基于CIM的城市揚塵治理綜合管理系統設計與實現

羅紹輝，曾玄介

（1.南寧市勘測設計院集團有限公司，廣西 南寧 530022）

揚塵是影響空氣質量、危害居民身體健康的污染源之一[1]，建筑工地、道路、敞開的料堆、裸露地面和渣土車帶泥上路等都是揚塵的主要源頭。隨著人們環保意識的增強，對于揚塵污染越來越關注。揚塵治理是改善城市大氣環境質量，推進生態文明的迫切需要[2]。城市信息模型（CIM）是三維數字空間的城市信息綜合體[3]，整合了建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）和物聯網（IoT）等技術，匯聚了時空地理信息、感知監測信息、公共數據、業務數據和三維模型等海量多源異構信息，具有數據采集、分析、存儲和表達等功能。CIM與城市場景應用需求相結合，可為城市規建管全過程“智慧”賦能[4]。

本文通過整合視頻監控、環保在線監控以及渣土車出入實時信息等數據，對接各揚塵治理參與單位，匯聚政務審批數據、視頻監控數據，采集車輛軌跡，搭建了城市揚塵治理綜合管理系統；通過人工智能技術，實現了揚塵事件分析研判預警和全流程管控，為揚塵執法監管提供了技術依據和指導。

1 系統設計

1.1 系統架構設計

本文利用市級政務云計算、網絡、存儲、安全等基礎資源，統籌考慮網絡運行環境與安全，運用SOA架構[5]、移動互聯等信息技術，協同業務處理、數據交換，綜合信息服務進行系統設計與實施。系統總體架構由5個層面、兩大保障體系、4個服務對象組成，如圖1所示。基礎設施層[6]包括系統的計算資源、存儲資源、網絡資源和安全資源。數據支撐層對接政務數據中心，負責采集系統所需的預警預報數據、案件數據、分析研判數據、采石場檔案、攪拌站檔案、建筑工地檔案、消納場檔案以及運輸車輛檔案，并對數據存儲體系進行統一管理，通過對接政務數據中心實現與其他政府部門、企事業單位的數據共享，通過建設數據服務總線實現城管中心內部的數據共享和交換。應用支撐層提供了統一的技術架構和運行環境，為系統建設提供通用的應用服務和集成服務，為資源整合和信息共享提供運行平臺，主要由GIS和CIM、大數據平臺、視頻監控管理平臺和開發類通用支撐軟件構成。業務應用層利用大數據、視頻圖像分析、車輛特征識別、車輛軌跡預測、移動卡點視頻監控等技術和微信公眾號平臺，實現預警預報、分析研判，在智能化、自動化方面進行優化，以減少人工研判的勞動成本，實現揚塵數據展示、揚塵一張圖，輔助決策工作。用戶層為揚塵治理相關單位、工作人員以及社會公眾等服務對象提供交互服務。

圖1 總體架構圖

1.2 系統功能設計

本文基于CIM構建系統，采集采石場、攪拌站、建筑工地、消納場四大揚塵污染源頭的基本信息和監測數據，結合車輛定位系統、視頻監控等，利用車輛軌跡，自動對運輸車輛的違規行為進行報警；再結合環保、氣象、重大活動等預案，利用電子圍欄技術對車輛違規上路、建筑工地違規開工等行為進行預報，分析研判揚塵違規情形，實現數據自動化統計分析。具體功能設計如圖2所示。

圖2 系統功能模塊設計

1.3 系統關鍵技術

大數據資源中心采用Phoenix、HBase分布式存儲技術和分布式并行數據庫技術[7]，存儲從數據源采集到的數據，建立大數據存儲資源池。

引入Kafka作為架構中樞，用于發布和訂閱車輛軌跡流記錄，以高容錯的方式存儲流記錄并可對流進行實時處理。以順序讀寫磁盤和零拷貝技術的方式實現高吞吐率，保證服務模塊間高內聚、低耦合，使數據通道變得簡單，減輕下游數據庫系統的壓力，提高系統擴展性[8]。

視頻圖像分析模塊采用Yolov5目標檢測算法對車輛進行智能圖像識別，通過污染源頭出入口和城市道路上的視頻監控捕獲過往車輛的圖片信息，利用相似度對比算法完成車型、車牌分析，對車身未清洗、密閉不嚴等車輛目標特征進行判別。

