基于時空大數據的綜合感知平臺建設

趙偉偉 黃國平

（1.南京市城市規劃編制研究中心，江蘇 南京 210029；2.武大吉奧信息技術有限公司，湖北 武漢 430223）

0.引言

智慧城市是城市信息化發展的目標和愿景，在發展的過程中也必然歷經從單一到綜合、從局部到整體、從初級到高級的發展階段。特別是在數字城市、智慧城市階段，都需要時空大數據與云平臺等的支撐[1-3]。

時空大數據即時空信息基礎設施，是城市信息化不可或缺的、基礎性的、根本性的信息資源。搭建基于時空大數據的綜合感知平臺，接入物聯網和傳感網，得到城市實時狀態信息，同時以基于法律規定的、各行業一致的時空基準為基礎，整合囊括人口信息、經濟數據、社會數據、文化信息等信息資源，是實現城市信息化的途徑和必然要求[4-6]。

本文將以綜合感知平臺建設為核心，重點介紹基于時空大數據進行綜合感知平臺建設的技術設計、建設內容和應用成效，為今后的綜合感知平臺建設工作提供一條有效的技術路線。

1.現狀及發展趨勢

隨著現代經濟社會環境的逐步改善，城市現代化水平越來越高，2010年，IBM提出了“智慧的城市”這個概念，以全域整體感知，相互連通為設計愿景，以期更好地適應社會和經濟在新時期的發展，針對城市資源的緊張和高質量生活需求之間的矛盾，治療“城市病”。

近年來，我國不斷發布了各類政策，著力促進物聯網行業發展，不少地方政府也陸續公布了與物聯網相關的專項規劃、實施規劃方案，發表了針對性的發展意見，從地方土地規劃使用、產業基礎設施建設配套、地方稅收優惠、核心技術開發和行業應用領域等多個方面，在政策上為整個物聯網行業的發展提供了支持。

目前，我國物聯網行業的整體產值已達到了萬億元的級別。行業規模在實現了超預期增長的同時，相關的網絡建設和行業應用推廣的成效也非常突出。中國也陸續推出了新基建、網絡強國等國家相關戰略，不斷推動新的網絡技術（如，5G、NB-IoT、IPv6等）在實際生產中的應用，消費和產業方面的物聯網逐步實現了規?；瘧?，在5G領域、車聯網領域等也逐步取得了突破性發展。

物聯網技術豐富了城市治理的手段，在智慧城市應用領域（如，水質監測、空氣質量監測、智慧路燈等）得到了非常廣泛地應用，提升了人民居住環境。但目前業務應用存在的煙囪建設模式，使不同系統使用的感知數據難以共享利用，導致物聯網數據利用率較低，重復建設增加了利用成本。

建設綜合感知平臺，是為強化城市精細化管理，形成穩定的建設模式，利用越來越強大的平臺功能，以接入更多的物聯網設施，承載更多的物聯應用，持續升級智慧城市的管理水平。綜合感知平臺需要滿足用戶對物聯網相關應用進行統一規劃、統籌建設、統一監管的需求，維持平穩的系統運行狀態，為用戶提供良好的使用體驗。

綜合感知平臺的建設主要包括以下3個目標：

（1）提供對所有物聯網設備統一的接入，實現對設備數據統一的采集、展示和共享利用；

（2）為大數據平臺及各應用系統提供支撐，為各類應用提供統一的物聯感知數據相關服務；

（3）獲取物聯設施實時狀態，為領導和管理者展示城市環境的情況，便于領導和管理者更了解真實情況，對城市管理、應急處置等做出處置決策。

2.綜合感知平臺建設內容

基于新一代信息技術云計算、移動互聯網、時空大數據、地理信息集成等，進行綜合感知平臺建設，充分接入物聯網數據，獲取城市實時狀態信息，通過整合人口、經濟、社會、文化等信息，完整、深入地呈現社會、經濟和環境運行狀態，為領導及管理人員提供城市宏觀運行狀況。結合對城市發展問題的綜合分析，將感知數據和分析結果進行可視化展示，為城市管理的精準施政提供決策支持，為打造“智慧城市大腦”提供堅實的基礎。

2.1 感知數據匯聚

綜合感知平臺通過多種方式匯聚感知數據，包括感知設備適配和數據傳輸網絡適配。

感知設備適配方式提供不同行業多種類傳感器（包括溫度、濕度、有害氣體、位移、傾角、地磁等設備）的接入支持。平臺軟件能夠支持各類數據協議的解碼，提供不同設備數據協議的解析處理支持。感知平臺具備海量設備的高并發接入，通過定義標準化的接口，利用不同的處理程序，從而實現平臺能力的擴展。

