、單位、格式、元數據等內容。地下空間信息標準化代碼應與其一致，通過將具有共同屬性特征的地下設施歸并到一起，并用數字碼、字符碼或者數字字符碼混編形成的唯一標識。

國際工程地質學會、巖土工程與土力學學會、巖石力學與工程學會等共同成立的聯合專業委員會（JTC2，Joint Technical Committee 2)提出了地球技術標記語言(GeotechML，eotechnical Markup Language)，專門致力于巖土工程數據的數字化研究，給城市工程數據的電子化表達和標準化制定了數據標準。

1992年，英國巖土及環境土工工程師協會(AGS，Association of Geotechnical and Geoenvironmental Specialists)提出一種電子數據傳輸文件標準AGS Format，涵蓋了鉆孔數據、地層數據、地質構造數據、水文數據、巖土室內試驗、現場試驗數據和監測數據等，被世界多國廣泛采用。

1997年，美國聯邦地理數據委員會(FGDC)于發布地質地圖制圖標準(Digital Cartographic Standard for Geologic Map Symbolization)，該標準致力于規范地質數據庫的底層數據內容與圖像表達。

2001年，FGDC發布地質數據模型(Geologic Data Model)，該標準描述了地質地圖信息的數據格式，并提供數據可拓展性。

在地下空間人造物標準化方面，我國也開啟了相關工作。

建設部（現住房和城鄉建設部）2011年發布《城市地下空間開發利用管理規定》（住建部令〔2011〕9號），2016年發布《城市地下空間開發利用“十三五”規劃》。

國家質檢總局以及國家標準化管理委員會在2012年6月共同發布了《城市地下空間設施分類與代碼》(GB/T28590—2012)，該標準認為地下空間信息標準化代碼應與其一致，通過將具有共同屬性特征的地下設施歸并到一起，并用數字碼、字符碼或者數字字符碼混編形成的唯一標識。該標準為城市地下空間設施數據的進行數據分類，規定了城市地下空間設施信息的分類原則、編碼方法與分類代碼，有助于信息數據的交換和共享服務。

從數據分類的結果來看，城市地下空間信息系統的構建中應主要考慮的數據類型有：(1)地層數據、地質構造數據、水文地質數據、地震地質數據、環境地質數據和地質資源數據等自然環境的數據；(2)居住建筑、公共服務及基礎設施和工業設施、交通設施、民房設施、倉儲設施、地下管線等人類制造物、制造過程中產生的數據。對于這兩大類數據，都需要在標準中對其位置、類別、功能、過程等進行工程全壽命的描述，建立數據采集、儲存和分析處理的基礎。

2.2 傳感器

根據標準的約束，在城市地下空間安裝多種類型的傳感器是構建智能城市地下空間物聯網的開始。智能城市地下空間物聯網通過各類傳感器在不同位置以不同形式部署，再結合上激光掃描器、射頻識別技術（如條形碼、RFID）、室內室外定位系統（如GPS、Indoor GPS）等技術，實時采集城市地下空間中的各類物體或記錄下起運動變化的過程，將這些不同聲、光、熱、電信號轉化為統一存儲的標準化數據，將這些物理的、化學的、生物的等類別數據，通過有線網（光纖、銅纜等）、無線網（WiFi、4G/5G網等）等網絡接入，實現對城市地下空間各類實物和變化過程的智能化感知、識別和管理[4]，在此基礎上構建物與物、物與人的泛在鏈接。

以地下建筑和地下管廊的感知設施構建為例，在智能城市中建設地下智能樓宇，需要預留視頻監控、雷達、射頻識別等感知設施，完成對地下建筑內部和周邊環境的運行狀態的智能感知。地下綜合管廊需要統籌部署或預埋環境感知、狀態監測、運行控制等傳感器，特別是對城市中供電、燃氣供應、供熱、供水、排水、污水、通信、廣播電視、垃圾等各類管線運行狀態進行實時持續監測設備部署。

2.3 數據庫

城市本身是典型的數據密集環境，城市地下空間中涉及各類管道、線纜、水泥造物、各種設備、車輛等常見之物，也更涵蓋環境檢測、軌道交通、居家生活、經濟商務、公共安全等運行類別，海量的數據在傳感器的24h不間斷的檢測中被生產出來。日積月累的海量數據是智能城市的運行基礎，但也是處理的重擔所在。可以說，數據是智能城市體系架構中的核心內涵，數據的起源（標準制定）、采集（傳感器）、傳輸（網絡）、處理（云計算等數據中心）和應用（各類平臺和應用APPs）等都是圍繞數據開展并設立的[5]。

經由傳感器網絡送來的數據會以以下幾種方式存儲：微軟電子表格Excel、XML 格式、數據庫（關系或非關系數據庫類型）等，其中數據庫的方式是主流。

數據庫系統建立在硬盤等存儲硬件、通信網絡的基礎設施上，將傳感器采集送達的各種信息數據進行多源數據融合、分類存儲，并構建了各種應用功能來管理數據，如數據檢查與修復、數據入庫、數據管理及分析、數據三維顯示等，形成了一個數據處理體系[6]。

在這個數據處理體系中，需要研究具體感知對象或事件在地下空間中的關聯關系，對地下空間中蘊含的豐富感知源進行高效發現與選擇，利用不同空間感知能力的互補性進行協作增強收集，提供多模態、多粒度感知數據，建立地下空間異構數據的統一表征，在此基礎上，通過對數據的局部關聯性和全局一致性進行建模，構建多元數據的關聯信息的結構網絡，進而支撐形成地下空間下的人—事—地知識圖譜。

