入围案例-湖州市智慧城市区域监测平台

湖州市智慧城市区域监测平台

张力 景洁丽 广联达科技股份有限公司

袁兴东 湖州市城市规划设计研究院

       我国自2012年启动智慧城市建设以来，国家各部委组织的智慧城市相关试点有近600个，但总体效果欠佳，建设中“技术主导”明显，忽视了“技术”与“人”的互动、“信息化”与“城市有机整体”的协调。2018年11月，湖州市全面启动了加快数字湖州建设打造现代智慧城市的工作，以五大发展理念为指导，运用新一代云计算、大数据、人工智能等信息技术，进一步促进社会治理现代智能、政府运行开放透明、公共服务均等普惠、生态保护实时全域、产业发展绿色生态，加快建设智慧之城、数字之城、移动之城，打造新时代智慧湖州。

       2020年4月，湖州市人民政府办公室印发的《2020年湖州市加快政府数字化转型打造现代智慧城市工作推进计划》中提出：“全力打造数字驾驶舱：围绕经济、交通、环境、安全等重点领域，强化数据集成、模型设计、应用汇聚，实现对全市经济走势、交通运转、城市部件等各领域在线监管和可视化辅助决策，初步建成“五跨”城市数字大脑”。

       针对城市化进程中出现的环境污染、交通堵塞、能源紧缺等多方面的问题，广联达科技与湖州城规院以城市公用基础设施运营管理业务为核心，围绕路网、管网、水质等领域，充分整合城市水环境、道路、管网等信息资源，建设城市区域监测平台，为城市基础设施提供数字化管理手段，提升城市交通市政智慧监管。

       本项目的建设目标是搭建湖州市智慧城市区域监测平台。首先，搭建基础平台，将GIS地形、倾斜摄影、现状路网资料、现状管网资料、物联网数据等原始数据，通过集成融合形成湖州市城市基础三维模型数据底座，后续通过动态调整、更新、补充数据，不断完善形成与真实城市基础设施相对应的数字孪生城市；其次，拓展业务应用子系统，如城市路网管理、道路管控、管网管理、水质监管等；最后，建立指挥调度平台（电脑端、手机端），用于应急预案、视频监控和音频指挥等。

1.1  基础平台建设

       本平台采用GIS+BIM技术支撑湖州市智慧城市区域监测平台实现三维场景创建、地图数据加工、空间分析、属性查询及数据发布等，业务上实现基于GIS技术的监测环境多样化展示，基于BIM技术的道路管网可视化表达、业务统计分析结果的数字化呈现及物联网设备信息的空间动态体现。

1.1.1        GIS服务模块

（1）建立三维空间数据库

       三维空间数据库是存储模型的数据组织、操作方法以及规则约束条件等内容的数据库，模型是客观对象在地理坐标参数描述的三维空间内的抽象，是可视化表现的基础。本平台采用三维空间索引技术，于Firebird数据库上搭建三维空间数据库，且通过逻辑抽象和程序框架分层，可支持多种数据库，而不与特定数据库软件绑定。

       三维空间数据的检索性能直接决定系统的响应速度。在可视化系统中，一次性同时加载场景中的全部数据往往非常耗时，因此需采用三维空间索引的数组组织和调用方式对空间数据进行统筹调度与显示优化。以模型外包为基准，将整个场景中的模型数据划分成独立的瓦片，再根据其包含关系组织成金字塔索引结构，使不同层次、不同颗粒度的模型随着场景观察视角和观察距离而动态加载，并且可以将不在当前观察区域内以及与当前颗粒度要求不同的模型动态从内存和显存中卸载以提高加载性能。目前现有的关系型和非关系型数据库都不具备三维空间索引，无法直接使用，因此在进行本项目三维空间数据库建设过程中需要分析影像性能的实际问题，研究采用先进的技术手段，合理设计高效的索引机制，从而实现系统性能的大幅度提升。

（2）建立基于REST的三维空间数据服务

       REST又称表现层状态转换，是一种软件架构风格，也是一组原则，其强调HTTP应当以资源为中心，并且规范了URI的风格，规范了HTTP请求动作的使用，具有对应的语义。其特点是前端调用API向后台发起HTTP请求，后台响应请求将处理结果反馈给前端。客户端和服务器之间的交互在请求之间是无状态的，无状态请求可以由任何可用服务器回答，十分适合采用云架构。三维空间数据库的数据服务同时可以被桌面端、Web端、移动端应用程序调用，因此用Restful风格的WEB API实现前后台数据流转较为合理。

       系统应能满足前端快速响应相关的检索查询、漫游浏览等应用，并且三维应用的数据体量大、管理调度复杂的特性，需要使用C++编程语言进行核心构建才能满足性能要求。本系统的三维空间数据服务要提供前后端交互的灵活接口，提高数据易用性，并解决跨域问题，提供清晰简洁的REST安全机制，且做到token的分布式一致性。

1.1.2        BIM服务模块

（1）支持主流BIM格式的数据转换

       平台支持对Revit、OBJ、Sketchup、3DsMax以及IFC等主流BIM三维数据格式解析与转换。可以涵盖市政交通、市政管网、建筑三维数据、建筑BIM数据、三维景观数据、倾斜摄影数据等各方面数据集成，采用Tileset方式进行组织，存入空间数据库。

