基于时空大数据的综合感知平台建设

赵伟伟 黄国平

（1.南京市城市规划编制研究中心，江苏 南京 210029；2.武大吉奥信息技术有限公司，湖北 武汉 430223）

0.引言

智慧城市是城市信息化发展的目标和愿景，在发展的过程中也必然历经从单一到综合、从局部到整体、从初级到高级的发展阶段。特别是在数字城市、智慧城市阶段，都需要时空大数据与云平台等的支撑[1-3]。

时空大数据即时空信息基础设施，是城市信息化不可或缺的、基础性的、根本性的信息资源。搭建基于时空大数据的综合感知平台，接入物联网和传感网，得到城市实时状态信息，同时以基于法律规定的、各行业一致的时空基准为基础，整合囊括人口信息、经济数据、社会数据、文化信息等信息资源，是实现城市信息化的途径和必然要求[4-6]。

本文将以综合感知平台建设为核心，重点介绍基于时空大数据进行综合感知平台建设的技术设计、建设内容和应用成效，为今后的综合感知平台建设工作提供一条有效的技术路线。

1.现状及发展趋势

随着现代经济社会环境的逐步改善，城市现代化水平越来越高，2010年，IBM提出了“智慧的城市”这个概念，以全域整体感知，相互连通为设计愿景，以期更好地适应社会和经济在新时期的发展，针对城市资源的紧张和高质量生活需求之间的矛盾，治疗“城市病”。

近年来，我国不断发布了各类政策，着力促进物联网行业发展，不少地方政府也陆续公布了与物联网相关的专项规划、实施规划方案，发表了针对性的发展意见，从地方土地规划使用、产业基础设施建设配套、地方税收优惠、核心技术开发和行业应用领域等多个方面，在政策上为整个物联网行业的发展提供了支持。

目前，我国物联网行业的整体产值已达到了万亿元的级别。行业规模在实现了超预期增长的同时，相关的网络建设和行业应用推广的成效也非常突出。中国也陆续推出了新基建、网络强国等国家相关战略，不断推动新的网络技术（如，5G、NB-IoT、IPv6等）在实际生产中的应用，消费和产业方面的物联网逐步实现了规模化应用，在5G领域、车联网领域等也逐步取得了突破性发展。

物联网技术丰富了城市治理的手段，在智慧城市应用领域（如，水质监测、空气质量监测、智慧路灯等）得到了非常广泛地应用，提升了人民居住环境。但目前业务应用存在的烟囱建设模式，使不同系统使用的感知数据难以共享利用，导致物联网数据利用率较低，重复建设增加了利用成本。

建设综合感知平台，是为强化城市精细化管理，形成稳定的建设模式，利用越来越强大的平台功能，以接入更多的物联网设施，承载更多的物联应用，持续升级智慧城市的管理水平。综合感知平台需要满足用户对物联网相关应用进行统一规划、统筹建设、统一监管的需求，维持平稳的系统运行状态，为用户提供良好的使用体验。

综合感知平台的建设主要包括以下3个目标：

（1）提供对所有物联网设备统一的接入，实现对设备数据统一的采集、展示和共享利用；

（2）为大数据平台及各应用系统提供支撑，为各类应用提供统一的物联感知数据相关服务；

（3）获取物联设施实时状态，为领导和管理者展示城市环境的情况，便于领导和管理者更了解真实情况，对城市管理、应急处置等做出处置决策。

2.综合感知平台建设内容

基于新一代信息技术云计算、移动互联网、时空大数据、地理信息集成等，进行综合感知平台建设，充分接入物联网数据，获取城市实时状态信息，通过整合人口、经济、社会、文化等信息，完整、深入地呈现社会、经济和环境运行状态，为领导及管理人员提供城市宏观运行状况。结合对城市发展问题的综合分析，将感知数据和分析结果进行可视化展示，为城市管理的精准施政提供决策支持，为打造“智慧城市大脑”提供坚实的基础。

2.1 感知数据汇聚

综合感知平台通过多种方式汇聚感知数据，包括感知设备适配和数据传输网络适配。

感知设备适配方式提供不同行业多种类传感器（包括温度、湿度、有害气体、位移、倾角、地磁等设备）的接入支持。平台软件能够支持各类数据协议的解码，提供不同设备数据协议的解析处理支持。感知平台具备海量设备的高并发接入，通过定义标准化的接口，利用不同的处理程序，从而实现平台能力的扩展。

