城市运行与应急管理技术架构与应用模式研究*

陈 涛，阮杨志，孙雪萍，杨广平

(1.清华大学 工程物理系(公共安全研究院)，北京 100084； 2.城市综合应急科学北京市重点实验室，北京 100084；3.北京辰安科技股份有限公司，北京 100085)

0 引言

城市安全是城市发展的重要前提。尤其是对超大城市来讲，与一般城市系统相比，其动态性、开放性、自然与人工相融合程度更高[1-2]。因此，城市的综合运行和应急管理是超大城市管理的核心。近年来，受物理社会和虚拟社会多因素影响，突发事件应对复杂性增加，城市运行和应急管理面临的挑战日益突出。

2018年1月7日，中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于推进城市安全发展的意见》，提出“切实把安全发展作为城市现代文明的重要标志”。为防范化解重特大安全风险，健全公共安全体系，整合优化应急力量和资源，2018年3月，应急管理部成立。虽然国家在应急管理方面逐年重视，且不断优化各个层面的应急管理体系，但在当前社会不断发展的形势下，城市应急管理工作依然面临新的需求和挑战。以北京市为例，作为典型的超大城市，利用大数据、物联网、移动互联网等新技术、新手段，建立与“京津冀协同”、“城市副中心”建设相适应的应急管理技术支撑架构和应用模式，增强对各类应急资源的汇聚管理能力，提高对各类突发事件的监测预警、决策指挥和应急处置水平，全面提升城市运行和应急管理的科技支撑能力，是一项艰巨而迫切需要研究的重要问题。本文即是针对此类问题，围绕城市运行与应急管理融合的技术架构开展针对性讨论，并在整体的融合技术架构下，探讨具体的融合方式方法以及关键技术，最终为相关城市社会转型、发展过程中的应急管理问题提供参考和借鉴。

1 大数据在城市运行和应急管理中的应用

城市系统的复杂性，使城市应急管理需要面对多种类型的突发事件，且各突发事件间常伴有次生衍生及耦合关系。这不仅对城市的应急救援能力、应急物资的储备和保障能力提出相当大的考验，也对基础设施的抗灾能力、重特大灾害的监测观测及综合风险预警能力提出了新的要求。随着政府在数据治理方面越来越重视，如何将应急管理各领域的分散数据变为使用统一架构、组织和流程的综合数据管理模式，形成“用数据决策、用数据管理、用数据服务”的管理与服务机制是重要的管理切入点。在应急“关口再前移”的趋势下，城市运行监测预警所发挥的作用不言而喻，而大数据技术在城市运行监测中的应用，直接或间接地影响到应急管理的过程和结果。

随着物联网、大数据、云计算及空间地理信息技术等技术域与综合应急、智慧应急等业务域的深度融合，“智慧城市”、“韧性城市”等理念和模式不断被国内外典型超大城市所接受和认同。

国际上，欧盟、东京、纽约、伦敦、新加坡等国家和地区的大型城市已将智慧、韧性等主题与城市安全运行相结合，探索由被动反应向主动引导转变的新型城市防灾和应急模式。欧盟国家围绕社会、环境和经济等领域开展了智慧城市建设，德国将信息技术产业与经济、生态相融合，推动了智慧交通、智慧产业、智慧园区的发展[3]。新加坡将大数据、物联网、虚拟现实等技术与公共交通系统、生产生活资源使用、医疗等领域相结合，实现了城市运行的有效管理，此外还通过搭建“虚拟新加坡”协作平台，利用数据分析和仿真建模功能，将静态和动态的城市数据和信息与之相结合，为城市应急管理情景构建与虚拟展示提供支撑[4]。为提升洪水灾害韧性水平，纽约市提出了《更加强壮、更富韧性的纽约》等韧性城市建设计划，其创建的“决策行动-创新技术-多元参与”的决策模式为有效提升海岸城市韧性水平提供了宝贵借鉴[4]。

