智能城市地下空间信息系统与应用

电科院 田智鹏

智能时代，对城市地下空间中的自然和人工设施标准化、信息化、智能化后构建的信息系统是实现对城市高效、智能治理的重要措施。基于城市生命体理论构建的城市地下空间信息系统是智能城市治理的有力基础，信息系统的构建内容包括标准、传感器、数据等，构建步骤包括硬件支撑、数据融合、模型支撑、功能设计等。地下空间虚实融合仿真与推演和人类异常行为识别是两个典型的应用。

1 智能城市地下空间

随着城市的发展，城市中可用的空间资源日益紧缩，尤其在城市生态环境标准日渐提高的态势下，开发使用城市地下公共空间逐渐成为缓解城市地面空间拥堵、环境恶化、增加城市社会和经济效益的重要手段。

地下空间（US，Underground Space）是指在地球表面以下的土层或岩层中天然形成或经人工开发而成的空间，主要包括天然存在的洞穴和岩石孔隙空间的自然空间和包括商业、战备等人类活动产生的人为地下空间。城市地下空间（UUS，Urban Underground Space）是指城市范围内地下岩层或土层中天然形成或经人工开发形成的地下空间[1,2]。

城市地下空间的开发利用能力是城市治理能力现代化程度的一个重要衡量，因为在地下空间开发利用过程中，人为力起主导作用，人类通过构建各类设施来实现利用的目的。

城市地下空间中的城市地下空间设施（UUF，Urban Underground Facilities）则指：在城市地下空间中，为满足城市中各类生产生活、外出通行、环境保护、能量能源、安全防护、防灾减灾等需求而建设的人造之物。

城市地下空间开发利用涉及研究策划、规划设计、建造、使用、维护和管理的各类活动与过程，构建信息系统是实现这些过程的重要手段，尤其在智能城市中更加深入和普遍[3]。

2015年12月中央城市工作会议上指出，智慧地下城市的建设，要求以物联网技术为基础，以云计算技术为核心，以SOA（面向服务的体系结构）技术为重点，将不同功能单元通过定义好的接口和网络联系起来，使不同用途的地下建筑在异构系统中的服务以统一的方式进行交互，达到同一系统以及多个不同子系统的更高层次的集成管理的目的。

西方发达国家在管理上发展起步较早，基本形成了从中央到地方、从专业管理到综合管理的协调统一的综合安全管理体制。其中，日本政府的地下空间管理体制和法律体系具有代表性，日本在2001年颁布了《大深度地下公共使用特别措施法》，形成了中央政府由国土资源厅牵头，地方政府由大深度使用协议会、综合利用基本规划策定委员会组成的，协调统一的地下空间管理体系。

总体来讲，信息时代带来了人类信息化地下空间设施的进程，各类地下空间信息系统的构建开始起步，尤其在大数据时代开启了以数字化、智能化为核心的智能城市建设的新阶段的背景下，利用大数据、云计算、人工智能等相关技术手段对智能城市中海量数据进行有效的采集、分析和利用，为构建及时、科学、有效的智能城市体系提供了科学化、精准化和智能化的基础。

2 智能城市地下空间信息系统

智能城市的实现基础是数字化，在城市中各类要素数字化的基础上，综合应用物联网、感知网、云计算等集感知、获取、传输、处理于一体的信息系统得以形成，然后才可以实现智能化的城市状态。智能城市地下空间信息系统的构建与智能城市中其他信息系统一样，也需要实现从标准的梳理、传感器数据采集、大数据的处理和专用平台的应用等全过程。

2.1 标准

数据标准是城市地下空间信息化的重要基础工作，需要确定数据的名称、代码、分类编码、数据类型、精度、单位、格式、元数据等内容。地下空间信息标准化代码应与其一致，通过将具有共同属性特征的地下设施归并到一起，并用数字码、字符码或者数字字符码混编形成的唯一标识。

国际工程地质学会、岩土工程与土力学学会、岩石力学与工程学会等共同成立的联合专业委员会（JTC2，Joint Technical Committee 2)提出了地球技术标记语言(GeotechML，eotechnical Markup Language)，专门致力于岩土工程数据的数字化研究，给城市工程数据的电子化表达和标准化制定了数据标准。

1992年，英国岩土及环境土工工程师协会(AGS，Association of Geotechnical and Geoenvironmental Specialists)提出一种电子数据传输文件标准AGS Format，涵盖了钻孔数据、地层数据、地质构造数据、水文数据、岩土室内试验、现场试验数据和监测数据等，被世界多国广泛采用。

1997年，美国联邦地理数据委员会(FGDC)于发布地质地图制图标准(Digital Cartographic Standard for Geologic Map Symbolization)，该标准致力于规范地质数据库的底层数据内容与图像表达。

