數(shù)據(jù)驅(qū)動模式下特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全的智慧管理與風(fēng)險預(yù)警框架構(gòu)建
——以上海市為例

林宇航 葉 勤,2 林 怡,2

(1. 同濟大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院, 上海 200092; 2. 同濟大學(xué) 遙感與地理信息研究中心, 上海 200092)

0 引言

城市公共基礎(chǔ)設(shè)施,是指城市中運輸、通訊、能源、供水排污等城市公用事業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施,是城市運行的生命線[1]。伴隨城鎮(zhèn)化進(jìn)程,公共基礎(chǔ)設(shè)施等城市建筑日趨龐雜。同時,由于風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警技術(shù)等不足而導(dǎo)致城市公共基礎(chǔ)設(shè)施突發(fā)事件不斷,如2021年7·20鄭州特大暴雨,2003年韓國大邱市地鐵1號線火災(zāi)等。而特大城市人口密集、建筑分布復(fù)雜,公共基礎(chǔ)設(shè)施安全稍有疏忽將可能造成難以估量的損失。

大量公共基礎(chǔ)設(shè)施安全事故具有預(yù)防準(zhǔn)備不足、現(xiàn)場管理不力、現(xiàn)場應(yīng)對處置不當(dāng)?shù)纫蛩豙2]。而傳統(tǒng)的“經(jīng)驗驅(qū)動”安全管理體系,其缺乏精確預(yù)警手段為決策和調(diào)控提供前饋基礎(chǔ)的弊端在這一過程中被放大,不再適用于特大城市建筑復(fù)雜度高速增長的現(xiàn)狀[3],已無法滿足社會對公共安全快速增長的需求[2],因此,要對特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險預(yù)警進(jìn)行變革,加強智慧化管理。

當(dāng)前,針對大數(shù)據(jù)的計算機技術(shù)與人工技術(shù)的結(jié)合成為信息處理的主流[4],而伴隨著傳感器技術(shù)高度發(fā)展,獲得環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的同時能夠直接獲取其空間分布并挖掘數(shù)據(jù)的行為邏輯,以此來尋找城市發(fā)展的邏輯和運行秩序。這使得特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全管理和風(fēng)險預(yù)警工作中數(shù)據(jù)的支撐作用越來越強;而數(shù)據(jù)獲取和處理技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)據(jù)驅(qū)動的模式成為可能。因此,在城市發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步日益加快的當(dāng)下,特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險預(yù)警和管理也需要面向數(shù)據(jù)驅(qū)動模式進(jìn)行轉(zhuǎn)型。

本文以上海市為例,針對四類典型的特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施(密集型高層建筑、跨海跨江橋梁、地鐵隧道、高速鐵路公路),搭建多源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和多功能應(yīng)急服務(wù)平臺,針對以多源監(jiān)測數(shù)據(jù)為驅(qū)動的特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警框架的構(gòu)建展開初步研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外案例經(jīng)驗

數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市公共基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警在發(fā)達(dá)國家更為成熟,在信息安全[6]和評價機制等方面也較為健全,維也納理工大學(xué)的Giffinger教授構(gòu)建了數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市安全智慧管理指標(biāo)[6];智慧社區(qū)論壇(intelligent community forum,ICF)評價體系包含5個維度18項指標(biāo)[7]。該研究中就包含有公共基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險預(yù)警框架的相關(guān)內(nèi)容。

美國應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全治理目前處于世界領(lǐng)先地位。紐約收集了百萬余棟建筑相關(guān)數(shù)據(jù)(包括電氣性能)估算火險概率,當(dāng)年的火災(zāi)發(fā)生率即下降了24%[8];西雅圖分析家庭耗電量等進(jìn)行預(yù)測,提出的節(jié)能方案將耗電量降低25%[9]。日本大力推進(jìn)數(shù)字城市交通等,建設(shè)由點到面的智慧特大城市[10]。歐盟一些國家、新加坡等也走在前列,雖發(fā)展不同,但都取得了較好成效,體現(xiàn)了數(shù)據(jù)驅(qū)動在此中的可行性及實用性。

國外在數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警方面形成的諸多成果,是研究城市安全管理的重要參考。

