電科院 田智鵬

智能時(shí)代，對(duì)城市地下空間中的自然和人工設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、智能化后構(gòu)建的信息系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)城市高效、智能治理的重要措施?；诔鞘猩w理論構(gòu)建的城市地下空間信息系統(tǒng)是智能城市治理的有力基礎(chǔ)，信息系統(tǒng)的構(gòu)建內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)、傳感器、數(shù)據(jù)等，構(gòu)建步驟包括硬件支撐、數(shù)據(jù)融合、模型支撐、功能設(shè)計(jì)等。地下空間虛實(shí)融合仿真與推演和人類異常行為識(shí)別是兩個(gè)典型的應(yīng)用。

1 智能城市地下空間

隨著城市的發(fā)展，城市中可用的空間資源日益緊縮，尤其在城市生態(tài)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)日漸提高的態(tài)勢(shì)下，開發(fā)使用城市地下公共空間逐漸成為緩解城市地面空間擁堵、環(huán)境惡化、增加城市社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。

地下空間（US，Underground Space）是指在地球表面以下的土層或巖層中天然形成或經(jīng)人工開發(fā)而成的空間，主要包括天然存在的洞穴和巖石孔隙空間的自然空間和包括商業(yè)、戰(zhàn)備等人類活動(dòng)產(chǎn)生的人為地下空間。城市地下空間（UUS，Urban Underground Space）是指城市范圍內(nèi)地下巖層或土層中天然形成或經(jīng)人工開發(fā)形成的地下空間[1,2]。

城市地下空間的開發(fā)利用能力是城市治理能力現(xiàn)代化程度的一個(gè)重要衡量，因?yàn)樵诘叵驴臻g開發(fā)利用過程中，人為力起主導(dǎo)作用，人類通過構(gòu)建各類設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)利用的目的。

城市地下空間中的城市地下空間設(shè)施（UUF，Urban Underground Facilities）則指：在城市地下空間中，為滿足城市中各類生產(chǎn)生活、外出通行、環(huán)境保護(hù)、能量能源、安全防護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)等需求而建設(shè)的人造之物。

城市地下空間開發(fā)利用涉及研究策劃、規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造、使用、維護(hù)和管理的各類活動(dòng)與過程，構(gòu)建信息系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這些過程的重要手段，尤其在智能城市中更加深入和普遍[3]。

2015年12月中央城市工作會(huì)議上指出，智慧地下城市的建設(shè)，要求以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以云計(jì)算技術(shù)為核心，以SOA（面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)）技術(shù)為重點(diǎn)，將不同功能單元通過定義好的接口和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)，使不同用途的地下建筑在異構(gòu)系統(tǒng)中的服務(wù)以統(tǒng)一的方式進(jìn)行交互，達(dá)到同一系統(tǒng)以及多個(gè)不同子系統(tǒng)的更高層次的集成管理的目的。

西方發(fā)達(dá)國(guó)家在管理上發(fā)展起步較早，基本形成了從中央到地方、從專業(yè)管理到綜合管理的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的綜合安全管理體制。其中，日本政府的地下空間管理體制和法律體系具有代表性，日本在2001年頒布了《大深度地下公共使用特別措施法》，形成了中央政府由國(guó)土資源廳牽頭，地方政府由大深度使用協(xié)議會(huì)、綜合利用基本規(guī)劃策定委員會(huì)組成的，協(xié)調(diào)統(tǒng)一的地下空間管理體系。

總體來(lái)講，信息時(shí)代帶來(lái)了人類信息化地下空間設(shè)施的進(jìn)程，各類地下空間信息系統(tǒng)的構(gòu)建開始起步，尤其在大數(shù)據(jù)時(shí)代開啟了以數(shù)字化、智能化為核心的智能城市建設(shè)的新階段的背景下，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等相關(guān)技術(shù)手段對(duì)智能城市中海量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的采集、分析和利用，為構(gòu)建及時(shí)、科學(xué)、有效的智能城市體系提供了科學(xué)化、精準(zhǔn)化和智能化的基礎(chǔ)。

