基于時空大數(shù)據(jù)的綜合感知平臺建設(shè)

趙偉偉 黃國平

（1.南京市城市規(guī)劃編制研究中心，江蘇 南京 210029；2.武大吉奧信息技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223）

0.引言

智慧城市是城市信息化發(fā)展的目標(biāo)和愿景，在發(fā)展的過程中也必然歷經(jīng)從單一到綜合、從局部到整體、從初級到高級的發(fā)展階段。特別是在數(shù)字城市、智慧城市階段，都需要時空大數(shù)據(jù)與云平臺等的支撐[1-3]。

時空大數(shù)據(jù)即時空信息基礎(chǔ)設(shè)施，是城市信息化不可或缺的、基礎(chǔ)性的、根本性的信息資源。搭建基于時空大數(shù)據(jù)的綜合感知平臺，接入物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)，得到城市實時狀態(tài)信息，同時以基于法律規(guī)定的、各行業(yè)一致的時空基準(zhǔn)為基礎(chǔ)，整合囊括人口信息、經(jīng)濟數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)、文化信息等信息資源，是實現(xiàn)城市信息化的途徑和必然要求[4-6]。

本文將以綜合感知平臺建設(shè)為核心，重點介紹基于時空大數(shù)據(jù)進行綜合感知平臺建設(shè)的技術(shù)設(shè)計、建設(shè)內(nèi)容和應(yīng)用成效，為今后的綜合感知平臺建設(shè)工作提供一條有效的技術(shù)路線。

1.現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟社會環(huán)境的逐步改善，城市現(xiàn)代化水平越來越高，2010年，IBM提出了“智慧的城市”這個概念，以全域整體感知，相互連通為設(shè)計愿景，以期更好地適應(yīng)社會和經(jīng)濟在新時期的發(fā)展，針對城市資源的緊張和高質(zhì)量生活需求之間的矛盾，治療“城市病”。

近年來，我國不斷發(fā)布了各類政策，著力促進物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展，不少地方政府也陸續(xù)公布了與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的專項規(guī)劃、實施規(guī)劃方案，發(fā)表了針對性的發(fā)展意見，從地方土地規(guī)劃使用、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)配套、地方稅收優(yōu)惠、核心技術(shù)開發(fā)和行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域等多個方面，在政策上為整個物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展提供了支持。

目前，我國物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的整體產(chǎn)值已達(dá)到了萬億元的級別。行業(yè)規(guī)模在實現(xiàn)了超預(yù)期增長的同時，相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和行業(yè)應(yīng)用推廣的成效也非常突出。中國也陸續(xù)推出了新基建、網(wǎng)絡(luò)強國等國家相關(guān)戰(zhàn)略，不斷推動新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如，5G、NB-IoT、IPv6等）在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，消費和產(chǎn)業(yè)方面的物聯(lián)網(wǎng)逐步實現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，在5G領(lǐng)域、車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域等也逐步取得了突破性發(fā)展。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)豐富了城市治理的手段，在智慧城市應(yīng)用領(lǐng)域（如，水質(zhì)監(jiān)測、空氣質(zhì)量監(jiān)測、智慧路燈等）得到了非常廣泛地應(yīng)用，提升了人民居住環(huán)境。但目前業(yè)務(wù)應(yīng)用存在的煙囪建設(shè)模式，使不同系統(tǒng)使用的感知數(shù)據(jù)難以共享利用，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)利用率較低，重復(fù)建設(shè)增加了利用成本。

建設(shè)綜合感知平臺，是為強化城市精細(xì)化管理，形成穩(wěn)定的建設(shè)模式，利用越來越強大的平臺功能，以接入更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，承載更多的物聯(lián)應(yīng)用，持續(xù)升級智慧城市的管理水平。綜合感知平臺需要滿足用戶對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用進行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌建設(shè)、統(tǒng)一監(jiān)管的需求，維持平穩(wěn)的系統(tǒng)運行狀態(tài)，為用戶提供良好的使用體驗。

綜合感知平臺的建設(shè)主要包括以下3個目標(biāo)：

（1）提供對所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備統(tǒng)一的接入，實現(xiàn)對設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一的采集、展示和共享利用；

（2）為大數(shù)據(jù)平臺及各應(yīng)用系統(tǒng)提供支撐，為各類應(yīng)用提供統(tǒng)一的物聯(lián)感知數(shù)據(jù)相關(guān)服務(wù)；