在我国国内，许多城市[5-6]逐步将大数据及其相关技术应用于城市安全运行、灾害预警、环境监测、反恐、突发事件防范的相关研究[7-8]。深圳市利用视频监控、通信运营商、互联网平台、气象、水文、海洋、地质、交通、林业、危险化学品等多方数据大数据，实现对重大隐患、风险的预警发布，提升安全生产事故预测预判、风险防控及应急处置的能力[9-10]。天津开展大数据产业建设，推动大数据、云计算、物联网等新一代信息技术深度应用于本市消防安全工作[11]。重庆市接入40余个市级部门数据，建设一套支持多网络、多终端的市情信息服务系统[12-13]。杭州市利用物联网技术将基础设施、公共服务项目进行数字化[14-15]，编制完成《杭州市城市数据大脑规划》。厦门市利用“互联网+”、物联网和大数据，汇入公共服务单位、基础设施单位核心部门的公共安全数据，建成政府信息资源目录体系，建设完善大数据管理和服务平台，建立统一的公共安全调度指挥平台[16]。北京海淀区探索建立“条块联动、平战结合、资源整合、科技支撑”的市辖区县城市运行与应急管理一体化模式[17-19]。

本文分析城市运行和应急管理业务对大数据等核心技术的需求，借鉴各城市和地区的经验，结合北京市应急管理现状，提出城市运行与应急管理大融合的技术平台架构，分析其核心支撑技术，以及在应对突发事件中的应用模式，为城市公共安全各专项业务应用提供数据共享、趋势分析与预测、综合风险评估与防控等服务，以提高城市防灾减灾能力和安全防控水平。

2 城市运行和应急管理融合设计

2.1 问题与需求分析

城市运行和应急管理是1个硬币的2面，体现了应急管理平战结合的理念。当前北京市在城市运行和应急管理上面临着诸多亟待解决的挑战与问题。

1)城市运行风险感知薄弱。城市运行管理包括水、电、气、热等基础设施和交通管理、环境等众多子系统。近年来，经过北京市公共安全物联网示范工程后，城市运行领域的风险监测具有一定的基础，但由于监测点覆盖的数量和范围有限，路面塌陷、水管爆裂、道路积水等城市问题仍时有发生。城市高风险点的精确辨识与排查治理等仍存在空白，亟需提升风险源头防范能力，实现突发事件应急管理关口前移。

2)应急管理面临着跨区域联动、业务能力急需提升的挑战。突发或灾难事件的跨界性质日渐增强，意味着跨界协作在应急管理中越来越重要。灾害危害程度大、影响面广、次生衍生、错综复杂，超出单一城市行政区域边界。“京津冀一体化”的国家战略也对3地的突发事件协同处置与联动指挥提出了新的要求。例如，“京津冀”在应急资源协同上，尤其是3地的基础地图在应急时尚未能实现共享共用，当发生交界域灾害或需要跨地区协调最近的应急资源时，尚缺乏一体化可共享共用的重大危险源与防护目标、应急物资、应急队伍、应急资源数据和在此类数据基础上的地图分析与支撑手段。

3)“点多面广”的相关应急管理数据资源面临汇聚整合和共享更新机制亟待完善的挑战。现有的信息大多来源于少数政府部门，数据的时效性、实时性不高；而社会方面的资源获取、整合少，难以满足基于城市运行和应急管理对于信息全面性、丰富性的需求，此外，数据质量(丰富性、可用性、一致性、更新机制等)也有待进一步完善。因此，亟待按照统一的技术架构梳理整合城市运行和应急管理所涉及到的各类数据资源。

4)新技术的应用还需进一步深入探索和不断实践，进而给该领域带来新的发展机遇。云计算、物联网、移动互联网、大数据等新技术的发展为应急系统在监测预警与风险识别、信息收集与灾情统计、趋势分析与综合研判、指挥调度与辅助决策等方面提供了新的技术支撑手段，但如何使新技术更好地为城市运行和应急管理服务，尤其是应用于城市管理者和城市各级职能部门的管理和决策，有待深入探索与研究。

针对以上需求和挑战，面向城市运行和应急管理的关键技术研发和技术规范，重点需解决以下3方面问题：

1)数据融合，形成应急领域数据资源“大融合”的局面。

2)支撑平台融合，利用城市统一的数据支撑平台、云服务平台，构建数据和应用系统的统一服务能力，促进信息技术和数据资源高效利用。

3)应用融合，通过“应急一张图”等相关应用示范，创新应急指挥平台建设模式。

通过以上3个层面的融合，提升全市监测预警与风险识别、信息收集与灾情统计、趋势分析与综合研判、指挥调度与辅助决策等技术支撑能力，在智能化技术支撑和应用上实现突破。

2.2 城市运行与应急管理技术平台设计

从技术发展理念角度上，可以用智慧安全城市的概念来融合综合运行与应急管理2个方面，即利用公共安全科学技术、新一代信息和通信技术，构建城市安全管理和风险主动防控新模式；开展风险隐患的全方位物联网监测、评估与精细化治理，打造全方位、立体化的城市公共安全网；同时，在管理机制上，创新公共安全管理和服务模式，提升城市安全发展与管理水平。