數據傳輸網絡適配能夠兼容各種網絡環境，支持多種網絡形式（包括有線、3G、4G、5G、NB-IoT、eMTC等）的接入，提供主流的物聯網傳輸協議的適配能力，同時提供異構設備的扁平化接入支持。數據傳輸網絡適配提供對軟網關的支持，從而適配數據傳輸網絡和傳輸協議。

在具備網絡的條件下，提供在線數據接入能力，具備數據接口對接的功能支持。通過時空大數據融合系統對接業務系統的數據接口，對數據進行靈活的接入、清洗、轉換及加載，實現跨業務系統、跨異構數據源的數據轉換及匯聚。

2.2 數據整合

基于業務流引擎對多源異構的時空信息進行匯聚、整合、一體化處理，根據數據融合業務流程，按照邏輯和規則構建業務流引擎，實現物聯感知數據與基礎地理信息數據、各行業專題數據、互聯網數據持續的實時、高效數據抽取、匯聚、整合等工作，實現多源信息融合，提升數據的價值，更充分發揮數據效用。

根據時空大數據的要求，對于匯聚過來的各類地理信息數據統一數據格式。在數據轉換的過程中，為了控制目標數據的內容，如，指定目標數據地物類名、增加或刪除屬性字段、數據合并、數據分解等。采用這種方法進行雙向的轉換，一方面，在轉換的過程中損失的信息量較??；另一方面，在數據轉換的同時也可以進行數據操作，從而進行復雜語義的轉換。

根據已有的各類空間數據，以時間為軸形成歷史數據和現狀數據。利用地址匹配引擎，將地名、地址等非空間數據在線賦予空間屬性，滿足眾多政府部門業務數據的空間化需求。數據的空間化通常分為3種情況：

（1）具有空間位置坐標的數據，可通過坐標匹配定位進行數據空間化；

（2）蘊含地名、地址信息的數據，可根據識別出的地名、地址信息，將地名標識信息融入切分序列和邏輯組合關系中，采用局部模糊匹配后消除歧義的方法，以多種匹配方法（如，分詞匹配、本體和詞語相似性）實現地名、地址匹配，匹配后即可空間化；

（3）僅蘊含地名基因信息內容的數據，先要結合漢語中分詞以及數據比對的技術，利用基于語義、地理本體統一的認知，快速進行地名特征的提取，然后通過地名、地址的匹配實現定位。

2.3 感知數據分析

以時空大數據為基礎，結合綜合感知平臺匯聚的城市實時運行數據，對城市運行體征進行綜合分析，包括人口分析、科技創新、社會民生、政務服務、城市建設、社會治理、生態環保等方面的分析，實施更有針對性的管理服務。

利用綜合感知平臺匯聚的綜合感知信息，建立多尺度綜合感知指標，基于場景感知設備與在線監測技術，提供城市多尺度綜合感知服務，可實現城市趨勢分析、城市運行狀態監測和個體行為跟蹤等城市數據綜合分析。

充分利用綜合感知平臺采集到的實時信息，精確地獲得城市的動態數據，能夠有效提升社會綜治效果，提高城市監管能力。利用數據挖掘技術，集成多源空間感知數據，深入揭示城市社會經濟現象的分布、聯系和過程等規律，實現城市的動態感知。通過獲取不同維度、不同分辨率的物聯網實時數據，實現對城市動態的綜合分析，能夠有效提升時空大數據在城市治理中的應用深度，為切實解決城市問題提供了新的思路。

2.4 數據可視化展現

綜合感知平臺提供數據可視化展現，能夠將實時感知數據及數據綜合分析結果進行可視化展現，建立能夠反映全領域內經濟與社會發展情況的相關指標體系，更全面地展現出整個城市運行的態勢，充分感知城市的發展趨勢和運行風險，為城市領導及管理者制定處置方法和政策提供支撐。

數據可視化可以根據用戶需求選擇數據角度或者屬性信息，也可以根據目的和用戶類型來選用恰當的展現方式。所以，當數據經過可視化技術處理后，能以多種不同的視覺形式來表現數據內容，使用戶加深對數據含義的理解。在感知數據的可視化中，能夠以時空大數據為基礎，快速地在對象所涉及的不同類別的空間數據（包括二維數據、三維場景數據等）之中顯示城市運行的真實狀態，便于相關領導及管理者制定相關的決策。