（3）獲取物聯(lián)設(shè)施實時狀態(tài)，為領(lǐng)導(dǎo)和管理者展示城市環(huán)境的情況，便于領(lǐng)導(dǎo)和管理者更了解真實情況，對城市管理、應(yīng)急處置等做出處置決策。

2.綜合感知平臺建設(shè)內(nèi)容

基于新一代信息技術(shù)云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、時空大數(shù)據(jù)、地理信息集成等，進行綜合感知平臺建設(shè)，充分接入物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，獲取城市實時狀態(tài)信息，通過整合人口、經(jīng)濟、社會、文化等信息，完整、深入地呈現(xiàn)社會、經(jīng)濟和環(huán)境運行狀態(tài)，為領(lǐng)導(dǎo)及管理人員提供城市宏觀運行狀況。結(jié)合對城市發(fā)展問題的綜合分析，將感知數(shù)據(jù)和分析結(jié)果進行可視化展示，為城市管理的精準(zhǔn)施政提供決策支持，為打造“智慧城市大腦”提供堅實的基礎(chǔ)。

2.1 感知數(shù)據(jù)匯聚

綜合感知平臺通過多種方式匯聚感知數(shù)據(jù)，包括感知設(shè)備適配和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)適配。

感知設(shè)備適配方式提供不同行業(yè)多種類傳感器（包括溫度、濕度、有害氣體、位移、傾角、地磁等設(shè)備）的接入支持。平臺軟件能夠支持各類數(shù)據(jù)協(xié)議的解碼，提供不同設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議的解析處理支持。感知平臺具備海量設(shè)備的高并發(fā)接入，通過定義標(biāo)準(zhǔn)化的接口，利用不同的處理程序，從而實現(xiàn)平臺能力的擴展。

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)適配能夠兼容各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，支持多種網(wǎng)絡(luò)形式（包括有線、3G、4G、5G、NB-IoT、eMTC等）的接入，提供主流的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議的適配能力，同時提供異構(gòu)設(shè)備的扁平化接入支持。數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)適配提供對軟網(wǎng)關(guān)的支持，從而適配數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和傳輸協(xié)議。

在具備網(wǎng)絡(luò)的條件下，提供在線數(shù)據(jù)接入能力，具備數(shù)據(jù)接口對接的功能支持。通過時空大數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)對接業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，對數(shù)據(jù)進行靈活的接入、清洗、轉(zhuǎn)換及加載，實現(xiàn)跨業(yè)務(wù)系統(tǒng)、跨異構(gòu)數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及匯聚。

2.2 數(shù)據(jù)整合

基于業(yè)務(wù)流引擎對多源異構(gòu)的時空信息進行匯聚、整合、一體化處理，根據(jù)數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)流程，按照邏輯和規(guī)則構(gòu)建業(yè)務(wù)流引擎，實現(xiàn)物聯(lián)感知數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、各行業(yè)專題數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)持續(xù)的實時、高效數(shù)據(jù)抽取、匯聚、整合等工作，實現(xiàn)多源信息融合，提升數(shù)據(jù)的價值，更充分發(fā)揮數(shù)據(jù)效用。

根據(jù)時空大數(shù)據(jù)的要求，對于匯聚過來的各類地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程中，為了控制目標(biāo)數(shù)據(jù)的內(nèi)容，如，指定目標(biāo)數(shù)據(jù)地物類名、增加或刪除屬性字段、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)分解等。采用這種方法進行雙向的轉(zhuǎn)換，一方面，在轉(zhuǎn)換的過程中損失的信息量較??；另一方面，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的同時也可以進行數(shù)據(jù)操作，從而進行復(fù)雜語義的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)已有的各類空間數(shù)據(jù)，以時間為軸形成歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。利用地址匹配引擎，將地名、地址等非空間數(shù)據(jù)在線賦予空間屬性，滿足眾多政府部門業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的空間化需求。數(shù)據(jù)的空間化通常分為3種情況：

（1）具有空間位置坐標(biāo)的數(shù)據(jù)，可通過坐標(biāo)匹配定位進行數(shù)據(jù)空間化；

（2）蘊含地名、地址信息的數(shù)據(jù)，可根據(jù)識別出的地名、地址信息，將地名標(biāo)識信息融入切分序列和邏輯組合關(guān)系中，采用局部模糊匹配后消除歧義的方法，以多種匹配方法（如，分詞匹配、本體和詞語相似性）實現(xiàn)地名、地址匹配，匹配后即可空間化；

