一种智慧城市数字底座研发.pdf

-117-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期四星推荐“十四五”大数据产业发展规划出台以来，我国正在加快培育数据要素市场，促进数据要素价值释放，很多城市已经开展积极探索。数据要素的价值包含两个方面：（1）在数字经济时代，数据流动可以生成动力并带来价值，驱动技术流、人才流、资金流；（2）通过挖掘数据提炼价值，进行多维度、多领域数据融合分析，支撑精准决策。建设“城市数字底座”是实现城市高质量发展的内在要求，是完成城市治理体系和治理能力现代化的重要措施。坚持以“创新、协调、开放、共享、共治”新发展理念为指引，紧密围绕“强政、兴业、惠企、利民”的总目标，以优化政府管理、政务服务为重点，以数据共融、共享、共治为驱动，以新型信息技术为手段，以城市数字底座全面支撑公共服务、公共安全、智慧产业、城市治理等多个智慧场景建设。项目技术背景本文研究项目案例中以搭建城市数字底座骨架为主，接入基础地理数据、城市手工建模、物联网监测等数据，并依次建立各自的数据库，结合数字孪生引擎、物联网平台及技术支撑平台，初期开展智慧社区、应急管理和其他场景等相关应用的建设，优化完善数据资源采集、治理、存储、分析、计算、使用、赋能等环节的机制。打造以“数据融合”“流程贯穿”为核心的城市运行综合管理体系，助推城市治理体系向“服务”“应用”转型。实现全时空要素立体感知、全流程数据安全共享、全智慧场景业务支撑、全过程态势感知。以数字底座为支撑，打造多个智慧场景，为相关城市建设提供底座支撑城市数字底座建设现状2022 年，国务院印发关于加强数字政府建设的指导意见，要求政府全方位数字化转型，而不仅是某些业务领域的数字化应用，故需要塑造政府新形态。目前，我国智慧城市已开始进入规模化推广阶段，数字孪生作为智慧城市新起点，提供智慧城市基础能力。但现阶段智慧城市建设仍存在部分问题：（1）缺乏数字底座顶层设计，在智慧场景建设过程中数据及平台重复建设、重复投资，并且技术和经验无法沉淀复用；（2）缺乏数据融通整合能力，缺乏统一的数据平台，跨层级、跨地域、跨系统、跨部门的数据资源融通成效差；（3）缺乏智慧感知治理能力，GIS 开发技术门槛高，行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种智慧城市数字底座研发顾登生顾登生上海杰狮信息技术有限公司中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-118-四星推荐数据质量、丰度、可利用性不足。城市数字底座研发及应用城市数字底座定位城市的数字化转型纷繁复杂，并无单一技术可独立支撑城市数字化，一定是多种技术的组合。城市数字底座是“平台+数据+行业数据模型+生态”的综合体；其中，平台是基础、数据为燃料、数字技术是发动机；行业数据模型为精髓；生态为支持。以 5G、云计算、大数据、区块链、人工智能、GIS 等技术手段，将海量数据集聚，通过数据管理和服务支撑，形成规范统一、安全可控、供需清晰的高品质数据资产，为各智慧化应用场景提供数据采集、数据治理、数据安全、数据运营、数据展现、数据分析、数据计算、数据挖掘等一系列的相关管理与服务，推动数据的“聚集、融通、应用”。城市数字底座平台架构利用大数据平台、物联网平台、数字孪生平台、区块链平台等技术平台夯实城市数字底座基础服务能力；以数据赋能中心、技术赋能中心两个中心持续建设完善数字底座，优化完善数据资源采集、治理、存储、分析、计算、使用、赋能等环节的机制；通过运营赋能中心综合监控数字底座运行情况，提升数据共享服务质量，加强数据赋能开放，实现全时空要素立体感知、全流程数据安全共享、全智慧场景业务支撑、全过程态势感知。城市数字底座架构见图 1。城市数字底座核心内容立足“十四五”规划，站位城市发展新阶段，融入城市发展新格局，建设“城市瞭望塔”，形成拥有自主知识产权和成熟的城市数字底座软件产品，以适应和满足产业升级背景下信息化、智能化、移动化发展对城市数据字底座的广阔市场需求，提升城市数据资产运营领域核心竞争力。标准规范体系在智慧城市标准规范系统下，建设与成果相关数据库、城市数字底座平台运行、平台管理等相关的标准规范体系与应用规范，积极探索城市数字底座建设机制与运维模式，以确保城市数字底座的高效可持续发展。三大核心赋能中心建设数据赋能中心、技术赋能中心、运营赋能中心三大核心赋能中心，构建数字底座。基于三大核心赋能中心提供数据服务、通用技术组件、业务组件、快速开发工具等核心能力。（1）数据赋能中心。