基于CIM的市政设施智能运管平台研究及应用

张 力

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引 言

城市市政基础设施是保障城市运行、改善人居环境、增强城市综合承载能力的重要支撑体系。市政设施种类繁多，运行环境复杂，其传统的孤立垂直管理模式已无法满足现代城市发展需求。近年来，各地相继建立以“一网通”“城市大脑”为代表的数字化城市管理与运营体系，但各专业部门间仍存在职能分散、信息壁垒、资源协同难、功能可扩展性差等问题，将市政设施状态感知、数据融合与运管体系应用到各行业、各层级，形成统一运维管控体系是当前发展的目标和难点。

在2020年9月由住房和城乡建设部印发的《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》中，CIM 被定义为：以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度空间数据和物联感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。CIM 被认为是数字孪生城市的基础核心[1-4]，通过前述多种信息技术的综合应用，将包括市政基础设施在内的各类城市物理实体进行数字化映射，进而实现城市规划建设“一张图”，城市治理虚实“一盘棋”，城市服务情景“一站式”的目标。利用CIM 平台开展全方位多维度智慧城市应用建设，已成为当前的研究热点[5-8]。

1 平台设计思路

围绕城市典型市政基础设施智能化运维与管控需求，以CIM 技术为核心，针对城市市政设施模型数据量大、数据类型众多、数据结构复杂多样等特点，突破市政设施管理平台各自独立和垂直应用现状，基于市政设施物联数据泛在接入统一标准和多状态混杂环境市政设施运维管控关联模型，构建市政设施智能诊断、风险推演及决策知识数据库，形成市政设施分类、分级智能化运维与管控的技术体系和平台，实现城市典型市政设施运维联动、管控应急处置的高效融合和协同增效目标，为面向特大、超大城市市政基础设施的精细化管理提供大数据分析及共性能力支撑。

2 平台总体架构

本平台依托基于CIM 的市政基础设施三维数字底座，与物联感知、仿真模拟、深度学习等信息技术高度融合，实现城市市政设施状态全面感知、数据实时分析、风险智能预警、信息可视呈现、事件分级响应。平台总体架构如图1所示。

图1 平台总体架构

感知层：负责采集与市政设施日常运行有关的海量多源异构数据，主要包括用于获取不同类型市政设施状态及环境信息数据的各类传感器或数据感知终端，如压力传感器、振动传感器、温湿度传感器、摄像头、GPS、RFID、智能巡检机器人等，以及各类前端执行设备，如摄像头云台、机器人伺服控制系统等。

设施层：平台运行所需的网络、存储、计算、安全资源与机房配套环境等软硬件基础设施。通过有线或无线、专网或公网等多种网络通信方案实现数据、设备、应用等高效互联互通；利用本地与云存储计算资源相结合，为平台提供海量数据存储与高性能计算能力；通过物理访问控制、身份认证、存储备份、防火墙等安全技术，为平台运行提供全方位的安全保障。

数据层：为整个平台提供支撑，为各种智能化应用提供数据基础。相关数据主要包括物联感知数据、时空基础数据、资源调查数据、规划管控数据、工程建设项目数据、公共专题数据等类别数据资源。其中，物联感知数据包括市政设施监测数据、交通监测数据、环境监测数据、气象监测数据、建筑监测数据、城市安防监控数据等；时空基础数据包括测绘遥感数据、三维模型数据；资源调查数据包括地址调查数据、水资源数据、房屋建筑普查数据、市政设施普查数据等；规划管理数据主要是指城市市政规划相关数据；工程建设项目数据包括立项用地规划许可、工程建设规划许可、施工许可、竣工验收数据等；公共专题数据包括社会数据、实有单位数据、宏观经济数据、实有人口数据、兴趣点数据、地名地址数据等。

