基于人工智能技術(shù)的市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控平臺(tái)架構(gòu)研究

張夢霞， 魯斌

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司）

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，市政基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模和復(fù)雜度也在不斷增加。多種類的市政基礎(chǔ)設(shè)施彼此交疊、相互關(guān)聯(lián)，其產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)效應(yīng)造成了運(yùn)維管控困難，導(dǎo)致以傳統(tǒng)人工方式為主的運(yùn)維體系難以保障設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和安全性。為解決市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控難題，提高城市治理自動(dòng)化和智慧化水平，亟待設(shè)計(jì)基于人工智能技術(shù)的市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控架構(gòu)，作為市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控平臺(tái)的建設(shè)基礎(chǔ)。

提升城市市政基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化、智慧化管理水平，推進(jìn)多設(shè)施融合管控是智慧城市建設(shè)的重要目標(biāo)。而且，中共中央、國務(wù)院提出要打通數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施大動(dòng)脈，整體提升應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施水平，加強(qiáng)傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化、智能化改造[1]；工業(yè)和信息化部等則提出要圍繞跨部門數(shù)據(jù)共享和應(yīng)用協(xié)同，加快建設(shè)多維多特征異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、跨協(xié)議接入及設(shè)施狀態(tài)評(píng)估的城市級(jí)感知數(shù)據(jù)平臺(tái)[2]。

已有學(xué)者對基礎(chǔ)設(shè)施的智慧運(yùn)維平臺(tái)做了一定研究。朱合華等[3]從信息流角度提出了基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)的理念，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集、處理、分析和服務(wù)為一體的基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期智慧決策系統(tǒng)；張紀(jì)升[4]等指出中國智慧高速公路需強(qiáng)調(diào)平臺(tái)性、互聯(lián)性和終端化，因此提出基于“端—管—云”思路的技術(shù)架構(gòu)；張辰等[5]研究建設(shè)了上海市海綿城市建設(shè)信息管理平臺(tái)，平臺(tái)可建立項(xiàng)目庫，收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，量化評(píng)估海綿城市建設(shè)效果；翟曉卉[6]針對市政工程的道路、橋梁，以BIM為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)整合了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，開發(fā)了基于BIM+GIS的路橋運(yùn)維管控平臺(tái)。當(dāng)前的研究集中于單一功能設(shè)施的運(yùn)維問題，缺乏對多種類市政基礎(chǔ)設(shè)施間多業(yè)務(wù)融合問題的研究，較難為城市復(fù)雜市政基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維管控提供支撐。

針對多種類市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控存在的問題，本文研究基于人工智能技術(shù)的市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控平臺(tái)架構(gòu)，旨在融合多種類、多場景的市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控業(yè)務(wù)，提升城市智慧治理效用。平臺(tái)架構(gòu)針對市政管線、城市道路、城市環(huán)衛(wèi)、城市水務(wù)和應(yīng)急消防五大場景的運(yùn)維管控需求，設(shè)計(jì)對應(yīng)功能子模塊，應(yīng)用多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)字孿生仿真、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、智能自主決策等關(guān)鍵技術(shù)為平臺(tái)賦能。

2 人工智能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源數(shù)據(jù)融合

多源數(shù)據(jù)融合的目的是將不同傳感器的信息聯(lián)合為統(tǒng)一的表達(dá)形式[7]，從而提升數(shù)據(jù)的可靠性與豐富性。而人工智能技術(shù)可有效地促進(jìn)市政基礎(chǔ)設(shè)施中多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用。以人工智能技術(shù)中的聚類分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例，聚類分析可通過計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離和相似度，將其聚類成不同的群組。在多源數(shù)據(jù)融合中，聚類分析可用于識(shí)別和分類不同傳感器所采集的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提高對多源數(shù)據(jù)的理解和分析。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則通過模擬大腦的神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的連接，來學(xué)習(xí)和識(shí)別數(shù)據(jù)之間的模式和關(guān)系。在多源數(shù)據(jù)融合中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于預(yù)測和模擬不同傳感器之間數(shù)據(jù)的關(guān)系，從而得出更為準(zhǔn)確的結(jié)論。