从城市安全的业务角度上，应急管理的环节包含了预防与应急准备、监测与预警、应急处置与救援、事后恢复与重建4个方面的全流程，其中城市运行包含在预防与应急准备、监测与预警2个环节中。而城市运行数据，如水、电、气、热、交通、环境、气象等数据，是城市应急处置与救援、事后恢复与重建的重要支撑性数据。因此，设计城市安全运行及应急管理技术平台架构，需要统筹考虑如何为应急管理各环节提供支撑，提升城市安全保障的科学化水平。

从技术应用的角度，城市运行与应急管理技术平台整体按照“感、传、知、用”的思路来建立从数据来源采集、传输汇聚、数据融合分析预警到终端决策应用的技术体系，城市运行与应急管理业务深度融合的城市运行与应急管理技术平台架构包括感知层、数据层、支撑层、应用层及展示层，如图1所示。

1)在感知层，统一开展风险隐患的全方位物联网监测、评估与精细化治理。首先，开展城市风险评估，进行行业、区域和综合风险评估，在此基础上进行风险源和风险隐患排查工作，预先进行风险排除、登记和全量管理；其次，对于城市安全运行监测、对风险源和防护目标进行监测，确保应急救援队伍和保障物资的充足和数据更新；再次，将城市运行和应急管理相结合，建立实时的风险源监测、监控和管理系统，在突发事件发生时能够与应急管理部门进行实时交互和协同工作，在应急处置时能够提供分析研判、协同会商、指挥调度、任务跟踪和现场处置指导。

2)在数据层，统一构建城市应急管理大数据平台。制定全市公共安全大数据标准规范，包括元数据规范、目录规范、数据编码规范、数据交换共享规范、信息资源集中与分布式存储和服务技术规范、多源数据融合技术规范等。以全市基础信息资源为基础，结合部门、区、专项应急信息资源，形成市应急大数据，包括基础数据、主题数据和部门数据。全市基础信息资源包括物联网数据、政务数据、社会数据、互联网数据、人口数据、法人单位数据、地理信息数据和宏观经济数据等。各区、各部门、各专项的数据包括应急主题数据、应急部门数据和应急基础数据。同时，与“京津冀”应急信息数据融合，形成城市运行与应急管理大数据。

图1 城市运行与应急平台架构Fig.1 Architecture design of urban safety operation and emergency management platform

3)在支撑层，统一提供空间分析和可视化所需的电子地图(地理信息系统)、三维建筑信息系统(BIM)、多方协同标绘支持和数据展示支撑能力。支撑层基于市级共性支撑平台之上，充分利用政务云，以政务云作为系统的有效支撑，构建应急新技术应用的共性支撑平台，包括智慧应急联动应用支撑平台、应急大数据管理平台、人工智能及机器学习平台、”应急一张图”平台、委办局应用接入管理平台等。

4)在应用层，统一设计“平时”城市运行的安全物联网实时监测系统和“战时”城市综合应急指挥2大体系。为实现应急相关数据资源在地图上的定位、可视化、空间分析等能力，需构建“应急管理一张图”，实现应急管理数据的可视化、时空分析，并为应急管理提供统一的空间信息支撑能力。在城市运行领域包括燃气管网安全监测、供水管网安全监测、城市综合防汛、危化品监测监控、消防综合监管、道路交通综合监测、水环境安全保障、综合网格群防群治等多个应用平台。在城市综合应急指挥方面，包括市级综合运行管理及应急指挥平台、专项应急指挥平台、委办局/区级应急指挥系统、基层单位应急指挥系统以及“京津冀”协同应急指挥平台等。

5)在展示层，统一构建展示应用模式，如根据政府领导决策支持的需要，设计“领导驾驶舱”，实现对城市运行和各个应急管理领域的大数据管理及量化分析，通过关键指标、关键数据、态势汇总和统计分析等反应城市运行和重大事件应对的总体态势。同时，根据应急相关各主要委办局的指挥人员、调度人员、值班值守、现场应急等人员的实际工作需要，还应提供基于桌面、移动办公等场合下的应用界面。

