歷史文化保護區智能監測與管理系統設計與實現

梁 冰，周新宇，鐘 鈁，賈慧娟，薛 箏

（1.北京市西城區規劃管理信息中心，北京 100044；2.北京小月河科技園有限責任公司，北京 100191）

0 引 言

以歷史文化保護區精細化監測和智能管理為核心目標，以白塔寺街區為應用示范對象，本文圍繞文保區和舊城現實問題，采用物聯網、大數據等技術研究建設西城區歷史文化街區多層次動態監測體系及可視化運行監測與應用系統，實現歷史文化保護區運行監測管理精細化和智能化，促進歷史文化名城保護、規劃與日常管理，探索解決舊城更新問題、歷史文化名城保護與日常管理的新思路和新方法，為其他同類項目建設提供參考，形成示范帶動效應[1]。

1 系統設計

1.1 物聯網監測體系設計

物聯網監測體系由前端數據采集設備、數據初步處理系統、后端數據庫及數據傳輸網絡組成，其中數據傳輸通過手機無線通信進行[2]。物聯網監測體系架構如圖1所示。

前端設備采用成熟的物聯網傳感器技術及傳輸技術，對白塔寺街區的人流、車流、環境等進行監測。

（1）人流監測

在白塔寺街區外圍主要出入口、街區內主要道路交叉口布設傳感器，方便對人流進行監測。將得到的精細化人口動態數據用于對街區人口分布及流動的分析、街區各類公共空間的使用現狀分析以及街區各類公共空間的使用現狀分析。

（2）車流監測

在白塔寺街區外圍主要出入口、街區內主要道路交叉口布設傳感器，對車流進行監測。將得到的精細化車流量動態數據用于對街區停車需求的分析。

圖1 物聯網監測體系

（3）環境監測

在白塔寺街區內選取50～100 m為間距的網格，布設環境監測傳感器，對顆粒物濃度、溫濕度、噪音等環境質量進行監測。將得到的精細化環境質量指標動態數據用于對街區內低端產業的識別、對街區內揚塵頻發區的識別及特定化學物質濃度較高區域的識別，并據此進行相關分析[3]。

1.2 監測與管理系統總體設計

系統總體技術方案采用B/S架構，如圖2所示。

圖2 技術架構圖

本文系統技術架構圖的組成要素如下：

（1）物聯網監測層：包括人流監測、車流監測、環境質量監測的各類傳感器設備及數據采集與傳輸，集成數據的收集與傳輸[4]。

（2）數據資源層：融合各類物聯網監測數據與項目示范區域相關基礎數據，為數據分析提供基礎服務，并為各專項應用系統提供共性數據服務支撐。

（3）分析層：基于物聯網數據庫和文保時空數據庫，提供數學分析與挖掘能力。例如，通過復合分析人口、交通、環境和空間的關系，各要素間的相互作用機制，為各類規劃決策提供支持，在歷史文化街區保護與本地居民的舒適生活間尋找最優解決方案。

（4）運行監測與管理層：通過全面掌握各類數據資源和數據分析結果，基于可視化手段對示范區域各項指標進行監測與管理、對重點專題或指標進行預測和預警。

（5）應用層：面向各業務部門，提供監測與數據分析結果的可視化展現等應用。

1.3 物聯網數據庫設計

數據來源于物聯網設備獲取的信息。數據內容包括環境質量指標數據、人流量數據、車流量數據，其屬性分別見表1～表3所列。

表1 環境質量屬性

表2 人流量屬性

表3 車流量屬性

1.4 具體功能設計

1.4.1 基礎信息管理

基礎信息管理模塊即系統主界面，利用可視化手段展示時空人口數據圖層、時空法人數據圖層、時空基礎數據圖層、文保專題數據圖層、專項大數據資源圖層等。左側為可折疊菜單欄，中間為地圖窗口，右側為圖表窗口?？赏ㄟ^點擊地圖窗口右側的圖層按鈕查看人口數據、法人數據、房屋數據、名木古樹數據等[5]?；A信息模塊主界面如圖3所示。

圖3 基礎信息模塊主界面

1.4.2 人流量監測可視化

本模塊可以通過點擊地圖窗口的監測設備顯示動態人流熱力圖：將示范區域步行道路監控點位人流量數據以道路交叉口為基礎進行可視化展示，表明各路口不同時段的雙向通行人員計數；將監控點位人流量數據以道路為基礎進行熱力圖可視化展示，表明各路段不同時間的雙向通行人員計數。在右側圖標中展示人流量監測的實時數據曲線，在地圖彈出框中查看該位置設備的名稱、序列號、工作狀態、布設時間等信息。人流量監測模塊主界面如圖4所示。