2.2 數(shù)字孿生仿真

數(shù)字孿生仿真是一種建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和人工智能基礎(chǔ)上的技術(shù)，旨在通過虛擬要素動(dòng)態(tài)模擬現(xiàn)實(shí)要素，從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)實(shí)世界的可視化和可控制仿真[8]。該技術(shù)的核心在于處理和計(jì)算過程，可以根據(jù)不同數(shù)據(jù)源自主調(diào)整參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)字建模和仿真。同時(shí)，在這個(gè)過程中需要采用自適應(yīng)算法來不斷優(yōu)化并驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性，并對不同輸入作出響應(yīng)，以精確反映現(xiàn)實(shí)世界狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)真實(shí)與虛擬世界間的數(shù)據(jù)交互。

2.3 數(shù)據(jù)隱私保護(hù)

區(qū)塊鏈技術(shù)是保護(hù)市政基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)數(shù)據(jù)隱私的有效技術(shù)之一，可以通過分布式賬本技術(shù)、加密存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分類分級(jí)和數(shù)據(jù)脫敏等手段來實(shí)現(xiàn)多方位的數(shù)據(jù)隱私保護(hù)[9]。平臺(tái)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于分布式節(jié)點(diǎn)，并對其進(jìn)行加密，僅被授權(quán)的節(jié)點(diǎn)才能夠訪問這些數(shù)據(jù)。進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)的隱私性，確保在操作過程中不會(huì)發(fā)生惡意篡改數(shù)據(jù)或泄露敏感信息。

2.4 智能自主決策

市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，因此管理者難以準(zhǔn)確及時(shí)判斷異常事件的發(fā)生。為解決該問題，海量接入平臺(tái)需要搭載人工智能技術(shù)（如深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺和自然語言處理等），以便實(shí)時(shí)識(shí)別市政基礎(chǔ)設(shè)施異常事件，并做出高效的自主應(yīng)對策略[10]。市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控平臺(tái)將數(shù)據(jù)處理、分析、建模、預(yù)測和自主決策融合，可實(shí)現(xiàn)對異常事件的智能自主判斷與響應(yīng)，并通過生成圖形、統(tǒng)計(jì)信息和空間信息等多種數(shù)據(jù)可視化方式來輔助決策。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

市政管線、城市道路、城市環(huán)衛(wèi)、城市水務(wù)和應(yīng)急消防五大市政基礎(chǔ)是城市的重要組成部分，其運(yùn)維效率與城市的可持續(xù)發(fā)展最相關(guān)。由于這些市政基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量龐大、服務(wù)范圍廣泛，并且在運(yùn)維過程中，各設(shè)施之間互為影響。因此，為了充分滿足各市政基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維需求，需要將其核心功能進(jìn)行拆解和歸類，并在平臺(tái)架構(gòu)中設(shè)計(jì)對應(yīng)的功能子模塊。

3.1 市政管線子模塊

市政管線具有類型多樣、埋藏隱蔽、管線交叉等特點(diǎn)，管理難度大，因此，在平臺(tái)的市政管線子模塊中需集成多維數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)可視化和智能決策等功能。為實(shí)現(xiàn)這些功能，子模塊可設(shè)置綜合管理、信息管理、三維可視化、全面管控和服務(wù)共享等模塊。