2 智能城市地下空間信息系統(tǒng)

智能城市的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是數(shù)字化，在城市中各類要素?cái)?shù)字化的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、感知網(wǎng)、云計(jì)算等集感知、獲取、傳輸、處理于一體的信息系統(tǒng)得以形成，然后才可以實(shí)現(xiàn)智能化的城市狀態(tài)。智能城市地下空間信息系統(tǒng)的構(gòu)建與智能城市中其他信息系統(tǒng)一樣，也需要實(shí)現(xiàn)從標(biāo)準(zhǔn)的梳理、傳感器數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和專用平臺(tái)的應(yīng)用等全過程。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是城市地下空間信息化的重要基礎(chǔ)工作，需要確定數(shù)據(jù)的名稱、代碼、分類編碼、數(shù)據(jù)類型、精度、單位、格式、元數(shù)據(jù)等內(nèi)容。地下空間信息標(biāo)準(zhǔn)化代碼應(yīng)與其一致，通過將具有共同屬性特征的地下設(shè)施歸并到一起，并用數(shù)字碼、字符碼或者數(shù)字字符碼混編形成的唯一標(biāo)識(shí)。

國(guó)際工程地質(zhì)學(xué)會(huì)、巖土工程與土力學(xué)學(xué)會(huì)、巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)等共同成立的聯(lián)合專業(yè)委員會(huì)（JTC2，Joint Technical Committee 2)提出了地球技術(shù)標(biāo)記語(yǔ)言(GeotechML，eotechnical Markup Language)，專門致力于巖土工程數(shù)據(jù)的數(shù)字化研究，給城市工程數(shù)據(jù)的電子化表達(dá)和標(biāo)準(zhǔn)化制定了數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

1992年，英國(guó)巖土及環(huán)境土工工程師協(xié)會(huì)(AGS，Association of Geotechnical and Geoenvironmental Specialists)提出一種電子數(shù)據(jù)傳輸文件標(biāo)準(zhǔn)AGS Format，涵蓋了鉆孔數(shù)據(jù)、地層數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)、水文數(shù)據(jù)、巖土室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，被世界多國(guó)廣泛采用。

1997年，美國(guó)聯(lián)邦地理數(shù)據(jù)委員會(huì)(FGDC)于發(fā)布地質(zhì)地圖制圖標(biāo)準(zhǔn)(Digital Cartographic Standard for Geologic Map Symbolization)，該標(biāo)準(zhǔn)致力于規(guī)范地質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)的底層數(shù)據(jù)內(nèi)容與圖像表達(dá)。

2001年，F(xiàn)GDC發(fā)布地質(zhì)數(shù)據(jù)模型(Geologic Data Model)，該標(biāo)準(zhǔn)描述了地質(zhì)地圖信息的數(shù)據(jù)格式，并提供數(shù)據(jù)可拓展性。

在地下空間人造物標(biāo)準(zhǔn)化方面，我國(guó)也開啟了相關(guān)工作。

建設(shè)部（現(xiàn)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部）2011年發(fā)布《城市地下空間開發(fā)利用管理規(guī)定》（住建部令〔2011〕9號(hào)），2016年發(fā)布《城市地下空間開發(fā)利用“十三五”規(guī)劃》。

國(guó)家質(zhì)檢總局以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)在2012年6月共同發(fā)布了《城市地下空間設(shè)施分類與代碼》(GB/T28590—2012)，該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為地下空間信息標(biāo)準(zhǔn)化代碼應(yīng)與其一致，通過將具有共同屬性特征的地下設(shè)施歸并到一起，并用數(shù)字碼、字符碼或者數(shù)字字符碼混編形成的唯一標(biāo)識(shí)。該標(biāo)準(zhǔn)為城市地下空間設(shè)施數(shù)據(jù)的進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，規(guī)定了城市地下空間設(shè)施信息的分類原則、編碼方法與分類代碼，有助于信息數(shù)據(jù)的交換和共享服務(wù)。