数据传输网络适配能够兼容各种网络环境，支持多种网络形式（包括有线、3G、4G、5G、NB-IoT、eMTC等）的接入，提供主流的物联网传输协议的适配能力，同时提供异构设备的扁平化接入支持。数据传输网络适配提供对软网关的支持，从而适配数据传输网络和传输协议。

在具备网络的条件下，提供在线数据接入能力，具备数据接口对接的功能支持。通过时空大数据融合系统对接业务系统的数据接口，对数据进行灵活的接入、清洗、转换及加载，实现跨业务系统、跨异构数据源的数据转换及汇聚。

2.2 数据整合

基于业务流引擎对多源异构的时空信息进行汇聚、整合、一体化处理，根据数据融合业务流程，按照逻辑和规则构建业务流引擎，实现物联感知数据与基础地理信息数据、各行业专题数据、互联网数据持续的实时、高效数据抽取、汇聚、整合等工作，实现多源信息融合，提升数据的价值，更充分发挥数据效用。

根据时空大数据的要求，对于汇聚过来的各类地理信息数据统一数据格式。在数据转换的过程中，为了控制目标数据的内容，如，指定目标数据地物类名、增加或删除属性字段、数据合并、数据分解等。采用这种方法进行双向的转换，一方面，在转换的过程中损失的信息量较小；另一方面，在数据转换的同时也可以进行数据操作，从而进行复杂语义的转换。

根据已有的各类空间数据，以时间为轴形成历史数据和现状数据。利用地址匹配引擎，将地名、地址等非空间数据在线赋予空间属性，满足众多政府部门业务数据的空间化需求。数据的空间化通常分为3种情况：

（1）具有空间位置坐标的数据，可通过坐标匹配定位进行数据空间化；

（2）蕴含地名、地址信息的数据，可根据识别出的地名、地址信息，将地名标识信息融入切分序列和逻辑组合关系中，采用局部模糊匹配后消除歧义的方法，以多种匹配方法（如，分词匹配、本体和词语相似性）实现地名、地址匹配，匹配后即可空间化；

（3）仅蕴含地名基因信息内容的数据，先要结合汉语中分词以及数据比对的技术，利用基于语义、地理本体统一的认知，快速进行地名特征的提取，然后通过地名、地址的匹配实现定位。

2.3 感知数据分析

以时空大数据为基础，结合综合感知平台汇聚的城市实时运行数据，对城市运行体征进行综合分析，包括人口分析、科技创新、社会民生、政务服务、城市建设、社会治理、生态环保等方面的分析，实施更有针对性的管理服务。

利用综合感知平台汇聚的综合感知信息，建立多尺度综合感知指标，基于场景感知设备与在线监测技术，提供城市多尺度综合感知服务，可实现城市趋势分析、城市运行状态监测和个体行为跟踪等城市数据综合分析。

充分利用综合感知平台采集到的实时信息，精确地获得城市的动态数据，能够有效提升社会综治效果，提高城市监管能力。利用数据挖掘技术，集成多源空间感知数据，深入揭示城市社会经济现象的分布、联系和过程等规律，实现城市的动态感知。通过获取不同维度、不同分辨率的物联网实时数据，实现对城市动态的综合分析，能够有效提升时空大数据在城市治理中的应用深度，为切实解决城市问题提供了新的思路。

2.4 数据可视化展现

综合感知平台提供数据可视化展现，能够将实时感知数据及数据综合分析结果进行可视化展现，建立能够反映全领域内经济与社会发展情况的相关指标体系，更全面地展现出整个城市运行的态势，充分感知城市的发展趋势和运行风险，为城市领导及管理者制定处置方法和政策提供支撑。

数据可视化可以根据用户需求选择数据角度或者属性信息，也可以根据目的和用户类型来选用恰当的展现方式。所以，当数据经过可视化技术处理后，能以多种不同的视觉形式来表现数据内容，使用户加深对数据含义的理解。在感知数据的可视化中，能够以时空大数据为基础，快速地在对象所涉及的不同类别的空间数据（包括二维数据、三维场景数据等）之中显示城市运行的真实状态，便于相关领导及管理者制定相关的决策。