其中，綜合管理模塊可以完成多維數(shù)據(jù)的管理、查詢、統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)置用戶權(quán)限和優(yōu)化配置數(shù)據(jù)庫等操作；信息管理模塊則對外提供地下管線數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)查詢服務(wù)，并支持設(shè)計(jì)部門對地下管線空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；三維可視化模塊可實(shí)現(xiàn)地下管線的地圖瀏覽、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和三維立體展示等實(shí)時(shí)可視化功能；全面管控模塊則可以監(jiān)測關(guān)鍵數(shù)據(jù)流并共享業(yè)務(wù)狀態(tài)，提供從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工運(yùn)營的整個(gè)生命周期的智能決策與管理功能；服務(wù)共享模塊則包含目錄服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)等可共享的內(nèi)容（見圖1）。

圖1 市政管線子模塊功能

3.2 城市道路子模塊

城市道路數(shù)據(jù)量大、管理部門多且對數(shù)據(jù)的保密要求高。因此，功能模塊應(yīng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效、安全的數(shù)據(jù)采集和管理，并促進(jìn)多部門、多技術(shù)領(lǐng)域之間的數(shù)據(jù)共享。城市道路作為城市重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，除了道路，還包括橋梁、隧道、涵洞、交通標(biāo)識(shí)等設(shè)施，將這些設(shè)施納入統(tǒng)一的管理平臺(tái)，有助于提升城市交通的運(yùn)行效率和安全水平?；诔鞘械缆返倪\(yùn)維管理需求，平臺(tái)中的城市道路子模塊可設(shè)計(jì)模型管理、運(yùn)維監(jiān)控、系統(tǒng)管理與數(shù)據(jù)管理等功能。其中，模型管理模塊可向用戶全方位、在線展示道路、橋梁、隧道、涵洞、交通標(biāo)識(shí)等設(shè)施的三維模型；運(yùn)維監(jiān)控模塊則對道路主體、橋隧及涵洞結(jié)構(gòu)、交通標(biāo)識(shí)、機(jī)電結(jié)構(gòu)等進(jìn)行監(jiān)控，以便運(yùn)維人員進(jìn)行質(zhì)量巡檢和對備品備件進(jìn)行管理；系統(tǒng)管理模塊則主要用于配置系統(tǒng)并分配用戶權(quán)限等信息，確保數(shù)據(jù)共享安全且可追溯；數(shù)據(jù)管理模塊則提供多源數(shù)據(jù)錄入、實(shí)時(shí)更新和跨部門數(shù)據(jù)共享等功能（見圖2）。

圖2 城市道路子模塊功能

3.3 城市環(huán)衛(wèi)子模塊

城市中日常產(chǎn)生的垃圾數(shù)量龐大，垃圾處理過程對時(shí)效性的要求高，但同時(shí)處理垃圾的環(huán)衛(wèi)部件種類繁多，包括垃圾桶、垃圾收集站、垃圾堆場、垃圾處理廠和垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)碼頭等，且這些設(shè)施在城市中分布密集，管理難度大。因此需要將這些設(shè)施納入平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，提升垃圾處理的效率。平臺(tái)需要能夠識(shí)別環(huán)衛(wèi)部件的地理分布及其中的垃圾類型與數(shù)量、即時(shí)判斷并反饋環(huán)衛(wèi)突發(fā)事件，且能夠自主設(shè)計(jì)高效的垃圾處理方案。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，平臺(tái)的城市環(huán)衛(wèi)子模塊可設(shè)計(jì)集成顯示及管理、查詢統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)化巡查與運(yùn)維管控等功能。

具體而言，集成顯示及管理模塊可從二維、三維視角直觀展示環(huán)衛(wèi)部件地理信息及垃圾分類狀態(tài)，并支持設(shè)施信息的錄入及導(dǎo)出等信息管理功能；查詢統(tǒng)計(jì)模塊可提供環(huán)衛(wèi)部件的多模式查詢與圖表自動(dòng)統(tǒng)計(jì)等功能；自動(dòng)化巡查則采用人工智能技術(shù)，可自主發(fā)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)突發(fā)事件、規(guī)劃巡查路徑并編配管理人員，并且在平臺(tái)顯示決策方案，輔助運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)決策；運(yùn)維管控模塊則提供了系統(tǒng)的人員及權(quán)限等基本管理功能（見圖3）。