2.4 信息系統

構建智能城市地下空間信息系統是一個復雜的系統工程，硬件支撐、數據融合、模型支撐、功能設計等都是其重要構建步驟。

信息系統系統總體架構包含有地下空間基礎設施層、地下空間信息層、數據管理層、公共服務平臺及相關應用層。智能城市地下空間的云服務平臺，即云服務門戶、云管理平臺、虛擬化管理平臺、運維管理平臺、安全管理平臺、監控管理平臺。

在智能城市地下空間信息系統基礎上，各種應用系統得以構建。這些應用系統也使得智能城市地下空間信息系統能夠具備豐富的共享交換能力、快速的系統集成能力、可靠的信息傳輸能力和全面的資源管理能力等功能。

基于城市智能生命體理論構建的地下空間信息系統，以“節點—網絡—流”的解構方式將城市地下空間以一個科學統一規范的方式展現出來，為系統化、數字化研究城市提供了思路和工具。每個系統都包含點、網、流等三大要素。點（Node）是系統中的關鍵節點設施及構筑物，網(Network)是系統中聯系各個節點的網絡設施，流（Flow）是系統中在節點和網絡之間流動的資源要素[7]。

人工智能分析可為智能城市的審查、考評、生成、多方案比較提供創新技術手段，相比于信息化的城市，智能化的城市地下空間從網絡結構轉變為神經樹狀結構，具有以下特征：

(1)可感知：城市地下空間各系統實現全面深入的信息采集；

(2)可判斷：通過城市地下空間信息系統中樞進行智能決策；

(3)可反應：建立自動反饋的智能應用，城市地下空間自我修復能力提升；

(4)可學習：城市地下空間信息系統可持續創新與深度學習。

概括來講，基于智能城市生命體理論構建的城市地下空間信息系統能夠使城市具有較為完善的感知、認知、學習、成長、創新、決策、調控能力和行為意識，使絕大多數市民都能享受到智能城市地下空間的精準服務和創新應用。

3 智能城市地下空間信息系統的應用

城市治理必須基于現有數字城市建設的信息化成果，充分利用和整合已有的各級各類城市信息資源，大力推進數據融合。圍繞城市運行數據的采集、加工、提煉、分析、應用等開展的融合工作是智能城市建設的核心和關鍵環節。

3.1 地下空間治理的虛實融合仿真與推演

虛實融合仿真與推演服務通過突破跨計算單元/設備的分布式機器學習、異構機器學習框架混合部署與統一管理等關鍵技術，構建支持大規模數據訓練驗證的硬件平臺、軟件調度架構，形成可視化模型訓練環境及工具集，支持AI服務模型的訓練與調試；基于可遷移容器技術、可擴展集成框架等技術研究，形成模型服務的集成框架，支撐智慧城市各類行業智能應用技術研究。

…………從真實世界出發，經過數字成像，通過視頻數據和傳感器數據有機融合與深度協作對三維世界進行感知理解，提供時空定位、海量搜索、態勢判斷、密度分析、歷史回溯、異常行為報警、檢測識別等服務。

3.2 基于視頻的地下空間中人類異常行為識別

基于視頻的異常行為識別服務創新性地采用快速卷積神經網絡結合上下文光流傳播技術，實現視頻中人的實時、動態的識別與跟蹤；采用深度卷積神經網絡技術提取人體的特征圖和部位親和字段，實現對人體關鍵部位骨點的精準定位；結合視頻智能分析、可視化管控等技術能夠成功實現對監控中快速奔跑、周界入侵、人群聚集、打架斗毆、揮手求救等五類個體和群體異常行為的實時預警。

4 結論與建議

當前，智能城市地下空間信息系統的建設實現從最初的簡單視頻監控、聯網，到網絡、高清、互通、相融合，再到系統平臺、云服務、共享平臺為核心的進化，這些都提升了城市發展規劃、公共設施、公共服務、新興業態的智能化水平[8]。

但是仍然存在很多問題，在數據標準方面，國內在巖土工程、管線數據標準、地下建(構) 筑物等方面尚未形成比較通用的電子數據標準[9]，這些給數據的統一化搜集、整理帶來困難；在跨城市信息交流方面，多個智能城市地下空間的數據在互聯互通、共享數據、協同處置等方面還有很長的路要走。

基于城市智能生命體理論構建的智能城市賽博物理系統(CPS)作為城市地下空間信息系統發展方向，將可以很大促進信息系統在體系化、統一化的進步。基于新型信息系統各種應用創新基礎之上的智能城市治理行為的不斷開展也能反過來促進相關信息系統的迭代升級。

引用

[1] GUO Chao-bin,WANG Zhi-hui,LIU Kai,et al.The Application and Research Progress of Special Underground Space[J].Geology in China,2019,46(3):482-492.

[2] 郭朝斌,王志輝,劉凱,等.特殊地下空間應用與研究現狀[J].中國地質,2019,46(3):482-492.

[3] 韓傳峰,邵志國,孟令鵬,等.中國城市地下空間資源治理智庫建設[J].城鄉建設,2017(8):49-50.

[4] 盧松耀,邱志宇,何顯錦,等.大型基坑自動變形監測系統設計與應用[J].地理空間信息,2016,14(8):81-83.

[5] 李曉軍,劉雨芃,汪宇.城市地下空間數據標準化現狀與發展趨勢[J].地下空間與工程學報,2017,13(2):287-294.

[6] 馬波,趙海波.城市地下管線二三維一體化數據庫設計研究[J].測繪地理信息,2017,42(3):1-6.

[7] 王洪昌,林富明,李梅,等.二三維一體化城市綜合管網系統設計與實現[J].測繪與空間地理信息,2016,39(1):82-90.

[8] 奚江琳,錢七虎.中國大都市地下空間后發優勢探析[C]//錢七虎院士論文選集.,2007:770-777.

[9] 周毅.城市地下空間信息數據庫建設研究[J].測繪技術裝備,2018(2):7-9.