（3）僅蘊含地名基因信息內(nèi)容的數(shù)據(jù)，先要結(jié)合漢語中分詞以及數(shù)據(jù)比對的技術(shù)，利用基于語義、地理本體統(tǒng)一的認(rèn)知，快速進行地名特征的提取，然后通過地名、地址的匹配實現(xiàn)定位。

2.3 感知數(shù)據(jù)分析

以時空大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合綜合感知平臺匯聚的城市實時運行數(shù)據(jù)，對城市運行體征進行綜合分析，包括人口分析、科技創(chuàng)新、社會民生、政務(wù)服務(wù)、城市建設(shè)、社會治理、生態(tài)環(huán)保等方面的分析，實施更有針對性的管理服務(wù)。

利用綜合感知平臺匯聚的綜合感知信息，建立多尺度綜合感知指標(biāo)，基于場景感知設(shè)備與在線監(jiān)測技術(shù)，提供城市多尺度綜合感知服務(wù)，可實現(xiàn)城市趨勢分析、城市運行狀態(tài)監(jiān)測和個體行為跟蹤等城市數(shù)據(jù)綜合分析。

充分利用綜合感知平臺采集到的實時信息，精確地獲得城市的動態(tài)數(shù)據(jù)，能夠有效提升社會綜治效果，提高城市監(jiān)管能力。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，集成多源空間感知數(shù)據(jù)，深入揭示城市社會經(jīng)濟現(xiàn)象的分布、聯(lián)系和過程等規(guī)律，實現(xiàn)城市的動態(tài)感知。通過獲取不同維度、不同分辨率的物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對城市動態(tài)的綜合分析，能夠有效提升時空大數(shù)據(jù)在城市治理中的應(yīng)用深度，為切實解決城市問題提供了新的思路。

2.4 數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)

綜合感知平臺提供數(shù)據(jù)可視化展現(xiàn)，能夠?qū)崟r感知數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)綜合分析結(jié)果進行可視化展現(xiàn)，建立能夠反映全領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)濟與社會發(fā)展情況的相關(guān)指標(biāo)體系，更全面地展現(xiàn)出整個城市運行的態(tài)勢，充分感知城市的發(fā)展趨勢和運行風(fēng)險，為城市領(lǐng)導(dǎo)及管理者制定處置方法和政策提供支撐。

數(shù)據(jù)可視化可以根據(jù)用戶需求選擇數(shù)據(jù)角度或者屬性信息，也可以根據(jù)目的和用戶類型來選用恰當(dāng)?shù)恼宫F(xiàn)方式。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過可視化技術(shù)處理后，能以多種不同的視覺形式來表現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容，使用戶加深對數(shù)據(jù)含義的理解。在感知數(shù)據(jù)的可視化中，能夠以時空大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，快速地在對象所涉及的不同類別的空間數(shù)據(jù)（包括二維數(shù)據(jù)、三維場景數(shù)據(jù)等）之中顯示城市運行的真實狀態(tài)，便于相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及管理者制定相關(guān)的決策。

3.關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

關(guān)鍵技術(shù)包括唯一編碼的時空對象模型技術(shù)、基于業(yè)務(wù)流引擎的信息融合技術(shù)以及基于城市空間模型二、三維一體化的數(shù)字孿生映射技術(shù)等。唯一編碼的時空對象模型技術(shù)具備唯一編碼，是數(shù)據(jù)進行融合、掛接的核心；基于城市空間模型二、三維一體化的數(shù)字孿生映射技術(shù)則是自動生產(chǎn)三維建筑簡單模型的高效方法。

3.1 采用唯一編碼的時空對象模型技術(shù)

采用具有唯一編碼的地理實體數(shù)據(jù)，對地理實體數(shù)據(jù)逐要素注入“三域”標(biāo)識?；跁r空數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重組，根據(jù)要素標(biāo)識信息構(gòu)建各地理實體的時空對象，每個時空對象都具有唯一標(biāo)識，通過唯一編碼進行掛接、融合匹配，實現(xiàn)與人口、經(jīng)濟、法人、建筑物等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)和融合，能夠有效促進地理信息在各部門之間的交換、共享和利用，輔助應(yīng)用部門管理與決策，也方便了公眾查詢，拓展了平臺應(yīng)用的廣度和深度，為社會精細(xì)化、網(wǎng)格化治理和新型智慧城市建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3.2 基于業(yè)務(wù)流引擎的信息融合技術(shù)