       基于对各领域BIM三维数据格式支持的全面性，本平台提供以项目为单位进行分布式管理数据的机制，最终将各专业设计成果按照真实的地理位置和相互之前的空间关系进行模型集成与融合展示。采用专业品质的三维渲染技术，支持Direct3D与OpenGL双重显示驱动，性能更加优异，可在主流计算机配置环境中稳定、流畅运行。

（2）基于shader的模型选择和属性查询

       在GIS系统中，同时显示的三维模型数据量非常大，如果采用传统的通过CPU进行几何运算的方式实现模型选择和坐标运算，运行效率很低，难以满足正常的使用需要。在本项目使用了shader技术以提高性能，利用GPU的并行计算能力同时进行数百上千个运算，实时计算出三维模型的选择和坐标运算，进而调用Web API查询模型属性，保证了在大尺度场景下海量三维模型的快速加载与实时响应。

1.2  数据集成管理系统

       湖州市智慧城市区域监测平台的建设，涉及数据广泛，类型多样，通过集成各类现状数据，实现整体系统建设的前期需求。

      平台管理的数据主要有：倾斜摄影、DEM、DOM、市政交通、市政管网、城市部件设施、建筑、景观等三维及BIM数据、物联网监测数据、业务数据等；

       不同数据运用不同方式进行集成管理与展示，GIS+BIM方面数据通过数据转换在平台中进行集成，业务数据通过数据库挂接方式进行集成，物联网数据通过数据接口方式进行集成，统一在湖州市智慧城市区域监测平台中进行各类数据的可视化呈现。

1.3  业务应用系统

1.3.1        城市路网管理系统

1.3.1.1          桥梁信息管理

       桥梁信息管理对湖州市桥梁的名称、建设时间、桥型、桥梁占地面积、桥梁长度等信息进行管理，同时可实现桥梁模型与桥梁信息之间的双向查询，并可对桥梁信息进行查询统计。

图 1 桥梁信息管理

1.3.1.2         大桥实时监测

       通过对接物联网数据实现对桥梁运行状态的健康与安全监测，包括温度、风力、桥梁索力、桥梁固有频率、振动大小等信息，同时对临界风险值的信息进行重点提示，做到提前预防。

图 2 大桥监测

1.3.1.3          道路信息管理

       对湖州市道路信息进行管理，包括道路名称、道路等级、道路宽度、道路长度、拥堵指数、拥堵程度等信息进行管理，并可对路网情况进行查询统计与分析。

图 3 道路信息管理

1.3.1.4          路面积水点监控

   通过物联网采集降雨监测数据，包括积水点液位、风速、温度等信息，同时可对临界风险值的积水点进行重点标注，方便城市维护人员快速定位并进行积水处理，减轻强降雨造成的洪涝灾害对于城市及人员安全带来的影响。

图 4 积水点监控

1.3.2        管网管理系统

1.3.2.1         管线查询

      管线查询可通过管材、管径、权属单位、所属道路、附属物等进行查询，也可以组合进行查询，快速定位管线并获得所需信息。

图 5 管线查询

1.3.2.2         管线统计

       管线统计包括按照管线类别统计、管材统计、管径统计、权属单位统计、附属物统计等，也可以组合进行统计，最后可以生成统计图表，从而全面掌握地下管线按照不同管理视角和维度下的管线分布情况，为管网系统提级改造提供决策依据。

图 6 管线统计

1.3.2.3         管线分析

（1）    开挖分析

       根据拟建工程建设项目所在部位，设置开挖深度、宽度，并绘制开挖长度，查看开挖范围内管线的分布情况，辅助确定开挖方案，以指导施工，避免因地下管线的信息不全、定位不准等原因造成的施工过程中的事故隐患。

图 7 开挖分析

（2）    爆管分析

       爆管分析是针对压力管线、应对爆管事件需要的关阀处置分析功能。根据爆管位置通过系统已经建立的管道连通情况追查需要关闭的阀门情况。分析结果包括上游所有相关阀门，以及事故点到阀门的连接管段。当发生压力管道爆管事故时，可以为维保养护单位快速定位阀门位置并进行关阀处理，减小进一步的危害，为抢修创造条件。

（3）    净距分析

       平台依据空间计算能力，计算不同管线之间的水平净距和垂直净距，并内置管线净距规范要求，对不符合规范的管线进行重点标注，方便排查管线布置是否满足规范要求。

（4）    横断面分析

       平台根据用户自定义的任意横剖线，分析横剖线所切割区域的横断面情况：采用标准色的管线截面图显示不同类别管线，并标注地面高程、管线高程、间距、规格和埋深指标信息。

（5）    纵断面分析

       系统对指定管线输出纵向断面图，并标注地面高程、管线高程、间距、规格和埋深指标信息。

1.3.2.4          管线测量

       管线测量基于平台空间运算能力，提供了直线、水平、垂直距离、角度、分量、面积等测量及坐标标注功能，辅助用户对管线空间位置和排布情况进行检查。

图 8 管线测量

1.3.3        水质监管系统

      系统通过物联网采集水质监测数据，在三维地图上进行水质监测数据显示，包括SS值、COD值、液位、流速等，同时对水质监测有问题的点进行重点标注，方便进行水质问题快速定位与整改治理。

