基于智慧燈桿的城市數字孿生平臺研究

張國良，譚方勇

(1.蘇州瀾普智能技術有限公司，江蘇蘇州，215001; 2.蘇州市職業大學 計算機工程學院，江蘇蘇州， 215104)

0 引言

隨著數字化、網絡化以及智能化的發展，我國智慧城市建設的步伐也正在加速，而建設虛擬服務現實、數據驅動整治、智能界定一切的數字孿生城市也將成為智慧城市建設的主要內容和未來的發展趨勢。黨的二十大報告也提出了要“加強城市基礎設施建設，打造宜居、韌性、智慧城市”，這也說明智慧城市建設已經成為城市可持續發展的需要，同樣也是信息技術發展的需要[1]。

智慧燈桿是以城市道路照明為主，將視頻監控、環境監測、交通管理、廣播、文化宣傳以及通信基站等功能整合為一體的智能化設備，在當前的智慧城市建設與管理中起著重要的作用，還可以響應 “節能減排、低碳經濟”的國家政策[2]。

本文將研究如何利用城市智慧燈桿在城市管理中的作用，通過數字孿生平臺技術來構建服務于城市智慧化管理的數字孿生平臺，在“虛實結合”中提升城市精細治理效能。

1 數字孿生平臺架構

數字孿生平臺基于實時渲染技術、三維動態數據管理技術、3D可視化技術、GIS+BIM+IOT等技術，能夠實現海量三維場景的數據處理、數據展示、數據分析應用及網絡發布等功能。既具有地理信息宏觀地理數據的展示能力，具有虛擬現實的精致表現能力和交互能力，能夠快速實現瀏覽器和移動端海量數據信息美觀、流暢的三維可視化、場景化管理與實時交互，支撐數字孿生新型智慧城市的建設、感知與萬物互聯。

如圖1所示為數字孿生平臺的架構，其主要由數據采集、數字底板、數據存儲、數據管理和智慧應用五大部分構成。平臺以BIM、GIS、物聯網等技術為基礎，整合城市道路智慧燈桿周邊場景、燈桿道路等空天地一體化多維信息模型數據和燈桿感知數據，構建貫穿智慧路燈管理、可視化高精地圖管理、公共政府接口對接、物聯網數據集成等智慧平臺支撐，提供三維可視化表達、三維可視化渲染、數字底板數據匯聚、智慧燈桿聯動管理等核心功能，提供從燈桿單體、燈桿道路場景到整體區域大場景的模擬仿真能力，支撐智慧路燈智慧應用平臺的互聯互通、資源共享，形成道路整體區域綜合燈桿一體化智慧應用的新格局，為綜合道路管理與應用提供有效的決策依據。

圖1 數字孿生平臺架構

2 平臺關鍵技術分析

2.1 多源數據融合技術

在城市智慧燈桿的實際運行過程中會產生海量的基礎數據，如各類地圖要素數據、監控視頻數據、BIM數據、城市傾斜攝影數據、傳感器數據、業務系統數據、各類數據庫數據等，數字孿生平臺需要充分將處在不同部門、不同行業、不同系統以及不同數據格式之間的海量數據進行匯集整合，為感知研判提供全面的數據支撐。

高效匯聚海量多源數據，結合精準高效時空索引與開放安全數據標準統一數據與服務接口，可有效解決數字孿生建設中跨行業數據的融合和展示問題，將原本孤立子系統不同類型、不同主題的業務數據進行打通，避免信息壁壘，支撐數據價值的深度挖掘和共享協同新模式[3]。

多源異構數據高效匯聚與管理技術主要實現對數據的轉換、清洗、建模、組織、管理與共享交換。通過對不同數據格式和不同時空位置的多源異構數據通過構建的時空基準高效索引進行數據規范化，然后進行三維模型動態單體化分割建筑物便于標識、BIM模型輕量化，語義化CIM建模進行有效組織和管理并發布為標準服務。

2.2 空間數據技術

數字孿生平臺基于GIS+BIM+IOT數據，提取影像、點云、傳感器等多種數據轉換至統一空間，并進行結構語義化建模，通過數據流轉構建與物理世界的對應數字世界模型，涵蓋空間信息、業務信息的語義數據庫，通過面向服務端的時空大數據管理、全要素三維可視化平臺、大數據仿真計算框架、物聯網管理服務部署搭建微服務框架開放平臺、API等進行客戶端端的數據可視化展示、仿真及業務應用，實現物理世界數據數字化的全過程流轉、整合、計算、分析及應用。

數字孿生平臺基于GIS+BIM+IOT數據，提取影像、點云、傳感器等多種數據轉換至統一空間，如圖2所示，并進行結構語義化建模，通過數據流轉構建與物理世界的對應數字世界模型，涵蓋空間信息、業務信息的語義數據庫，通過面向服務端的時空大數據管理、全要素三維可視化平臺、大數據仿真計算框架、物聯網管理服務部署搭建微服務框架開放平臺、API等進行客戶端端的數據可視化展示、仿真及業務應用，實現物理世界數據數字化的全過程流轉、整合、計算、分析及應用。