1.2 國內(nèi)轉(zhuǎn)型現(xiàn)狀

我國于2013年開始推行智慧城市建設(shè),自然資源部于2015、2017、2019年相繼出臺《智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)技術(shù)大綱》,目前在對數(shù)據(jù)進(jìn)行有目的地抓取方面取得了一定成果。新冠疫情期間,大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了高度的信息公開和社會參與,使風(fēng)險預(yù)警精準(zhǔn)和動態(tài)化,顯著提高了疫情應(yīng)對的敏捷性和精準(zhǔn)度[11]。此外大數(shù)據(jù)技術(shù)在規(guī)劃和土地資源利用[12]、物流[13]、交通[14]、城管[15]等不同領(lǐng)域也有成功應(yīng)用。

但對于城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險預(yù)警面向數(shù)據(jù)驅(qū)動模式的轉(zhuǎn)型、推廣和運用的研究仍有很多不足。王忠[9]分析了相關(guān)痛點：做不到信息資源共享,缺少統(tǒng)一平臺,各地各部各自為政、信息冗余。同時,社會參與度小,技術(shù)落后,特別是注重“事后應(yīng)對”而不是“事前預(yù)防”,也未建立健全統(tǒng)一的評價機制和轉(zhuǎn)化機制。

1.3 多源監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的啟示

空間遙感和傳感器技術(shù)的高度發(fā)展,使多平臺、多時相、多光譜和多分辨率的多源監(jiān)測數(shù)據(jù)大量涌現(xiàn),因具備大范圍、高精度、準(zhǔn)實時的特性而被廣泛運用在諸多領(lǐng)域,但也對數(shù)據(jù)處理能力提出了較高要求。

多源監(jiān)測技術(shù)在一些公共基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警方面有良好表現(xiàn)：日本明石海峽大橋集成風(fēng)速計、加速度計和地震計等構(gòu)成健康監(jiān)測系統(tǒng);新加坡利用光纖和壓電傳感器監(jiān)測地下工程,但以上僅監(jiān)測特定點位災(zāi)害信息。汶川地震后,通過遙感監(jiān)測分析都汶公路路基、橋隧等損毀情況,得到次生山地災(zāi)害的時空特性,為提出完善防災(zāi)減災(zāi)和恢復(fù)方案提供支撐[16],這個過程中空間遙感監(jiān)測技術(shù)的引入使得監(jiān)測從點擴充到面。

與傳統(tǒng)手段相比,多源監(jiān)測實現(xiàn)了多渠道的互補合作,能有效掃除監(jiān)測盲點,而大數(shù)據(jù)技術(shù)則能滿足其帶來海量數(shù)據(jù)對設(shè)備和管理提出的要求。因此現(xiàn)階段基于多源監(jiān)測研究數(shù)據(jù)驅(qū)動的特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險預(yù)警框架構(gòu)建在技術(shù)上可行。

2 研究選區(qū)概況

本文以上海市為例,針對密集型高層建筑、跨?？缃瓨蛄骸⒌罔F隧道、高速鐵路公路展開安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警研究。

上海市汛期明顯并多伴有臺風(fēng)、暴雨、高溫等災(zāi)害性天氣。同時,全市主要地質(zhì)災(zāi)害為地面沉降,是我國沉降較為嚴(yán)重的城市之一,也存在塌方、路面塌陷等隱患[17]。此類因素是選區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施面臨的主要自然威脅,致災(zāi)因素作用于目標(biāo)設(shè)施產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷及周邊環(huán)境異常,會直接反映在其整體或局部的靜態(tài)和動力性能改變上[18]。因此,采集目標(biāo)設(shè)施結(jié)構(gòu)響應(yīng)的數(shù)據(jù)并提取特征量,就可判斷受損程度,實現(xiàn)不同級別的響應(yīng)。這些可用于描述結(jié)構(gòu)變化的監(jiān)測參數(shù)即為廣義上的變形：選區(qū)內(nèi)重點包括沉降、位移、裂縫、振動,及內(nèi)應(yīng)力、滲壓等監(jiān)測量。

同時,上海擁有2萬余幢高層建筑;軌道交通線路共計19條,日均客流量超過1 000萬人次;共有35個客運站,長途班線1 611條,單日火車發(fā)送人次最高達(dá)57萬余人次,具有管理、人群和公共基礎(chǔ)設(shè)施建筑群的復(fù)雜性(這也是選區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施安全預(yù)警的挑戰(zhàn)之一),是開展研究的優(yōu)良范本。

3 框架建立探索分析

特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警框架向數(shù)據(jù)驅(qū)動模式的轉(zhuǎn)型可依靠多源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲取風(fēng)險參數(shù),并集成數(shù)據(jù)通信、預(yù)處理和存儲管理,如圖1所示。