從數(shù)據(jù)分類的結(jié)果來(lái)看，城市地下空間信息系統(tǒng)的構(gòu)建中應(yīng)主要考慮的數(shù)據(jù)類型有：(1)地層數(shù)據(jù)、地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)、水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、地震地質(zhì)數(shù)據(jù)、環(huán)境地質(zhì)數(shù)據(jù)和地質(zhì)資源數(shù)據(jù)等自然環(huán)境的數(shù)據(jù)；(2)居住建筑、公共服務(wù)及基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)設(shè)施、交通設(shè)施、民房設(shè)施、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施、地下管線等人類制造物、制造過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。對(duì)于這兩大類數(shù)據(jù)，都需要在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其位置、類別、功能、過程等進(jìn)行工程全壽命的描述，建立數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存和分析處理的基礎(chǔ)。

2.2 傳感器

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的約束，在城市地下空間安裝多種類型的傳感器是構(gòu)建智能城市地下空間物聯(lián)網(wǎng)的開始。智能城市地下空間物聯(lián)網(wǎng)通過各類傳感器在不同位置以不同形式部署，再結(jié)合上激光掃描器、射頻識(shí)別技術(shù)（如條形碼、RFID）、室內(nèi)室外定位系統(tǒng)（如GPS、Indoor GPS）等技術(shù)，實(shí)時(shí)采集城市地下空間中的各類物體或記錄下起運(yùn)動(dòng)變化的過程，將這些不同聲、光、熱、電信號(hào)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，將這些物理的、化學(xué)的、生物的等類別數(shù)據(jù)，通過有線網(wǎng)（光纖、銅纜等）、無(wú)線網(wǎng)（WiFi、4G/5G網(wǎng)等）等網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地下空間各類實(shí)物和變化過程的智能化感知、識(shí)別和管理[4]，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建物與物、物與人的泛在鏈接。

以地下建筑和地下管廊的感知設(shè)施構(gòu)建為例，在智能城市中建設(shè)地下智能樓宇，需要預(yù)留視頻監(jiān)控、雷達(dá)、射頻識(shí)別等感知設(shè)施，完成對(duì)地下建筑內(nèi)部和周邊環(huán)境的運(yùn)行狀態(tài)的智能感知。地下綜合管廊需要統(tǒng)籌部署或預(yù)埋環(huán)境感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行控制等傳感器，特別是對(duì)城市中供電、燃?xì)夤?yīng)、供熱、供水、排水、污水、通信、廣播電視、垃圾等各類管線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備部署。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)

城市本身是典型的數(shù)據(jù)密集環(huán)境，城市地下空間中涉及各類管道、線纜、水泥造物、各種設(shè)備、車輛等常見之物，也更涵蓋環(huán)境檢測(cè)、軌道交通、居家生活、經(jīng)濟(jì)商務(wù)、公共安全等運(yùn)行類別，海量的數(shù)據(jù)在傳感器的24h不間斷的檢測(cè)中被生產(chǎn)出來(lái)。日積月累的海量數(shù)據(jù)是智能城市的運(yùn)行基礎(chǔ)，但也是處理的重?fù)?dān)所在。可以說，數(shù)據(jù)是智能城市體系架構(gòu)中的核心內(nèi)涵，數(shù)據(jù)的起源（標(biāo)準(zhǔn)制定）、采集（傳感器）、傳輸（網(wǎng)絡(luò)）、處理（云計(jì)算等數(shù)據(jù)中心）和應(yīng)用（各類平臺(tái)和應(yīng)用APPs）等都是圍繞數(shù)據(jù)開展并設(shè)立的[5]。

經(jīng)由傳感器網(wǎng)絡(luò)送來(lái)的數(shù)據(jù)會(huì)以以下幾種方式存儲(chǔ)：微軟電子表格Excel、XML 格式、數(shù)據(jù)庫(kù)（關(guān)系或非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)類型）等，其中數(shù)據(jù)庫(kù)的方式是主流。