圖4 人流量監測模塊主界面

1.4.3 車流量監測可視化

本模塊可以通過點擊地圖窗口的監測設備，在右側圖標中展示車流量監測的實時數據曲線。將示范區步行道路監控點位車流量數據以道路交叉口為基礎進行可視化展示，表明各路口不同時段的雙向通行車輛計數；將監控點位車流量數據以道路為基礎進行熱力圖可視化展示，表明各路段不同時間的雙向通行車輛計數，在地圖彈出框中查看該位置設備的名稱、序列號、工作狀態、布設時間等信息。車流量監測模塊主界面如圖5所示。

圖5 車流量監測模塊主界面

1.4.4 環境質量監測可視化

本模塊可以通過點擊地圖窗口的監測設備，在右側圖標中展示各項環境質量監測的實時數據曲線。將示范區監測的各項環境指標以監控點位為基礎，進行熱力圖可視化展示，表明各環境指標的時空變化特征。在地圖彈出框中查看該位置設備的名稱、序列號、工作狀態、布設時間等信息。向下拖動進度條，可以查看幾項主要數據的最新值以及最近一次的采集時間。環境質量監測模塊主界面如圖6所示。

圖6 環境質量監測模塊主界面

2 關鍵技術及系統實現

2.1 關鍵技術

2.1.1 高集成度多參數多源傳感器數據采集技術

本文研究了多參數物聯網監測數據的采集方式、供電方式、數據傳輸方式等。研究物理量、化學量以及噪音的分體式采集、時分同步采集等技術，研制了高集成度多參數多源傳感器，能夠采集18項參數：人流量、機動車流量、環境質量（溫度，濕度，風速，風向，光照度，噪聲，氣壓，紫外線強度，PM2.5，PM10，CO2，SO2，NO2，CO，O3，VOC）。該傳感器是目前采集參數最多、功能最全的小體量級城市環境監測設備，可廣泛應用于任何需要進行大氣環境、人車流量監測的場所[6]。

在多參數數據采集方面，針對大氣環境質量中的化學量監測彼此間擾動大，在單臺設備上同時實現4項以上化學量準確測量的設備較少。通過在設備內部空間增加隔離設計，并經過反復測試迭代，實現了6項化學量的同步精確測量（O3，CO，SO2，NO2，CO2，VOC）。通過研究將噪音與其他傳感器進行時域分離采集，消除其他傳感器在采集數據過程中產生的噪音，還原設備現場真實的噪音數據。

2.1.2 基于LBS數據與監測數據融合的人口分析技術

針對手機信令數據受區域手機基站密度所限，數據空間精度相對較低，適合較大區域間的人口流動分析。LBS數據空間精度較高，但無法體現各網格間的人口流動情況。通過研究基于互聯網的LBS數據與物聯網監測數據融合的實時人口分析技術，將區域各地塊的LBS人口數據與物聯網傳感器采集的人流量數據相結合，對區域各地塊的實時人口數進行分析，建立LBS數據與監測數據融合的人口分析模型，實現城市小尺度空間的實時人口數量計算。

2.1.3 基于動態監測數據與空間數據的區域運行態勢分析技術

通過建立區域運行指標數據模型、區域運行預測預警模型、區域運行綜合態勢模型，將空間數據信息和動態監測數據進行融合關聯，并集成區域運行的各類指標、閾值數據，進行歷史文化保護區環境及人車流量及相關事件信息的預警預測，支撐歷史文化區的運行管理。

2.2 系統實現

本文系統采用B/S軟件結構體系，前臺運用HTML5技術，數據庫使用MySQL將物聯網數據進行存儲，后臺使用Java技術實現前臺與后臺的高速交互。運用移動無線通信將傳輸的數據存儲到數據庫中，之后通過Java將后臺數據調用至前臺，然后進行展示、分析。地圖數據通過地圖服務器發布空間數據，實現地圖的調用顯示等功能。

3 結 語

通過應用研究成果，在白塔寺街區安裝了全要素城市傳感器，建設了物聯網監測管理系統、歷史文化街區運行分析支撐平臺及可視化運行監測與應用系統等，可定量化分析該區域內的人、車和環境狀況，輔助相關部門在該區域內運行管理和規劃決策，如人口疏解、公共服務設施配置等。項目研究成果在歷史文化保護區的運行管理和規劃決策方面具有示范效應與較好的推廣應用前景。