圖1 多源遙感監(jiān)測和通信網(wǎng)絡(luò)

此外,還需構(gòu)建安全智慧管理和應(yīng)急多功能服務(wù)平臺,如圖2所示。該平臺結(jié)合災(zāi)害成因理論建立安全模型進(jìn)行預(yù)警和管理。該平臺需實現(xiàn)動態(tài)化、自動化更新以滿足實際需要,同時兼顧統(tǒng)計、發(fā)布、查詢和宣發(fā)等多種功能,將不同社會應(yīng)用主體聯(lián)系在一起。

圖2 智慧管理和預(yù)警服務(wù)平臺框架

因此,基于多源監(jiān)測的城市公共基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險預(yù)警框架的構(gòu)建工作,主要應(yīng)從以下幾個方面開展：

(1)架設(shè)多源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

(2)建立數(shù)據(jù)處理和服務(wù)平臺。

(3)實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警框架。

3.1 組建空天地一體的多源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)

搭建多源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的目的是全時域覆蓋,自動化,實時且精確地獲取全方位、立體化的城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測數(shù)據(jù)。

以上海市四類公共基礎(chǔ)設(shè)施為例,組網(wǎng)先期,需根據(jù)不同目標(biāo)設(shè)施的特性做組網(wǎng)規(guī)劃。如在本選區(qū),總體上對沉降監(jiān)測的需求較大,需特別關(guān)注,其中,合成孔徑雷達(dá)干涉(interferometric synthetic aperture radar,InSAR)具有地面沉降監(jiān)測的極大優(yōu)勢。對于公路,通過遙感衛(wèi)星或航測手段的對地觀測覆蓋即可發(fā)揮良好作用;對于地鐵、隧道,星載傳感器信號難以覆蓋,則需架設(shè)自動靜力水準(zhǔn)、三維激光掃描儀等地面?zhèn)鞲衅?而就跨江跨海橋梁而言,需要同等地考慮風(fēng)力、海潮等影響,由于處于開闊地帶,可以通過全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)監(jiān)測結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點的位置變化,進(jìn)而推演位移、振動、撓度等監(jiān)測指標(biāo)。同時,對于宏觀上的異常如異物侵入、人群異常等,可通過遙感影像、監(jiān)控攝像頭等手段直觀地監(jiān)測。

組網(wǎng)過程首先整合已有的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),建立雙向數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)分析方法,針對不同致災(zāi)類型集成傳感器,在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行空天地一體化地組網(wǎng),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測、數(shù)據(jù)通信與實時表達(dá)。并考慮直接集成便攜式數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和原始數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲。并采用串口通信和無線通信等協(xié)同作業(yè)搭建通信渠道,實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程傳輸。組網(wǎng)情況如表1所示。

表1 空天地一體的城市基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布設(shè)情況

3.2 設(shè)計智慧管理和預(yù)警服務(wù)平臺

安全智慧管理和預(yù)警服務(wù)平臺的搭建首先對已有的各類城市數(shù)據(jù)庫進(jìn)行整合,如地理信息庫、三維模型庫、遙感影像庫等,平臺數(shù)據(jù)庫的詳細(xì)設(shè)計如圖3所示。

圖3 平臺數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括非實時數(shù)據(jù))經(jīng)預(yù)處理后,對不同目標(biāo)參數(shù)需做不同處理：對于密集型高層建筑,建立風(fēng)險安全指標(biāo)模型;對于地鐵隧道,做自動整體平差等解算時序圖、變形曲線等;對于高速鐵路公路,研究線型區(qū)域相干點時序分析,重點解決穩(wěn)定參考點選取和干涉相位解纏等問題,實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測;對于跨海跨江橋梁,研究基于非線性時間序列分析和擴展的自適應(yīng)濾波等融合算法。

并根據(jù)國家及各類應(yīng)用規(guī)范做數(shù)據(jù)屬性設(shè)計和編碼索引規(guī)范化。數(shù)據(jù)經(jīng)處理后入庫、編碼、存儲,提供不同服務(wù),如圖4所示。

圖4 智慧管理和預(yù)警服務(wù)平臺架構(gòu)