根據(jù)數(shù)據(jù)融合業(yè)務(wù)流程建立業(yè)務(wù)流引擎，基于業(yè)務(wù)流引擎對多源異構(gòu)時空信息進行匯聚整合一體化處理，實現(xiàn)了基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)與各行業(yè)專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)持續(xù)的、實時、高效的數(shù)據(jù)抽取、匯聚、整合及空間化落圖等序列工作，為綜合感知平臺提供了技術(shù)支撐。

3.3 流式三維云端渲染技術(shù)

應(yīng)用流式三維云端渲染技術(shù)，能夠?qū)?shù)據(jù)渲染從客戶端放到云服務(wù)端，客戶端與服務(wù)器之間采用流媒體方式，將渲染的三維畫面實時編碼壓縮成視頻流傳輸?shù)娇蛻舳孙@示，同時將響應(yīng)返回客戶端。整個流程采用高效率服務(wù)視頻壓縮編碼，避免海量數(shù)據(jù)傳輸造成網(wǎng)絡(luò)擁堵而導(dǎo)致渲染模型卡頓、數(shù)據(jù)響應(yīng)不及時問題，大幅提高海量規(guī)模數(shù)據(jù)的Web展示能力。

3.4 基于城市空間模型二、三維一體化的數(shù)字孿生映射技術(shù)

綜合感知平臺基于二維地圖與城市三維地理信息模型，能夠?qū)崿F(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)一體化、顯示一體化、分析一體化、服務(wù)一體化的應(yīng)用效果。同時，利用物理的模型、傳感器等數(shù)據(jù)，在虛擬空間中實現(xiàn)真實世界的映射，建成可進行編輯操作的鏡像，實現(xiàn)物理空間與虛擬數(shù)字空間交互映射、融合共生。另外，結(jié)合強大的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)處理分析等能力，對所獲取的設(shè)備進行當(dāng)前狀態(tài)評估、歷史狀況診斷、未來走勢預(yù)測，并給出分析結(jié)論，為新智慧城市監(jiān)管提供全面支持。

4.應(yīng)用成效

建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)綜合感知平臺，統(tǒng)一接入并管理相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備，通過感知設(shè)備實現(xiàn)對不同監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集，并保持感知數(shù)據(jù)采集、分享、利用的高效和穩(wěn)定，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的匯聚、管理。同時，物聯(lián)網(wǎng)綜合感知平臺可以將物聯(lián)感知數(shù)據(jù)共享給時空大數(shù)據(jù)與云平臺，便于各部門的應(yīng)用系統(tǒng)進行調(diào)用，更方便地滿足各單位管理和數(shù)據(jù)分析的需要，提升智慧城市精細(xì)治理能力。

接入各類具備開放和共享條件的智慧城市物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，為傳感信息深度的共享提供支撐。整合數(shù)據(jù)成果，集成基礎(chǔ)地理信息、行業(yè)專題信息和智能感知實時信息等數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一的、權(quán)威的時空大數(shù)據(jù)與云平臺，為城市領(lǐng)導(dǎo)及各管理部門、企業(yè)、人民大眾提供相關(guān)的時空信息資源服務(wù)，為基于時空的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，建立能夠反映全領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)濟與社會發(fā)展情況的相關(guān)指標(biāo)體系，更清晰地展示整個城市運行的態(tài)勢，充分感知城市的發(fā)展趨勢和運行風(fēng)險，為城市領(lǐng)導(dǎo)及管理者制定處置方法和政策提供支撐。

5.總結(jié)與展望

本文提出的綜合感知平臺建設(shè)充分接入已有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，獲取并匯集感知數(shù)據(jù)，利用時空大數(shù)據(jù)融合形成數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，進行數(shù)據(jù)綜合分析，并將分析結(jié)果進行可視化展現(xiàn)，為領(lǐng)導(dǎo)提供決策支持。

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，全面利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)收集和分析實時感知數(shù)據(jù)和信息，結(jié)合城市實際建設(shè)需求和發(fā)展策略，充分利用新技術(shù)，調(diào)動各方資源進行智慧城市建設(shè)，提升城市發(fā)展速度，從而高效地實現(xiàn)城市監(jiān)管的目標(biāo)，為城市健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

本文提出的綜合感知平臺建設(shè)方法能夠有力支撐城市物聯(lián)感知平臺的建設(shè)。未來，我們將以時空大數(shù)據(jù)與云平臺為研究的載體和基礎(chǔ)，面向物聯(lián)設(shè)備全天候監(jiān)控、全生命周期管理的實際需求，繼續(xù)探索物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理與應(yīng)用。