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)建立在硬盤等存儲(chǔ)硬件、通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施上，將傳感器采集送達(dá)的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合、分類存儲(chǔ)，并構(gòu)建了各種應(yīng)用功能來(lái)管理數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)檢查與修復(fù)、數(shù)據(jù)入庫(kù)、數(shù)據(jù)管理及分析、數(shù)據(jù)三維顯示等，形成了一個(gè)數(shù)據(jù)處理體系[6]。

在這個(gè)數(shù)據(jù)處理體系中，需要研究具體感知對(duì)象或事件在地下空間中的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)地下空間中蘊(yùn)含的豐富感知源進(jìn)行高效發(fā)現(xiàn)與選擇，利用不同空間感知能力的互補(bǔ)性進(jìn)行協(xié)作增強(qiáng)收集，提供多模態(tài)、多粒度感知數(shù)據(jù)，建立地下空間異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表征，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)數(shù)據(jù)的局部關(guān)聯(lián)性和全局一致性進(jìn)行建模，構(gòu)建多元數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)信息的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而支撐形成地下空間下的人—事—地知識(shí)圖譜。

2.4 信息系統(tǒng)

構(gòu)建智能城市地下空間信息系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，硬件支撐、數(shù)據(jù)融合、模型支撐、功能設(shè)計(jì)等都是其重要構(gòu)建步驟。

信息系統(tǒng)系統(tǒng)總體架構(gòu)包含有地下空間基礎(chǔ)設(shè)施層、地下空間信息層、數(shù)據(jù)管理層、公共服務(wù)平臺(tái)及相關(guān)應(yīng)用層。智能城市地下空間的云服務(wù)平臺(tái)，即云服務(wù)門戶、云管理平臺(tái)、虛擬化管理平臺(tái)、運(yùn)維管理平臺(tái)、安全管理平臺(tái)、監(jiān)控管理平臺(tái)。

在智能城市地下空間信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，各種應(yīng)用系統(tǒng)得以構(gòu)建。這些應(yīng)用系統(tǒng)也使得智能城市地下空間信息系統(tǒng)能夠具備豐富的共享交換能力、快速的系統(tǒng)集成能力、可靠的信息傳輸能力和全面的資源管理能力等功能。

基于城市智能生命體理論構(gòu)建的地下空間信息系統(tǒng)，以“節(jié)點(diǎn)—網(wǎng)絡(luò)—流”的解構(gòu)方式將城市地下空間以一個(gè)科學(xué)統(tǒng)一規(guī)范的方式展現(xiàn)出來(lái)，為系統(tǒng)化、數(shù)字化研究城市提供了思路和工具。每個(gè)系統(tǒng)都包含點(diǎn)、網(wǎng)、流等三大要素。點(diǎn)（Node）是系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)施及構(gòu)筑物，網(wǎng)(Network)是系統(tǒng)中聯(lián)系各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，流（Flow）是系統(tǒng)中在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)之間流動(dòng)的資源要素[7]。

人工智能分析可為智能城市的審查、考評(píng)、生成、多方案比較提供創(chuàng)新技術(shù)手段，相比于信息化的城市，智能化的城市地下空間從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樯窠?jīng)樹狀結(jié)構(gòu)，具有以下特征：

(1)可感知：城市地下空間各系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面深入的信息采集；

(2)可判斷：通過城市地下空間信息系統(tǒng)中樞進(jìn)行智能決策；

(3)可反應(yīng)：建立自動(dòng)反饋的智能應(yīng)用，城市地下空間自我修復(fù)能力提升；

(4)可學(xué)習(xí)：城市地下空間信息系統(tǒng)可持續(xù)創(chuàng)新與深度學(xué)習(xí)。

概括來(lái)講，基于智能城市生命體理論構(gòu)建的城市地下空間信息系統(tǒng)能夠使城市具有較為完善的感知、認(rèn)知、學(xué)習(xí)、成長(zhǎng)、創(chuàng)新、決策、調(diào)控能力和行為意識(shí)，使絕大多數(shù)市民都能享受到智能城市地下空間的精準(zhǔn)服務(wù)和創(chuàng)新應(yīng)用。