2 系統功能實現

本文以CIM平臺為系統底座，實現大數據資源分析展示、視頻識別和業務管理等功能，打造事前預防、案前預警、案中聯合執法、案后信用考評的揚塵治理“智腦”模式。

2.1 CIM平臺

本文利用BIM+GIS搭建CIM平臺，從城市治理的角度，整合地面建筑、工地、地上城市部件和地下管網數據等城市資產數據，實現城市資產全生命周期管理。在矢量專題圖層展示、視頻融合緩沖區分析、疊加分析、聚合分析、熱力分析、軌跡自動糾偏、軌跡預測等GIS空間分析功能的基礎上，增加了實景三維數據、精細化三維模型以及BIM數據的集成管理功能，以滿足城市精細化管理的需求。通過數據接口將管理業務數據匯集到CIM平臺功能板塊上[9]，可在平臺查看區域揚塵動態信息，以地理空間為載體提供實時動態數據服務，擴展與各部門業務系統的鏈接，在系統中體現為案件發生位置、預警案件位置、交警卡口車輛經過位置、建筑工地與消納場范圍和位置；實現了電子卡口、攝像頭、監測儀器（車輛GPS、執法記錄儀、工地揚塵監控）等物聯網[10]傳感器數據的接入。數據動態展示如圖3所示。

圖3 CIM平臺數據動態展示界面

2.2 大數據資源中心

大數據資源中心是系統連接政務網的橋梁，系統通過接口自動抓取政務數據中心各部門的共享數據，同時可配置系統自身數據，提供給其他部門使用。將政務數據與自身數據聚合為4類專題數據：①車輛專題數據，聚合交警卡口過車記錄、機動車道路通行證、機動車信息、攪拌車信息、攪拌車定位信息、全國道路運輸平臺渣土車定位信息與渣土車基本信息、車輛進出工地記錄等車輛專題數據；②建筑工地專題數據，聚合工地揚塵監測數據、工地開停工狀態信息、工程規劃許可證、企業誠信行為得失分、質量安全監督登記記錄、土地供應紅線、不動產宗地確權范圍線等工地專題數據；③視頻專題數據，聚合污染源出入口視頻數據、交警卡口視頻數據、視頻掉線記錄、出入口視頻過車抓拍記錄等視頻專題數據；④揚塵類違規案件數據，聚合案件全生命周期數據、違規工地評級、違規車輛評級、違規公司評級、執法隊伍信息數據、可疑消納場位置以及各類案件分析數據。用戶可從管理界面查看數據資源的趨勢分析，獲取單位的統計分析、數據增量分析、訪問量分析等，如圖4所示。

圖4 大數據資源中心展示界面

2.3 業務管理平臺

多維應用場景可展示揚塵治理相關數據，實現精細化治理，為揚塵治理指揮調度人員部署、事件處置等提供決策依據，并與執法系統互聯，實現決策指揮一體化。從非接觸式執法的角度對揚塵相關事件進行處理，管理者可直觀查看整個監管環節揚塵相關的分析統計資料以及案件的全生命周期，對已發生的案件進行指揮調度。

2.3.1 主動發現和監管

案件的發現是系統的重點，利用視頻圖像分析、CIM空間分析和電子圍欄技術，根據車輛進出記錄、消納場性質等條件，自動發現工地違規開工、車輛密閉不嚴、車身未沖洗等建筑工地違規事件，非法黑消納場消納、已填滿消納場繼續消納、審批范圍外消納等消納場違規事件以及車輛未知去向消納場、無證車輛進入工地、車輛行駛中的撒漏、違規關閉定位等車輛違規事件。當環保監測發現AQI超標時，系統將聯合城管、交警、交通、住建等部門同步開啟重大預案預警功能，對需要停工的污染源和車輛進行嚴格監控，如圖5所示。系統若判定污染源存在違規開工的情況將生成預警，并推送發現的污染源信息與車輛信息；管理者可利用系統指揮、調度人員到相應的案發現場處理揚塵違規行為。

圖5 預案預警監控圖

2.3.2 聯合執法和高位監督

系統在獲取執法人員處理的反饋信息后，進行結案確認。通過構建揚塵誠信體系，對違規源頭公司、違規車輛公司進行聯合懲戒，定期發布車輛、企業的違規失信行為，增加企業、個人失信的違規成本，同時對違規案件的責任部門進行考評，強化監管能力。

在揚塵治理應急指揮調度和指揮跨城區處置城管執法案件等高位指揮調度情境下，利用系統大數據平臺對匯聚的揚塵治理各責任部門的相關數據進行二次綜合分析，形成揚塵治理指揮決策的“智慧中樞”，推動各部門揚塵治理工作對內、對外的銜接，利用數據分析研判、預警預報等功能為行業管理和各層級執法提供管理和執法輔助。

3 結語

本文采用基于CIM的智慧城市技術架構體系構建了城市揚塵治理綜合管理系統，并對系統在城市治理方面的應用展開了分析，提供了基于CIM的城市治理解決方案，為市級信息共享、標準統一、城市綜合管理提供了技術保障。系統還存在一些亟需解決的問題，如對城市基礎設施、地下空間、生態環境、道路交通的實時感知不全，城市運行規律深度挖掘不夠等。只有很好地解決上述問題，才能實現風險與問題的早期預測預警和高效處置，使系統真正發揮作用、產生效益，成為城市綜合治理的基礎，提升城市綜合服務水平。