3.关键技术设计

关键技术包括唯一编码的时空对象模型技术、基于业务流引擎的信息融合技术以及基于城市空间模型二、三维一体化的数字孪生映射技术等。唯一编码的时空对象模型技术具备唯一编码，是数据进行融合、挂接的核心；基于城市空间模型二、三维一体化的数字孪生映射技术则是自动生产三维建筑简单模型的高效方法。

3.1 采用唯一编码的时空对象模型技术

采用具有唯一编码的地理实体数据，对地理实体数据逐要素注入“三域”标识。基于时空数据模型实现数据的重组，根据要素标识信息构建各地理实体的时空对象，每个时空对象都具有唯一标识，通过唯一编码进行挂接、融合匹配，实现与人口、经济、法人、建筑物等基础数据的关联和融合，能够有效促进地理信息在各部门之间的交换、共享和利用，辅助应用部门管理与决策，也方便了公众查询，拓展了平台应用的广度和深度，为社会精细化、网格化治理和新型智慧城市建设奠定了坚实的基础。

3.2 基于业务流引擎的信息融合技术

根据数据融合业务流程建立业务流引擎，基于业务流引擎对多源异构时空信息进行汇聚整合一体化处理，实现了基础地理信息数据与各行业专题数据、物联网数据、互联网数据持续的、实时、高效的数据抽取、汇聚、整合及空间化落图等序列工作，为综合感知平台提供了技术支撑。

3.3 流式三维云端渲染技术

应用流式三维云端渲染技术，能够将数据渲染从客户端放到云服务端，客户端与服务器之间采用流媒体方式，将渲染的三维画面实时编码压缩成视频流传输到客户端显示，同时将响应返回客户端。整个流程采用高效率服务视频压缩编码，避免海量数据传输造成网络拥堵而导致渲染模型卡顿、数据响应不及时问题，大幅提高海量规模数据的Web展示能力。

3.4 基于城市空间模型二、三维一体化的数字孪生映射技术

综合感知平台基于二维地图与城市三维地理信息模型，能够实现二、三维数据一体化、显示一体化、分析一体化、服务一体化的应用效果。同时，利用物理的模型、传感器等数据，在虚拟空间中实现真实世界的映射，建成可进行编辑操作的镜像，实现物理空间与虚拟数字空间交互映射、融合共生。另外，结合强大的物联网数据获取、大数据处理分析等能力，对所获取的设备进行当前状态评估、历史状况诊断、未来走势预测，并给出分析结论，为新智慧城市监管提供全面支持。

4.应用成效

建设物联网综合感知平台，统一接入并管理相关的物联网感知设备，通过感知设备实现对不同监测对象的数据采集，并保持感知数据采集、分享、利用的高效和稳定，实现物联网感知数据的汇聚、管理。同时，物联网综合感知平台可以将物联感知数据共享给时空大数据与云平台，便于各部门的应用系统进行调用，更方便地满足各单位管理和数据分析的需要，提升智慧城市精细治理能力。

接入各类具备开放和共享条件的智慧城市物联网监测数据，为传感信息深度的共享提供支撑。整合数据成果，集成基础地理信息、行业专题信息和智能感知实时信息等数据，形成统一的、权威的时空大数据与云平台，为城市领导及各管理部门、企业、人民大众提供相关的时空信息资源服务，为基于时空的数据分析、数据挖掘和数据应用奠定了基础，建立能够反映全领域内经济与社会发展情况的相关指标体系，更清晰地展示整个城市运行的态势，充分感知城市的发展趋势和运行风险，为城市领导及管理者制定处置方法和政策提供支撑。

5.总结与展望

本文提出的综合感知平台建设充分接入已有物联网设备，获取并汇集感知数据，利用时空大数据融合形成数据基础，进行数据综合分析，并将分析结果进行可视化展现，为领导提供决策支持。

随着大数据时代的到来，全面利用物联网技术系统收集和分析实时感知数据和信息，结合城市实际建设需求和发展策略，充分利用新技术，调动各方资源进行智慧城市建设，提升城市发展速度，从而高效地实现城市监管的目标，为城市健康发展奠定基础。

本文提出的综合感知平台建设方法能够有力支撑城市物联感知平台的建设。未来，我们将以时空大数据与云平台为研究的载体和基础，面向物联设备全天候监控、全生命周期管理的实际需求，继续探索物联感知数据的采集、存储、管理与应用。