圖3 城市環(huán)衛(wèi)子模塊功能

3.4 城市水務(wù)子模塊

城市水務(wù)涉及供水、排水、防洪、水環(huán)境、水生態(tài)等多個(gè)方面，其日常管理涉及城市供水水源、河道、供水系統(tǒng)（水廠和管網(wǎng)等）、雨水排放系統(tǒng)、污水處理與排放系統(tǒng)等各類水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。這些設(shè)施分散在城市的各個(gè)角落，傳統(tǒng)的人工巡檢和管理模式難以滿足日益增長的水務(wù)管理需求。為了實(shí)現(xiàn)城市水務(wù)的智慧化管理，平臺(tái)中的城市水務(wù)子模塊設(shè)計(jì)了包括數(shù)據(jù)集成、地圖顯示、門戶管理、智能模型及服務(wù)管理等功能。

其中，數(shù)據(jù)集成模塊提供數(shù)據(jù)中臺(tái)，可整合不同傳感器來源的水務(wù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、清洗和分析等功能，通過掌握、調(diào)配這些數(shù)據(jù)，運(yùn)維人員可更高效地管理城市水務(wù)運(yùn)行狀況；地圖顯示模塊則使用GIS 技術(shù)統(tǒng)一展示水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施、自然水體等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，運(yùn)維人員可直觀了解水務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施、水資源在城市中的分布及狀態(tài)等；門戶管理包括門戶集成與單點(diǎn)登錄等基本功能；智能模型模塊整合多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，同時(shí)提供智能化風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)配水資源、自動(dòng)識(shí)別城市水務(wù)風(fēng)險(xiǎn)事件等功能，在支持節(jié)水減排和促進(jìn)水資源可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用；服務(wù)管理模塊則提供系統(tǒng)注冊、人員管理等基礎(chǔ)功能（見圖4）。

圖4 城市水務(wù)子模塊功能

3.5 應(yīng)急消防子模塊

在應(yīng)急消防中，運(yùn)維管控的難點(diǎn)在于如何快速找到城市及建筑物內(nèi)部的消防路徑，提供相應(yīng)的消防應(yīng)急預(yù)案，并緊急協(xié)調(diào)各部門資源實(shí)施救援。為解決該難題，平臺(tái)可響應(yīng)應(yīng)急消防的需求，開發(fā)應(yīng)急消防子模塊，子模塊中提供信息可視化集成、智能災(zāi)害模擬和消防應(yīng)急行動(dòng)等功能。

信息可視化集成模塊可匯集傳感器數(shù)據(jù)，并采用數(shù)字孿生技術(shù)展示城市空間分布多維模型、災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)與人車流量等關(guān)鍵信息；智能災(zāi)害模擬模塊可以模擬消防應(yīng)急場景，采集模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并利用人工智能算法訓(xùn)練預(yù)測模型。通過此模型可預(yù)測災(zāi)害情況，設(shè)計(jì)全面的消防預(yù)案；而消防應(yīng)急行動(dòng)模塊則基于城市空間數(shù)據(jù)與建筑內(nèi)部數(shù)據(jù)，自主規(guī)劃救援路徑，并綜合指揮各部門調(diào)配應(yīng)急資源，以支撐實(shí)際救援行動(dòng)。通過以上三個(gè)模塊之間高度協(xié)作，平臺(tái)可以更加迅速地識(shí)別突發(fā)事件并進(jìn)行有效處置（見圖5）。

圖5 應(yīng)急消防子模塊功能

4 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控平臺(tái)的架構(gòu)自下而上包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和用戶層，且通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系來保障其穩(wěn)定運(yùn)行。