图 9 水质监管

1.4  指挥调度平台

       利用3DGIS空间分析优势，实现对基础设施综合查询，同时依据业务管理需求，对其进行统计分析，辅助管理者进行决策。同时对接视频监控设备和城市运行物联网感知设备，对城市运行状态中存在问题的位置进行预警，调用应急预案，快速通过音频进行应急指挥，缩短响应时间，提升城市治理水平。

图 10 统计分析

（1）建立了地上地下、室内室外、动静结合的数据集成融合体系

       本项目可将来源于不同软件、不同格式的路网、管网、建筑以及倾斜摄影、地形等现状采集数据等进行数据融合，形成地上、地面、地下三位一体的与城市物理世界相对应的真实城市合模数据场景；同时提供了透视、漫游等手段，可以进行室内外数据查看；最后对接物联网感知设备所获得的动态运行数据，实现静态与动态数据相结合。通过三种手段，将数据进行深度融合，统一集成在三维GIS平台上，形成数据集成融合体系。

（2）研发了平面坐标与地理坐标逐点坐标转换机制

       所有建模软件产生的设计模型和现状模型均采用平面直角坐标系，而实际工程项目位于地球椭球体上，建筑工程因空间尺度小产生的误差较小，但是市政工程以线状为主，由此产生的误差会随着长度增加变大。本项目中对于路网、管网等市政模型进行了自动的逐顶点变换，与地球三维椭球体精确贴合，保证各专业模型的组装关系正确，最终实现模型任意一点标高和坐标与真实值一致，以支持模型与地形之间以及模型相互之间关系的的准确的自动计算和审查。

（3）研究形成了数据分类存储体系

       本项目对监测所需要的现状、设计、运行数据制定了分类存储体系，包括道路、管线、建筑、水系等，也支持用户自定义分类管理体系，提升平台显示效率，同时方便业务管理进行数据调用和分析。

（4）研究大数据模型承载技术，提升模型浏览效果

       通过瓦片式动态加载技术、模型精细度分级技术等对模型进行分距离、分级展示，提高了平台承载能力，并提升模型浏览效果。

       瓦片式动态加载技术，将屏幕上看不到的模型或者距离很远的模型动态从内存中卸除，当靠近或者视角转换时，再进行加载，保证了服务器和平台的高可用性，从而实现大区域海量BIM模型的高效率管理与展示。

       然而即使使用了瓦片式动态加载技术，当数据量非常巨大时，系统效率仍然比较低，因此还需要采用模型精细度分级技术。在模型入库时，通过系统提供的分级处理工具，对模型进行精细度轻量化分级，不同精细度级别的模型对应不同的视距，距离远的模型显示效果相对比较简单，最简单的只有外形。视距很紧的模型则为模型最高精细度分级，根据项目投入和工作的需求，甚至可以做到每一个螺栓都保留完整的几何和非几何信息。这样再进行缩放、移动、旋转时，达到平台能够及时响应的技术要求。

       本项目以BIM、3DGIS、IOT等新一代信息技术为手段，集成了现状、设计的地形、路网、管网、水系、建筑、景观等数据，搭建了湖州市城市三维数字化、信息化的城市场景，并对接了物联网动态感知数据，构建了动静结合的城市运行监测平台，同时结合视频监控等真实场景，实现了虚实结合的指挥调度平台，为城市监管、指挥调度及辅助决策提供了工具手段和数据支撑，提升了湖州市城市管理效能。

（1）搭建了湖州市城市三维场景，实现了地上地下、室内室外一体化管理，大至城市总体规划、小至城市部品部件进行了分层分级管理，便于对城市基础设施资产进行统计分析。

（2）构建了动静结合的城市运行监测平台，实现了对城市基础设施运行状态的实时监测，同时可对运行状态有问题的地方进行预警，并定位至对应位置，便于进行维修和整改。

（3）结合城市预警信息，通过视频监控等实现虚实结合的指挥调度平台，提升了城市治理快速响应能力。

       本项目遵照湖州市关于《2020年湖州市加快政府数字化转型打造现代智慧城市工作推进计划》的要求，围绕路网、管网、水资源重点领域，研究了现状数据、设计数据、监测数据为一体的数据集成技术及体系，并对模型入库集成及数据接口等进行了标准化处理，展开了对路网、管网、水质等统计、分析、监测管理，实现了基础设施领域的在线监管和可视化辅助决策，初步建设了湖州市基础设施数字大脑，为城市规划、建设、安全、城管等各管理单位和部门的管理和决策提供了同源数据基础，一定程度上消除了湖州城市建设与提级改造及运行管理过程中条块分割及技术壁垒造成的数据孤岛。为加快数字湖州建设进行了探索，对建设数字之城，打造新时代智慧湖州起到了良好的促进作用。