在后臺或平臺界面,監(jiān)測數(shù)據(jù)支持基于圖標(biāo)的直接呈現(xiàn),也能以時序圖的形式觀察變化態(tài)勢,而不同的安全狀態(tài)/測站設(shè)計相應(yīng)的顏色(表2)/符號表達(dá)。

表2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的城市公共基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險各級預(yù)警

在風(fēng)險預(yù)警的邏輯實現(xiàn)上,需設(shè)置預(yù)警閾值,閾值一般源自各類《規(guī)范》及衍生推算指標(biāo)。構(gòu)造監(jiān)測量的統(tǒng)計量,建立分布模型,實時進(jìn)行超出閾值的概率計算,并采用模糊回歸等將不同監(jiān)測量納入模型綜合考慮各風(fēng)險因素的共同影響,設(shè)計不同風(fēng)險程度的估計,發(fā)布不同等級的預(yù)警,啟動不同程度的響應(yīng)行為,如表2所示。

3.3 實現(xiàn)多元主體協(xié)同的數(shù)據(jù)驅(qū)動安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警框架

基于3.1中所搭建的多源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和3.2中所建的多功能平臺,向不同應(yīng)用主體發(fā)布并要求可能的反饋,實現(xiàn)對城市公共基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險評估和預(yù)警,為決策提供支撐。該框架由多源數(shù)據(jù)(包含直接監(jiān)測數(shù)據(jù)和空間分布信息)驅(qū)動,集成了軟硬件設(shè)施,輻射多元主體,實現(xiàn)了前饋的響應(yīng)功能。同時,該框架由多元主體協(xié)同參與,將信息的集成與管理一體化,有效發(fā)揮了多元主體優(yōu)勢,提升了安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警的有效性和精細(xì)化,促進(jìn)“公共理性”和“重疊共識”。

研究框架的實現(xiàn)將有利于多元社會力量共同參與到城市公共設(shè)施管理中來,利于海量安全數(shù)據(jù)的高效利用和智慧管理,推演災(zāi)害發(fā)展規(guī)律,對防災(zāi)減災(zāi)、整合資源、提升城市治理水平具有積極意義。

4 結(jié)束語

本文對現(xiàn)階段數(shù)據(jù)驅(qū)動的特大城市公共基礎(chǔ)設(shè)施風(fēng)險預(yù)警模式的國內(nèi)外研究應(yīng)用進(jìn)行了比對,針對上海市四類大型公共基礎(chǔ)設(shè)施提出了安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警框架構(gòu)建的新思路,通過集成多源監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和多功能服務(wù)平臺,建立了智慧化、信息化、協(xié)同化、前饋化的風(fēng)險管理和預(yù)警框架。

但在實際應(yīng)用中,仍希望納入更多的數(shù)據(jù)主體如氣象、水文等測站,形成更廣泛的監(jiān)測,也包括針對不同目的的監(jiān)測指標(biāo)。同時,希望聯(lián)結(jié)更多社會主體促進(jìn)互聯(lián)互通,這需要優(yōu)化數(shù)據(jù)雙向發(fā)布的覆蓋面和暢通度及框架的其他性能,如基于用戶體驗的操作設(shè)計、個性發(fā)布等,也需要更多力量如設(shè)施管理單位的支持、應(yīng)急各部門的加入(包括制定數(shù)字預(yù)案)和社會群體的反饋等。

大數(shù)據(jù)時代下,對公共基礎(chǔ)設(shè)施及其環(huán)境的監(jiān)測理論上可滿足安全預(yù)警需求。但對比發(fā)達(dá)國家,我國仍存在較大落后,需在各方特別是管理上改進(jìn)：①發(fā)揮頂層設(shè)計實現(xiàn)變革,明確責(zé)權(quán)劃分,注重推廣教育;②建立運維考評機制和標(biāo)準(zhǔn);③建立跨領(lǐng)域?qū)＜規(guī)?提升在崗人員的(智慧化管理和應(yīng)急)素質(zhì);④消除數(shù)據(jù)孤島,共建開放統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺,發(fā)揮多元主體作用。

推動城市公共基礎(chǔ)設(shè)施安全智慧管理和風(fēng)險預(yù)警向數(shù)據(jù)驅(qū)動模式轉(zhuǎn)型,用數(shù)據(jù)說話,用數(shù)據(jù)服務(wù),才能解決傳統(tǒng)的特大城市安全管理體系與當(dāng)下城鎮(zhèn)化進(jìn)程產(chǎn)生割裂的難題,切實地提升安全風(fēng)險管控能力。