构建统一通用的数据能力基座，实现“采、存、通、用、治、服”的一站式数据运营服务能力。平台将有效汇聚城市多维数据，统一数据标准规范，打造分层数据体系，深挖数据资源价值，对跨部门数据进行多维关联分析，让数据在“安全可控、可信认证”体系下高速流转，探索规范的数据市场化流通，以数据服务的形式支撑各领域应用系统及“城市大脑”等创新场景建设，实现“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”。（2）技术赋能中心。在城市数字底座数据库成果基础上，建设集数字孪生平台、消息中心、算法模型、知识图谱等为一体的技术赋能中心，并对外共享开放，满足创新应用场景或各垂直领域行业应用对于物联感知系统接入管理服务、三维数字孪生、应用开发组件服务等共性技术需求。实现生态环境、城市交通、农业生产、城市管理、城市安全、森林防火、水资源监测等领域物联感知系统的统一接入、管理及数据服务；面向政法、城管、应急、交通、市场监管、人社、政务服务等部门提供视频智能分析、舆情分析、智能推荐、自动分拨、知识图谱等 AI 算法服务能力；为智慧化应用提供统一认证、业务定制、集成开放等组件服务，实现系统快速迭代开发。（3）运营赋能中心。构建面向城市运行监测预警、分析研判、事件协同、指挥调度、考核评价等能力基座，打造支撑跨部门不同应用场景的能力中心。为城市治理闭环应用体系提供平台级服务，促进跨部门的业务打通，实现横向和纵向的业务联动。数据治理运营服务提供数据全生命周期治理及运营，包括数据集成服务、标准建设及建模服务、融合库建设、基础库优化、专题库建设，元数据标准管理服务、数据质量稽核服务、数据质量管理服务、数据质量监测服务、开放数据服务、数据分析服务、知识图谱建设及持续运营。研发难点及创新技术多源物联感知设备数据集成与管理物联感知设备管理现状随着社会进步和经济发展，大量传统市政及公共服务设施设备升级成为智能设备并连接入网，进而也产生了一系列图 1 城市数字底座架构图图 2 数据赋能中心架构图-119-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024中国科技信息 2024 年第 10 期四星推荐管理难题。（1）通信协议类型繁多、数据接入难。智慧城市物联感知设备、应用场景众多，数据模型、接口规范、网络协议等在不同场景下标准可能不同，感知设备管理过程中难以互联互通，因此形成信息孤岛，降低通信效率。设备数据统一接入，进而进行设备联动、远程设备管理，仍是大部分设备厂商的技术壁垒。（2）设备精细化运维管理难。对于智慧城市管理而言，包含诸多应用场景，物联感知设备的主体较多，而如此多主体的相关设备状态无法做到实时监管。由于多种设备且厂商不同，无法实现统一的自设备注册、更新、运维、报废等全过程管理，导致无法做到设备管理精细化。（3）数据分散存储安全保障难。随着物联网在燃气、水务、电力、交通、物流、工业物联网、移动支付等智慧城市领域的普及，不同类型的设备和数据数量均在快速增长，包括传统的网络安全问题、计算系统的安全问题和设备感知过程中的特殊安全问题等，因此物联感知数据管理面临的安全挑战日趋严峻。创新技术：地理空间信息智能感知与实时处理技术基于物联感知智能设备统一管理和监测亟待解决难题，从数据采集、数据分发、监测预警、数据挖掘与设备管理的角度出发，进行地理空间信息智能感知与实时处理技术创新研究，并与地理信息系统相结合，感知设备内部状态和设备所处的外部环境，实现城市的动态监测和预警，将多模态感知信息综合，转化为信息聚合，以便深层次数据挖掘。地理空间信息智能感知与实时处理技术具有以下特点：（1）高性能，海量连接。支持十万级以上的设备并发连接，百万级以上的设备水平扩展，支持 TCP/IP、UDP、ModBus、OPC UA、MQTT、CoAP、LwM2M、HTTPS 等多种通信协议。（2）高可用，安全可靠。提供看门狗服务，对关键进程实时监控，发生故障及时报警处置。高可用实例支持双副本容灾，故障时可快速切换。（3）实时感知数据的高效存储和查询。时空型数据库基于高效的 Elasticsearch 分布式搜索引擎封装而成，原生具有分布式多节点部署和存储，与传统的关系型数据库相比，存储和查询效率都极大提高，实现了实时大数据的高效存储，将实时历史数据都予以保留，充分发挥历史数据的巨大价值。数据查询也远超关系型数据库，如对存储在时空型数据库中 2 800 多万条记录进行属性、时间和空间三个字段联合查询时，仅花 83ms 即可获得 60 条查询结果，而这个数据量级在传统的关系型数据库中进行同样查询可能需要数小时。（4）实时感知数据，丰富的可视化效果。