能力层：是整个平台的核心，依托感知层、设施层、数据层所提供的软硬件与数据资源，综合利用物联网泛在接入、大数据分析、人工智能深度学习、可视化等技术，实现设备接入与管理、数据汇聚、信息融合、智能诊断、决策分析、可视化展示、应急处置等功能，主要包括物联接入与数据汇聚系统、智能诊断与分析决策系统、BIM+GIS 可视化展示系统、应急处置分级响应系统。

应用层：为平台提供其所支撑的典型市政基础设施智能化运维与管控综合应用场景，包括地下管线、道路交通、城市环卫、城市水务、应急消防等。

3 平台功能设计

3.1 物联接入与数据汇聚系统

物联接入与数据汇聚系统提供物联设备管理、多源数据汇聚、异构信息融合等功能。针对海量传感器与数据感知终端大规模接入带来的各种问题，如异构设备管理、市政设施运维与管控多种业务交叠，网络形式多类型并存，不同数据形式对网络传输的实时性、带宽、并发量要求各不相同等，建立支持人-机-物高效交互的多设备融合通信物联泛在接入系统，实现市政设施数据感知终端连接服务快速发现，保障各类设备间的网络连接可靠性，实现网络之间互联互通，解决平台建设中的信息孤岛问题，以及现有网关设备支持协议种类单一，计算、分析、筛选、通信等能力较低的问题；实现无线、有线相结合，短距、长距异构融合接入，保障恶劣工况下城市市政设施感知数据的高效接入和可靠传递；通过建立基于微服务的数据汇聚系统，将不同种类数据的汇聚开发成一个个微服务，每个微服务间的业务相互独立、互不影响，极大地保证了数据汇聚系统的高内聚、低耦合的特性，实现异构数据的高效组织汇聚；针对市政基础设施物联感知数据来源广、信息格式不一、时空信息变化剧烈等特点，为提高多源异构信息处理精度，基于信息源可靠度D-S 证据理论建立多源异构信息融合模型[9]，通过对平台所获取的不同市政设施状态信息进行特征提取，并按照一定的融合准则以及每个信息源的可靠度进行综合判断，得到关于市政设施状态的初步决策结果。

3.2 智能诊断与分析决策系统

智能诊断与分析决策系统包括专家知识库、风险辨识推演、智能诊断决策等功能。针对市政设施系统特征和运行机理，进一步基于人工智能和大数据技术对海量市政设施物联感知数据进行语义分类识别和知识提取，形成可支持状态诊断、风险辨识和推理决策的专家知识库；基于市政设施混杂环境运行的多源异构数据，结合其他类型数据资源，将多模态、多时空尺度、海量市政设施运行状态数据与专家知识库进行实时关联融合，实现混杂运行环境下市政设施的风险辨识和推演；开发轻量级、容器化的智能决策微服务模块，为市政设施智能化运维提供统一决策支持。

专家知识库包括典型风险事件的作用机理以及风险辨识推演与诊断决策方法，相关风险事件包括管线压力异常、结构渗漏水、结构开裂、结构变形超标、外部施工入侵、道路路面积水、道路车辆超限、垃圾场站有害气体浓度超标、污水处理水质不达标、消防设施状态异常等。

3.3 BIM+GIS 可视化展示系统

BIM+GIS 可视化展示系统包括模型数据加载、3D 可视化渲染、图文关联展示等功能。以GIS 系统作为基础平台，加载BIM 数据，并整合物联感知、时空基础、资源调查、规划管控、工程建设项目、公共专题等业务数据，通过对重点区域三维场景的高性能物理仿真与可视化渲染，三维展示地下管线、道路交通、城市环卫、城市水务、应急消防等市政设施状态；结合智能诊断与分析决策系统数据，以视频画面、柱状图、饼图、折线图或文字等形式展示市政设施的实时状态、历史监测数据、风险事件告警信息、事件演变趋势预测结果等信息。