2.3 數據聯動技術

結合高效的時空唯一檢索ID和前端渲染框架，實現對時空流數據高效的檢索、可視化展示。采用標準化的HTTP、Web和交換服務接口定義規范，數據接入和綜合設備接入層支持與大型物聯網云平臺進行對接，并結合高可用高擴展性分布式存儲框架在前端進行展示，如圖2所示。

九寨情歌之所以這么有魅力，主要在于它嫻熟的運用了比喻這種藝術表現手段。比喻是“嘎花”中最常見、最重要的修辭手段。在本文所舉例的所有例子，幾乎都包含比喻。雖然用花草樹木等作比喻的很多，但九寨的人們更是經常用文學經典來比喻，用彼情喻此情，委婉又坦率。如：

圖2 物聯網設備實時數據接入技術

3 數字孿生平臺中數據聯動與功能交互

數字孿生可視化平臺，能夠對城市道路場景空間三維模型數據、物聯網設備位置數據、智慧路燈設備位置數據、井蓋監測等數據進行統一展示，綜合運用CIM建模和大數據存儲及展示技術，實現數字孿生，對運行和管理的各項數據指標進行實時、全面、形象、直觀地展示，如圖3所示。

圖3 數字孿生可視化平臺

3.1 數據統一管理存儲

數據統一管理和存儲模塊，主要是通過CIM平臺3D引擎，將涉及的所有系統數據進行采集，同時在數據采集過程中，對數據進行深度挖掘、分析、聚類，實現對海量、多源的各專題信息資源的管理和服務，通過開放地理信息系統協會制定的空間數據互操作的接口規范，實現異構GIS、BIM、IOT數據互操作，滿足規建信息資源開放和共享的要求。通過統一的信息共享服務，將能為各個應用系統提供統一的信息共享服務，實現各類信息的統一管理和共建共享，實現各應用系統的統一集成和集中管理。

大數據存儲和分析采用分布式架構，并具有低耦合和高可配性的特點，便于動態擴展，且系統易于移植，可跨操作系統、跨數據庫運行，可以轉移到外部云平臺。

3.2 對接智慧路燈管理平臺

對接智慧路燈管理平臺，在數字孿生平臺三維場景中，每座智慧燈桿在地圖上以圖標的形式顯示，并以不同的顏色展現不同的狀態信息，如報警、離線等。此外，還可以根據燈桿的內置控制器獲取電壓、電流、功率、電量等數據。

3.3 對接可視化管理平臺

可視化管理平臺擁有道路擁堵、失衡算法，計算道路擁堵、失衡指數，并識別擁堵、失衡道路，可計算顯示道路各方向、各車道的車流數據，包括過車數、排隊長隊、停車延誤、行程時間、時間占有率、空間占有率、停車次數等。數字孿生平臺可以根據接口數據，結合三維模擬技術展示道路數據，使管理者能夠直觀地了解路面擁堵情況。數字孿生平臺還可以結合可視化管理平臺給出的優化建議，在三維地圖上聚合顯示對道路的安全性進行評價，可統計時間范圍內道路發生的違規掉頭、事故、逆向行車、沖突點、非法占道、違規變道等交通事件數量。

3.4 對接高精度雷達子系統

3.5 對接智能井蓋子系統

智能井蓋管理系統是基于無線物聯網技術，可以在數字孿生平臺中實現城市井蓋和事件管理的信息化、管理。可實現對井蓋資源的全面統籌，對井蓋的狀態精細化管理。井蓋終端定時上傳狀態，結合地圖展示井蓋的位置和狀態。實時監控井蓋，井蓋開啟立即報警通知監控中心，可以在數字孿生平臺中第一時間告警。

3.6 對接環境監測子系統

對接集成各類空氣環境監測系統、噪聲監測等環境監測子系統，基于地理信息系統，對各空氣質量監測點的類型、位置分布、狀態等信息進行實時監測；運用豐富的可視化圖表，對空氣質量指數、空氣質量變化趨勢等要素進行綜合可視化分析，支持目標對象詳細信息查詢，如大氣監測點負責單位、污染物排放等信息，輔助用戶全面掌握空氣環境質量，為用戶進行環境治理提供科學決策依據。

支持集成各類聲音檢測儀以及聲音傳感器數據，基于地理信息系統，對管轄區域內噪聲環境態勢進行實時監測；運用豐富的可視化圖表，對管轄區域內道路交通干線噪聲達標率、功能區噪聲達標率、噪聲變化趨勢等要素進行可視化分析，支持設立噪聲閾值告警觸發規則，對噪聲污染進行可視化告警，輔助管理者提高防治噪聲污染的能力和效率。

4 結語

目前，城市的數字化轉型已經進入了一個快速發展的階段，物聯網、大數據、人工智能以及數字孿生等技術對城市的智慧化建設有著舉足輕重的作用，依托智慧燈桿的多場景的海量物聯網數據來構建服務于智慧城市建設的數字孿生平臺，可以將地圖要素、業務管理、物聯網感知、視頻監控等多類型數據整合到一個三維可視化空間，將各領域、不同維度的數據進行結構化、標準化整合，然后進行高度融合與挖掘分析，并構建智慧管理相關的應用，輔助用戶對各類監測對象做出快速、準確的判斷，為數字孿生空間的建設、管理、服務、監管、決策提供可視化支撐，解決數字孿生建設中跨行業數據的融合和展示問題，即以三維時空呈現為切入點，給用戶帶來多維價值。