提供多种方式的实时数据可视化方式，其中最主要的是流服务输出连接器提供的要素显示与时空大数据存储输出连接器的实时动态聚合的显示效果。对于流服务输出的实时要素可以在二维或三维场景中以具体要素方式进行显示，可以给要素配置各种专业和形象的二维和三维符号以增强逼真的展示效果。城市数字底座大数据管理服务能力智慧城市大数据存储管理现状底座需要高效地储存管理海量的、具有多元异构性的城市大数据，城市大数据的实时性、大容量、多元异构性、高并发访问及用户需求各异的特点，导致单一的数据存储方案无法满足智慧城市使用需求。传统的地理空间大数据管理方法是基于网络的集中式存储方式，如 DAS、NAS、SAN。虽然集中式的数据管理具有较高的数据一致性，但对于地理空间数据几何级增长的场景，集中存储在扩展性、可靠性和成本上存在不足。创新技术：基于分布式并行计算的高性能数据存储及分析技术基于城市大数据管理问题，结合各种存储框架特点设计一种混合存储管理模式，建立一个多层次的地理时空大数据存储管理框架。时空大数据存储可安装多台计算机，每个时空大数据存储均称为时空大数据节点，每个节点无主次之分，为对等备份。时空大数据存储集群里会将每份数据保存在至少两个节点之上，在保证效率的同时，也保证了数据安全性，当一个存储节点出现故障时，不会影响系统整体运行，保障了业务连续性。底座可通过纵向增加计算资源和横向增加计算节点两种方式来提升平台整体运行能力。当一个复杂的分析任务需要运行时，单个节点计算能力有限，数字底座对任务进行拆分，多节点、多任务并行处理，最后汇总各任务的计算结果并统一输出。横向增加大数据分析节点后，通过后台管理界面中的配置目录进行参数配置，修改每个分析请求任务可使用的最大 CPU 核数和内存资源。为了保证集群稳定性和系统调度性能，最大 CPU 核数和最大使用内存数设置低于系统总资源的 80%，极大地提升分析效率。城市数字底座应用城市数字底座作为城市规划、建设、管理、运行工作的基础性操作平台，基于城市数字底座已有的数据能力、技术图 3 地理空间信息智能感知与实时处理技术流程图中国科技信息 2024 年第 10 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION May.2024-120-四星推荐支撑能力，在智慧城市公共服务、公共安全、智慧产业、城市治理等多个方面均可打造基于需求的智慧化应用场景。智慧应急面向各级应急管理机构，针对应急管理难题，基于城市数字底座的三大赋能中心的数据及技术支撑能力，建设城市智慧应急场景，在灾害发生前、发展中、发生后提供信息监测分析、现场指挥调度、灾后复盘等能力，提高灾害的发现能力，降低灾害事故影响程度，推动城市应急管理的数字化、智能化、智慧化能力提升。智慧园区基于城市数字底座，借助云计算、GIS、数字孪生引擎、虚拟现实等技术，构建 L3 级社区全景仿真可视化底板，1：1 高精度还原社区内的建筑、道路、管网、景观、地形地貌、图 4 城市数字底座赋能智慧应急场景图 5 智慧园区管理界面图绿化、植被、河流湖泊、公园等各种基础要素，融合接入城市管理、社会治安、消防安全、环境保护、交通管理等基础设施设备智能感知数据。基于数字孪生引擎的渲染能力，实现真实的社区环境和数字社区的场景映射，真实还原一个镜像的数字社区，实现社区治理和居民服务智能化和精细化管理。结语通过“城市数字底座”的建设实施，实现数据共生、共享、共创、共治的模式，营造互信、包容和开放的数字生态环境，使得大到城市级、小到产品级的数据应用均能获得可靠的服务、独立与安全的业务数据和基础数据服务。实现赋能智慧城市发展，构建大数据产业生态体系，从而推动数字经济上下游企业发展，释放数据要素的社会经济价值。综合价值如下。（1）平台价值。通过建设数据采集、数据管理、数据治理、数据开发、数据共享与发布等一系列支撑城市数字底座运转的平台体系，实现数据从接入、存储、治理、分析等全过程管理，是维持整个城市数字底座运行的软件基础。（2）数据价值。相当于一份原始数据，通过两层加工衍生出三层数据价值（企业数据三层价值：数据可视化、数据可分析、数据可变现）分别存储在数据湖、数据仓、数据集市中，可满足智慧城市应用场景对各级数据的个性化需求。（3）模型价值。底座包括数据模型、行业模型、算法模型和各类工具等，模型的复用与共享将会进一步放大城市数字底座的功能与作用。（4）生态价值。即城市数字底座的核心价值。依托城市数字底座的海量数据，存储、算法与支撑，生态圈的伙伴可在此基础上开发基于各自需求的智慧场景；与此同时，还可以向平台提供自己的数据、模型、服务与应用，挖掘更多的能力和价值，从而形成共生、共享、共创、共治的大数据生态产业链。