3.關鍵技術設計

關鍵技術包括唯一編碼的時空對象模型技術、基于業務流引擎的信息融合技術以及基于城市空間模型二、三維一體化的數字孿生映射技術等。唯一編碼的時空對象模型技術具備唯一編碼，是數據進行融合、掛接的核心；基于城市空間模型二、三維一體化的數字孿生映射技術則是自動生產三維建筑簡單模型的高效方法。

3.1 采用唯一編碼的時空對象模型技術

采用具有唯一編碼的地理實體數據，對地理實體數據逐要素注入“三域”標識?；跁r空數據模型實現數據的重組，根據要素標識信息構建各地理實體的時空對象，每個時空對象都具有唯一標識，通過唯一編碼進行掛接、融合匹配，實現與人口、經濟、法人、建筑物等基礎數據的關聯和融合，能夠有效促進地理信息在各部門之間的交換、共享和利用，輔助應用部門管理與決策，也方便了公眾查詢，拓展了平臺應用的廣度和深度，為社會精細化、網格化治理和新型智慧城市建設奠定了堅實的基礎。

3.2 基于業務流引擎的信息融合技術

根據數據融合業務流程建立業務流引擎，基于業務流引擎對多源異構時空信息進行匯聚整合一體化處理，實現了基礎地理信息數據與各行業專題數據、物聯網數據、互聯網數據持續的、實時、高效的數據抽取、匯聚、整合及空間化落圖等序列工作，為綜合感知平臺提供了技術支撐。

3.3 流式三維云端渲染技術

應用流式三維云端渲染技術，能夠將數據渲染從客戶端放到云服務端，客戶端與服務器之間采用流媒體方式，將渲染的三維畫面實時編碼壓縮成視頻流傳輸到客戶端顯示，同時將響應返回客戶端。整個流程采用高效率服務視頻壓縮編碼，避免海量數據傳輸造成網絡擁堵而導致渲染模型卡頓、數據響應不及時問題，大幅提高海量規模數據的Web展示能力。

3.4 基于城市空間模型二、三維一體化的數字孿生映射技術

綜合感知平臺基于二維地圖與城市三維地理信息模型，能夠實現二、三維數據一體化、顯示一體化、分析一體化、服務一體化的應用效果。同時，利用物理的模型、傳感器等數據，在虛擬空間中實現真實世界的映射，建成可進行編輯操作的鏡像，實現物理空間與虛擬數字空間交互映射、融合共生。另外，結合強大的物聯網數據獲取、大數據處理分析等能力，對所獲取的設備進行當前狀態評估、歷史狀況診斷、未來走勢預測，并給出分析結論，為新智慧城市監管提供全面支持。

4.應用成效

建設物聯網綜合感知平臺，統一接入并管理相關的物聯網感知設備，通過感知設備實現對不同監測對象的數據采集，并保持感知數據采集、分享、利用的高效和穩定，實現物聯網感知數據的匯聚、管理。同時，物聯網綜合感知平臺可以將物聯感知數據共享給時空大數據與云平臺，便于各部門的應用系統進行調用，更方便地滿足各單位管理和數據分析的需要，提升智慧城市精細治理能力。

接入各類具備開放和共享條件的智慧城市物聯網監測數據，為傳感信息深度的共享提供支撐。整合數據成果，集成基礎地理信息、行業專題信息和智能感知實時信息等數據，形成統一的、權威的時空大數據與云平臺，為城市領導及各管理部門、企業、人民大眾提供相關的時空信息資源服務，為基于時空的數據分析、數據挖掘和數據應用奠定了基礎，建立能夠反映全領域內經濟與社會發展情況的相關指標體系，更清晰地展示整個城市運行的態勢，充分感知城市的發展趨勢和運行風險，為城市領導及管理者制定處置方法和政策提供支撐。

5.總結與展望

本文提出的綜合感知平臺建設充分接入已有物聯網設備，獲取并匯集感知數據，利用時空大數據融合形成數據基礎，進行數據綜合分析，并將分析結果進行可視化展現，為領導提供決策支持。

隨著大數據時代的到來，全面利用物聯網技術系統收集和分析實時感知數據和信息，結合城市實際建設需求和發展策略，充分利用新技術，調動各方資源進行智慧城市建設，提升城市發展速度，從而高效地實現城市監管的目標，為城市健康發展奠定基礎。

本文提出的綜合感知平臺建設方法能夠有力支撐城市物聯感知平臺的建設。未來，我們將以時空大數據與云平臺為研究的載體和基礎，面向物聯設備全天候監控、全生命周期管理的實際需求，繼續探索物聯感知數據的采集、存儲、管理與應用。