BIM 数据包括工程建设项目规划设计报批BIM、项目施工报批BIM、项目竣工验收BIM。各工程建设单位因建设需要而自行设计BIM，以及必要情况下的BIM 翻模数据等。不同来源的BIM 数据应该通过IFC（工业基础类）数据交换标准进行数据转换，以便于数据的统一规范化与轻量化处理[10]。

3.4 应急处置分级响应系统

应急处置分级响应系统包括事件规模评估、响应等级判定、应急资源调配等功能，流程如图2所示。当平台监测到管控区域内风险事件发生时，首先对事件规模进行评估，根据事件规模不同判定应急处置响应等级。如果事件只涉及单个单位或部门，则响应等级判定为三级，平台通知涉事单位自行应对，并通知相关单位关注事态发展，启动相应预案；如果事件涉及两个及两个以上部门，且仅涉及平台管控地区部分区域，则响应等级判定为二级，由事先成立的应急领导小组通过平台协调涉事单位共同处置，相关单位启动应急预案；如果事件涉及平台管控的全部区域，则响应等级判定为一级，由应急领导小组通过平台协调并联动管控区域内各责任主体共同应对；如果经过上述应急处置响应后，事态得到控制，则应急处置工作结束，平台解除风险事件告警信息，并发布应急响应处置结果；如果经过上述应急处置响应后，事态仍未得到控制，则平台发布扩大应急消息提示，由应急领导小组向上级部门（如市应急指挥职能部门）请求应急增援。

图2 应急处置分级响应流程

4 平台应用

4.1 地下管线安全监测

针对给水、燃气等地下管线的安全监测，通过预埋于管线自身或其附近的各类物联感知终端，实时采集管线压力、流速、温湿度、变形与受力状态、周边结构沉降等多维数据；结合历史监测数据，基于深度学习算法构建具有动态阈值的管线运行状态判别模型，对管线运行中的突发事故（如爆管、燃气泄漏等）进行风险预警与辅助决策，最大限度地降低事故损失。

4.2 道路交通全息感知

针对城市中易堵与事故多发路段道路交通的安全监控，依托视频监控、动态称重、车流量检测等感知设备，实时掌握道路交通运行状况并自动识别异常事件；在对实时视频数据进行人工智能分析的基础上，重构整个监控路段的交通运行情况，实现监控路段车辆动态孪生仿真，并对重点车辆保持全程跟踪，为道路交通管理提供直观、高效的数据支撑。

4.3 城市环卫管理

平台可接入垃圾处理厂、焚烧厂、餐厨厂的空气质量、水质、视频监控等数据，实时监测各垃圾处理厂等单位的大气、水质等环境指标。根据城市环卫业务监管的具体要求，对环卫各业务环节进行有效监管，辅助环卫主管部门对环卫工作中的人、事、物进行实时调度，实现城市环卫集中化、精细化、智慧化管理。

4.4 城市智慧水务

通过水质检测仪、管网压力表、数据采集仪等在线监测设备实时监测城市供水系统的运行状态，利用平台实现水务管理部门与供水设施的有机整合，并可对海量水务信息进行融合分析与智能处理，为水务管理部门提供辅助决策建议，实现城市水务系统生产、管理与服务流程的精细化和动态化管理。

4.5 城市应急消防

基于数字孪生思想，利用平台的建模与仿真能力，对重点建筑、应急避难场所、消防设施进行三维可视化建模，高度还原真实世界，为应急管理部门提供相关建筑、场所及各类设施地点及布局的直观数据，在平时可支持消防救援单位真实高效地开展各类消防预案演练，在紧急事件发生时可辅助应急管理部门实现指挥与消防救援力量的精准部署。

5 结 语

将以CIM 为核心的新一代信息技术引入市政基础设施运维与管控体系建设中，构建基于CIM 的市政设施智能运管平台并开展多维度智慧城市数字孪生应用，支撑市政基础设施传统运管模式的转型升级，实现典型市政基础设施的智能化运维与管控，有助于推动城市治理能力的现代化与管理水平的精细化，提升城市韧性。