2.3 新型城市安全运行与应急管理支撑技术

城市安全运行与应急管理的融合平台以城市物联网传感器为源头，实现多源异构大数据的融合，针对城市风险做到精准识别和风险评估，对其进行监测监控、预测预警分析，并提出决策建议。城市安全运行与应急管理平台要推动物联网、移动互联网、云计算、大数据、人工智能和虚拟现实/增强现实等新技术在城市运行与应急管理领域的场景落地和实际应用，推动移动终端及移动互联网在应急管理中的应用，提升移动指挥和移动协同的能力。

围绕北京市等超大城市及其区域应急特征，其主要支撑技术可以总结为“六大核心支撑技术和两大协同体系”，即多源异构大数据融合集成技术、城市综合风险识别与评估技术、物联网监测监控分析技术、预测预警与信息发布技术、应急智能决策支持技术、“应急一张图”技术(见图2)，以及“京津冀协同应急体系”和“空天地一体化应急装备体系”。

“六大核心支撑技术”包括：

1)多源异构大数据融合集成。推动大数据治理体系的完善，建立城市运行和应急管理领域的大数据。一是构建应急资源目录，梳理北京应急大数据体系，依托大数据技术，实现政务资源、行业资源、社会资源、互联网资源的充分汇聚和共享，为北京应急管理提供数据支撑服务；二是以城市运行和应急管理大数据为基础，构建城市安全大数据分析模型和城市安全运行指标体系，涉及城市日常安全运行、重大危险源、重要防护目标等，科学、准确刻画城市运行态势，形成应急管理智能辅助决策能力；三是推动公共安全大数据汇聚管理、共享交换、分析应用和展示技术，使用大数据可视化等技术手段，形成“领导驾驶舱”的应用模式，为不同层次用户提供便捷的人机交互、信息认知和系统操作模式。

图2 城市运行与应急管理核心支撑技术Fig.2 Core technologies of urban operation and emergency management platform

2)城市综合风险识别与评估。建立安全生产、消防、地震、森林防火等各个领域风险的评估模型和指标体系，实现对单领域风险的评估分析。针对相互之间有关联性、易耦合、能引发次生衍生灾害的突发事件，按照事故之间的关系，建立综合的风险智能分析模型和指标体系，为大规模、复杂条件下的风险防控提供模型支撑。利用机器学习等技术，通过实时数据不断学习与训练，实现对风险分析模型的自动优化、风险智能预测等智能化应用，智能生成风险防控措施。

3)城市风险监测预警物联网。构建覆盖城市的物联网监测预警体系，建立覆盖全层级、全业务、全流程的灾害监测预警系统，实现对单个或耦合灾害进行监测、预警和防控。加强城市生命线、交通、水和大气环境、防汛、消防等领域物联网监测技术，开发城市运行体征监控、风险隐患监测防控、风险评估与预测预警等综合应用系统，为各级应急管理部门提供应用支撑。

4)灾害预测预警与信息发布。建立重大灾害的物理模型，利用人工智能、BIM等技术研究多灾种耦合及次生衍生灾害演化模拟模型，实现灾害发展趋势分析、事故影响后果分析、次生衍生灾害分析、灾情损失分析等能力，加强对自然灾害、事故灾难、公共卫生和社会安全事件的分析研判和监测预警。整合各部门预警信息发布业务，加强预警精准发布技术的研究与应用，实现对灾害影响区的靶向发布，对预警责任人和公众的差异化响应提醒，创新预警信息发布机制，畅通预警信息发布渠道，提高预警信息传递实效。

5)应急智能决策支持。针对不同对象、不同阶段、灾害场景的多灾种灾害，为应急处置方案的制定提供支撑。依据灾害类型以及灾变演化场景，针对灾害现场信息、相关知识案例等信息，利用多源数据融合技术下的灾害数据深度挖掘分析，智能生成针对不同灾害场景/决策阶段，同时涵盖灾害信息、灾害风险防控建议、处置决策建议、资源保障建议、赴现场工作组辅助决策建议等内容的辅助决策处置方案，为救援处置提供决策支撑。

6)“应急一张图”。“应急一张图”是应急管理中实时态势感知的系统，收集、共享和显示跨部门协作的应急多维信息，以及对事件的响应情况，连通应急各有关部门、机构、救援力量和多个指挥部，实现实时态势信息的互通共享，从而保障联合应对、协同应急。“应急一张图”在统一大数据平台的支持下，以地图为核心，实时地更新和完善突发事件情况数据、资源调度情况数据、现场环境数据等，生成应急综合态势感知和信息共享图。在北京市研发“应急一张图”，使其成为全市统一的应急支撑平台，服务于各级应急相关单位，统一的“应急一张图”能够统一应急资源的图上展示，统一相关的技术规范、数据规范和业务规范，进而为专项、委办局和区县提供统一的应急基础地图服务，实现应急资源信息的共享和可视化指挥。