3 智能城市地下空間信息系統(tǒng)的應(yīng)用

城市治理必須基于現(xiàn)有數(shù)字城市建設(shè)的信息化成果，充分利用和整合已有的各級(jí)各類城市信息資源，大力推進(jìn)數(shù)據(jù)融合。圍繞城市運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、加工、提煉、分析、應(yīng)用等開展的融合工作是智能城市建設(shè)的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.1 地下空間治理的虛實(shí)融合仿真與推演

虛實(shí)融合仿真與推演服務(wù)通過突破跨計(jì)算單元/設(shè)備的分布式機(jī)器學(xué)習(xí)、異構(gòu)機(jī)器學(xué)習(xí)框架混合部署與統(tǒng)一管理等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建支持大規(guī)模數(shù)據(jù)訓(xùn)練驗(yàn)證的硬件平臺(tái)、軟件調(diào)度架構(gòu)，形成可視化模型訓(xùn)練環(huán)境及工具集，支持AI服務(wù)模型的訓(xùn)練與調(diào)試；基于可遷移容器技術(shù)、可擴(kuò)展集成框架等技術(shù)研究，形成模型服務(wù)的集成框架，支撐智慧城市各類行業(yè)智能應(yīng)用技術(shù)研究。

…………從真實(shí)世界出發(fā)，經(jīng)過數(shù)字成像，通過視頻數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)有機(jī)融合與深度協(xié)作對(duì)三維世界進(jìn)行感知理解，提供時(shí)空定位、海量搜索、態(tài)勢(shì)判斷、密度分析、歷史回溯、異常行為報(bào)警、檢測(cè)識(shí)別等服務(wù)。

3.2 基于視頻的地下空間中人類異常行為識(shí)別

基于視頻的異常行為識(shí)別服務(wù)創(chuàng)新性地采用快速卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合上下文光流傳播技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻中人的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的識(shí)別與跟蹤；采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提取人體的特征圖和部位親和字段，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體關(guān)鍵部位骨點(diǎn)的精準(zhǔn)定位；結(jié)合視頻智能分析、可視化管控等技術(shù)能夠成功實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控中快速奔跑、周界入侵、人群聚集、打架斗毆、揮手求救等五類個(gè)體和群體異常行為的實(shí)時(shí)預(yù)警。

4 結(jié)論與建議

當(dāng)前，智能城市地下空間信息系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)現(xiàn)從最初的簡(jiǎn)單視頻監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)，到網(wǎng)絡(luò)、高清、互通、相融合，再到系統(tǒng)平臺(tái)、云服務(wù)、共享平臺(tái)為核心的進(jìn)化，這些都提升了城市發(fā)展規(guī)劃、公共設(shè)施、公共服務(wù)、新興業(yè)態(tài)的智能化水平[8]。

但是仍然存在很多問題，在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面，國(guó)內(nèi)在巖土工程、管線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、地下建(構(gòu)) 筑物等方面尚未形成比較通用的電子數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[9]，這些給數(shù)據(jù)的統(tǒng)一化搜集、整理帶來(lái)困難；在跨城市信息交流方面，多個(gè)智能城市地下空間的數(shù)據(jù)在互聯(lián)互通、共享數(shù)據(jù)、協(xié)同處置等方面還有很長(zhǎng)的路要走。

基于城市智能生命體理論構(gòu)建的智能城市賽博物理系統(tǒng)(CPS)作為城市地下空間信息系統(tǒng)發(fā)展方向，將可以很大促進(jìn)信息系統(tǒng)在體系化、統(tǒng)一化的進(jìn)步。基于新型信息系統(tǒng)各種應(yīng)用創(chuàng)新基礎(chǔ)之上的智能城市治理行為的不斷開展也能反過來(lái)促進(jìn)相關(guān)信息系統(tǒng)的迭代升級(jí)。

引用

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