2001年，FGDC发布地质数据模型(Geologic Data Model)，该标准描述了地质地图信息的数据格式，并提供数据可拓展性。

在地下空间人造物标准化方面，我国也开启了相关工作。

建设部（现住房和城乡建设部）2011年发布《城市地下空间开发利用管理规定》（住建部令〔2011〕9号），2016年发布《城市地下空间开发利用“十三五”规划》。

国家质检总局以及国家标准化管理委员会在2012年6月共同发布了《城市地下空间设施分类与代码》(GB/T28590—2012)，该标准认为地下空间信息标准化代码应与其一致，通过将具有共同属性特征的地下设施归并到一起，并用数字码、字符码或者数字字符码混编形成的唯一标识。该标准为城市地下空间设施数据的进行数据分类，规定了城市地下空间设施信息的分类原则、编码方法与分类代码，有助于信息数据的交换和共享服务。

从数据分类的结果来看，城市地下空间信息系统的构建中应主要考虑的数据类型有：(1)地层数据、地质构造数据、水文地质数据、地震地质数据、环境地质数据和地质资源数据等自然环境的数据；(2)居住建筑、公共服务及基础设施和工业设施、交通设施、民房设施、仓储设施、地下管线等人类制造物、制造过程中产生的数据。对于这两大类数据，都需要在标准中对其位置、类别、功能、过程等进行工程全寿命的描述，建立数据采集、储存和分析处理的基础。

2.2 传感器

根据标准的约束，在城市地下空间安装多种类型的传感器是构建智能城市地下空间物联网的开始。智能城市地下空间物联网通过各类传感器在不同位置以不同形式部署，再结合上激光扫描器、射频识别技术（如条形码、RFID）、室内室外定位系统（如GPS、Indoor GPS）等技术，实时采集城市地下空间中的各类物体或记录下起运动变化的过程，将这些不同声、光、热、电信号转化为统一存储的标准化数据，将这些物理的、化学的、生物的等类别数据，通过有线网（光纤、铜缆等）、无线网（WiFi、4G/5G网等）等网络接入，实现对城市地下空间各类实物和变化过程的智能化感知、识别和管理[4]，在此基础上构建物与物、物与人的泛在链接。

以地下建筑和地下管廊的感知设施构建为例，在智能城市中建设地下智能楼宇，需要预留视频监控、雷达、射频识别等感知设施，完成对地下建筑内部和周边环境的运行状态的智能感知。地下综合管廊需要统筹部署或预埋环境感知、状态监测、运行控制等传感器，特别是对城市中供电、燃气供应、供热、供水、排水、污水、通信、广播电视、垃圾等各类管线运行状态进行实时持续监测设备部署。

2.3 数据库

城市本身是典型的数据密集环境，城市地下空间中涉及各类管道、线缆、水泥造物、各种设备、车辆等常见之物，也更涵盖环境检测、轨道交通、居家生活、经济商务、公共安全等运行类别，海量的数据在传感器的24h不间断的检测中被生产出来。日积月累的海量数据是智能城市的运行基础，但也是处理的重担所在。可以说，数据是智能城市体系架构中的核心内涵，数据的起源（标准制定）、采集（传感器）、传输（网络）、处理（云计算等数据中心）和应用（各类平台和应用APPs）等都是围绕数据开展并设立的[5]。

经由传感器网络送来的数据会以以下几种方式存储：微软电子表格Excel、XML 格式、数据库（关系或非关系数据库类型）等，其中数据库的方式是主流。

数据库系统建立在硬盘等存储硬件、通信网络的基础设施上，将传感器采集送达的各种信息数据进行多源数据融合、分类存储，并构建了各种应用功能来管理数据，如数据检查与修复、数据入库、数据管理及分析、数据三维显示等，形成了一个数据处理体系[6]。

在这个数据处理体系中，需要研究具体感知对象或事件在地下空间中的关联关系，对地下空间中蕴含的丰富感知源进行高效发现与选择，利用不同空间感知能力的互补性进行协作增强收集，提供多模态、多粒度感知数据，建立地下空间异构数据的统一表征，在此基础上，通过对数据的局部关联性和全局一致性进行建模，构建多元数据的关联信息的结构网络，进而支撑形成地下空间下的人—事—地知识图谱。

2.4 信息系统

构建智能城市地下空间信息系统是一个复杂的系统工程，硬件支撑、数据融合、模型支撑、功能设计等都是其重要构建步骤。

信息系统系统总体架构包含有地下空间基础设施层、地下空间信息层、数据管理层、公共服务平台及相关应用层。智能城市地下空间的云服务平台，即云服务门户、云管理平台、虚拟化管理平台、运维管理平台、安全管理平台、监控管理平台。

在智能城市地下空间信息系统基础上，各种应用系统得以构建。这些应用系统也使得智能城市地下空间信息系统能够具备丰富的共享交换能力、快速的系统集成能力、可靠的信息传输能力和全面的资源管理能力等功能。