“两大协同体系”包括：

1)“京津冀”一体化协同体系。从“京津冀”城市群的特点来看，重大灾害事故、森林火灾、重大活动(国庆、重大赛事、国际高峰论坛等)、突发急性传染病等，都对区域应急协同提出了要求。“京津冀”已经在区域应急合作机制上有很多合作，但为实现区域应急高度协同和应急处置的高度协同，还需要在技术上提供支撑。

例如，从地图融合来看，亟需实现“京津冀”应急底图融合，实现应急资源统一空间化和可视化，实现3地基于“应急一张图”的协同指挥。建设“京津冀一张图”，对北京、天津和河北的地理信息底图进行融合，对3地坐标系进行统一；将“京津冀”应急队伍、应急资源、应急装备、防护目标、危险源等应急基础数据在统一的地图上实现共享共用；建立“京津冀”协同应急管理系统，对于“京津冀”共同处置的空气重污染、长输管线、危化品运输、森林防火、跨域水系污染、重大活动等相关专题进行建设。

2)空天地一体化装备协同体系。从北京市历次灾害特点来看，既有防汛内涝、森林火灾、地质灾害等尺度较大的灾害，也有各类如央视大火、大兴火灾等城市火灾，同时还有危化品运输和交通事故等移动风险源，亟需加强空天地一体化的应急装备创新，形成从指挥中心到现场，从空天遥感、无人机到地面的一体化信息采集传输网络，通过移动指挥车、小型移动应急平台、单兵移动终端等在内的装备高度协同作战能力。

2.4 基于专题的应用模式

突发事件的特殊性、涉及内容的多面性决定了各突发事件所涉的数据内容各有差异，而面临决策时如何根据事件特征分析提取最有效、最关键的信息极为重要。采用专题应用，可以根据某类突发事件，以专题为单位深度整合事件相关部门数据和实时信息，如气象、水利、市政、交通、公安等，实现信息最大化、最有效利用，实现数据专题可视、预测专题分析、专题会商。以北京为例，可以建立的专题包括：

1)防汛专题。应用物联网技术对全市降雨量、桥下积水点、大中型水库出入库量和主要道路交通流量等进行实时监测，应用雷达图监测降雨发展趋势，整合基础信息资源，加强对受强降雨威胁对象的重点关注。提供全市降雨趋势预测、实时降雨量监测、交通实况、地质灾害分布、防汛力量部属、排水情况等实时信息，为防汛科学决策提供支撑服务。

2)扫雪铲冰专题。实时监控部分环路、重点路段和路口、高速公路等的路面积水、积雪、结冰情况，接入高速路视频图像信息，结合交通流量等信息，动态监控影响道路交通的风险因素，进一步提高交通管控和突发事件应对能力。

3)城市生命线实时监测专题。依托城市运行监测平台，实时掌握水、电、气、热等城市生命线系统计划、调度、存量运行信息，及时提供预警信息。

4)轨道交通安全专题。重点针对大客流冲击、极端天气和治安防范等开展示范应用，及时掌握部分地铁车站的站前广场、主要地下换乘站和重点区域车站的实时信息，提高地面交通与轨道交通的协调联动水平，降低大客流冲击造成的影响，提升轨道交通安全运营水平。

3 结论

本文从北京市应急管理的现状出发，统筹智慧安全城市、综合应急及新型信息技术，对城市运行与应急管理技术架构与应用模式进行初步探索。

1)依托城市安全运行体系，全面感知城市风险隐患和灾害事故，是实现城市“平时”监测预警与“战时”应急管理有机结合，保障城市运行安全的重要切入点。

2)大数据技术在城市运行监测中的应用，直接或间接地影响到应急管理的过程和结果。城市运行与应急管理的有机结合将更充分地发挥数据的作用，更大限度地节约公共资源，更高效地发挥应急管理的作用。

3)综合国内外应急管理与新技术应用现状，提出了基于大数据的城市运行和应急管理有机结合的总体设计思路和业务架构设计，并针对性地制定了城市安全运行与应急管理平台的建设内容，以期为城市安全运行与应急管理工作提供借鉴。