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個(gè)架構(gòu)的基底，包括計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和前端傳感器等。在計(jì)算機(jī)硬件方面，平臺(tái)采用高性能服務(wù)器，并且可靈活擴(kuò)展服務(wù)器配置，以滿足大規(guī)模、復(fù)雜數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和計(jì)算需求。在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方面，平臺(tái)采用高速、安全且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)來確保數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸。前端傳感器可以收集五大市政基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向平臺(tái)傳輸。

數(shù)據(jù)層是平臺(tái)的核心，該層主要負(fù)責(zé)對五大市政基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、管理和保護(hù)。該層可以匯集和處理各種市政基礎(chǔ)設(shè)施的原始數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和處理；可提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理功能，包括數(shù)據(jù)倉庫和備份等；并支持對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和挖掘，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)維過程中的問題并反饋；同時(shí)還提供數(shù)據(jù)的查詢和可視化功能，幫助運(yùn)維人員快速了解市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維情況，從而更好地制定運(yùn)維策略。此外，該層采用了區(qū)塊鏈技術(shù)確保數(shù)據(jù)的隱私安全。

支撐層是平臺(tái)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，主要包括多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)字孿生仿真、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)和智能自主決策等技術(shù)。平臺(tái)采用基于人工智能的多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、傳輸和存儲(chǔ)；數(shù)字孿生仿真技術(shù)可從多個(gè)維度直觀展示市政基礎(chǔ)設(shè)施的情況；智能自主決策技術(shù)則可利用大數(shù)據(jù)訓(xùn)練預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)自主輸出運(yùn)維決策方案的功能。

應(yīng)用層包括集中管理平臺(tái)和市政管線、城市道路、城市環(huán)衛(wèi)、城市水務(wù)和應(yīng)急消防五大場景的功能子模塊。集中管理平臺(tái)提供了統(tǒng)一的數(shù)字孿生模型和管理門戶，可通過一個(gè)系統(tǒng)來管理多種市政基礎(chǔ)設(shè)施。五大場景的功能子模塊能控制和管理不同的市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維系統(tǒng)，并輔助運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管控目標(biāo)。

用戶層服務(wù)于平臺(tái)的使用人群，主要包括市政管線、城市道路、城市環(huán)衛(wèi)、城市水務(wù)和應(yīng)急消防五大功能子模塊的運(yùn)維人員。平臺(tái)提供個(gè)性化的協(xié)作工具，以滿足不同專業(yè)間運(yùn)維人員共同管理市政基礎(chǔ)設(shè)施的需求。同時(shí)，平臺(tái)提供友好的交互界面，有助于提高運(yùn)維人員的使用效率。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和安全保障體系為運(yùn)維人員提供明確的使用指引，以確保市政基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定平臺(tái)使用的規(guī)則，可提高運(yùn)維人員使用平臺(tái)管理市政基礎(chǔ)設(shè)施的效率，同時(shí)保障平臺(tái)的運(yùn)行質(zhì)量。而安全保障體系則通過一些措施來提升市政基礎(chǔ)設(shè)施的安全防護(hù)能力，包括建立權(quán)限管理和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制等（見圖6）。

圖6 市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控平臺(tái)架構(gòu)

5 結(jié)語

本文提出了基于人工智能技術(shù)的市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控平臺(tái)架構(gòu)，旨在融合多種類、多場景的市政基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管控，提升城市智慧治理效率。通過分析五大重點(diǎn)場景的運(yùn)維需求，設(shè)計(jì)了五個(gè)功能子模塊，并構(gòu)建了包含多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)字孿生仿真、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)和智能自主決策等關(guān)鍵技術(shù)的平臺(tái)架構(gòu)。該平臺(tái)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層和用戶層，并通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與安全保障體系維持平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行。本研究成果有助于推進(jìn)智慧城市領(lǐng)域的發(fā)展，為市政基礎(chǔ)設(shè)施智能化運(yùn)維管控平臺(tái)的建設(shè)提供理論指導(dǎo)。