基于城市智能生命体理论构建的地下空间信息系统，以“节点—网络—流”的解构方式将城市地下空间以一个科学统一规范的方式展现出来，为系统化、数字化研究城市提供了思路和工具。每个系统都包含点、网、流等三大要素。点（Node）是系统中的关键节点设施及构筑物，网(Network)是系统中联系各个节点的网络设施，流（Flow）是系统中在节点和网络之间流动的资源要素[7]。

人工智能分析可为智能城市的审查、考评、生成、多方案比较提供创新技术手段，相比于信息化的城市，智能化的城市地下空间从网络结构转变为神经树状结构，具有以下特征：

(1)可感知：城市地下空间各系统实现全面深入的信息采集；

(2)可判断：通过城市地下空间信息系统中枢进行智能决策；

(3)可反应：建立自动反馈的智能应用，城市地下空间自我修复能力提升；

(4)可学习：城市地下空间信息系统可持续创新与深度学习。

概括来讲，基于智能城市生命体理论构建的城市地下空间信息系统能够使城市具有较为完善的感知、认知、学习、成长、创新、决策、调控能力和行为意识，使绝大多数市民都能享受到智能城市地下空间的精准服务和创新应用。

3 智能城市地下空间信息系统的应用

城市治理必须基于现有数字城市建设的信息化成果，充分利用和整合已有的各级各类城市信息资源，大力推进数据融合。围绕城市运行数据的采集、加工、提炼、分析、应用等开展的融合工作是智能城市建设的核心和关键环节。

3.1 地下空间治理的虚实融合仿真与推演

虚实融合仿真与推演服务通过突破跨计算单元/设备的分布式机器学习、异构机器学习框架混合部署与统一管理等关键技术，构建支持大规模数据训练验证的硬件平台、软件调度架构，形成可视化模型训练环境及工具集，支持AI服务模型的训练与调试；基于可迁移容器技术、可扩展集成框架等技术研究，形成模型服务的集成框架，支撑智慧城市各类行业智能应用技术研究。

…………从真实世界出发，经过数字成像，通过视频数据和传感器数据有机融合与深度协作对三维世界进行感知理解，提供时空定位、海量搜索、态势判断、密度分析、历史回溯、异常行为报警、检测识别等服务。

3.2 基于视频的地下空间中人类异常行为识别

基于视频的异常行为识别服务创新性地采用快速卷积神经网络结合上下文光流传播技术，实现视频中人的实时、动态的识别与跟踪；采用深度卷积神经网络技术提取人体的特征图和部位亲和字段，实现对人体关键部位骨点的精准定位；结合视频智能分析、可视化管控等技术能够成功实现对监控中快速奔跑、周界入侵、人群聚集、打架斗殴、挥手求救等五类个体和群体异常行为的实时预警。

4 结论与建议

当前，智能城市地下空间信息系统的建设实现从最初的简单视频监控、联网，到网络、高清、互通、相融合，再到系统平台、云服务、共享平台为核心的进化，这些都提升了城市发展规划、公共设施、公共服务、新兴业态的智能化水平[8]。

但是仍然存在很多问题，在数据标准方面，国内在岩土工程、管线数据标准、地下建(构) 筑物等方面尚未形成比较通用的电子数据标准[9]，这些给数据的统一化搜集、整理带来困难；在跨城市信息交流方面，多个智能城市地下空间的数据在互联互通、共享数据、协同处置等方面还有很长的路要走。

基于城市智能生命体理论构建的智能城市赛博物理系统(CPS)作为城市地下空间信息系统发展方向，将可以很大促进信息系统在体系化、统一化的进步。基于新型信息系统各种应用创新基础之上的智能城市治理行为的不断开展也能反过来促进相关信息系统的迭代升级。

引用

[1] GUO Chao-bin,WANG Zhi-hui,LIU Kai,et al.The Application and Research Progress of Special Underground Space[J].Geology in China,2019,46(3):482-492.

[2] 郭朝斌,王志辉,刘凯,等.特殊地下空间应用与研究现状[J].中国地质,2019,46(3):482-492.

[3] 韩传峰,邵志国,孟令鹏,等.中国城市地下空间资源治理智库建设[J].城乡建设,2017(8):49-50.

[4] 卢松耀,邱志宇,何显锦,等.大型基坑自动变形监测系统设计与应用[J].地理空间信息,2016,14(8):81-83.

[5] 李晓军,刘雨芃,汪宇.城市地下空间数据标准化现状与发展趋势[J].地下空间与工程学报,2017,13(2):287-294.

[6] 马波,赵海波.城市地下管线二三维一体化数据库设计研究[J].测绘地理信息,2017,42(3):1-6.

[7] 王洪昌,林富明,李梅,等.二三维一体化城市综合管网系统设计与实现[J].测绘与空间地理信息,2016,39(1):82-90.

[8] 奚江琳,钱七虎.中国大都市地下空间后发优势探析[C]//钱七虎院士论文选集.,2007:770-777.

[9] 周毅.城市地下空间信息数据库建设研究[J].测绘技术装备,2018(2):7-9.