基于智慧灯杆的城市数字孪生平台研究
张国良，谭方勇
(1.苏州澜普智能技术有限公司，江苏苏州，215001; 2.苏州市职业大学 计算机工程学院，江苏苏州， 215104)
随着数字化、网络化以及智能化的发展，我国智慧城市建设的步伐也正在加速，而建设虚拟服务现实、数据驱动整治、智能界定一切的数字孪生城市也将成为智慧城市建设的主要内容和未来的发展趋势。党的二十大报告也提出了要“加强城市基础设施建设，打造宜居、韧性、智慧城市”，这也说明智慧城市建设已经成为城市可持续发展的需要，同样也是信息技术发展的需要[1]。
智慧灯杆是以城市道路照明为主，将视频监控、环境监测、交通管理、广播、文化宣传以及通信基站等功能整合为一体的智能化设备，在当前的智慧城市建设与管理中起着重要的作用，还可以响应 “节能减排、低碳经济”的国家政策[2]。
本文将研究如何利用城市智慧灯杆在城市管理中的作用，通过数字孪生平台技术来构建服务于城市智慧化管理的数字孪生平台，在“虚实结合”中提升城市精细治理效能。
数字孪生平台基于实时渲染技术、三维动态数据管理技术、3D可视化技术、GIS+BIM+IOT等技术，能够实现海量三维场景的数据处理、数据展示、数据分析应用及网络发布等功能。既具有地理信息宏观地理数据的展示能力，具有虚拟现实的精致表现能力和交互能力，能够快速实现浏览器和移动端海量数据信息美观、流畅的三维可视化、场景化管理与实时交互，支撑数字孪生新型智慧城市的建设、感知与万物互联。
如图1所示为数字孪生平台的架构，其主要由数据采集、数字底板、数据存储、数据管理和智慧应用五大部分构成。平台以BIM、GIS、物联网等技术为基础，整合城市道路智慧灯杆周边场景、灯杆道路等空天地一体化多维信息模型数据和灯杆感知数据，构建贯穿智慧路灯管理、可视化高精地图管理、公共政府接口对接、物联网数据集成等智慧平台支撑，提供三维可视化表达、三维可视化渲染、数字底板数据汇聚、智慧灯杆联动管理等核心功能，提供从灯杆单体、灯杆道路场景到整体区域大场景的模拟仿真能力，支撑智慧路灯智慧应用平台的互联互通、资源共享，形成道路整体区域综合灯杆一体化智慧应用的新格局，为综合道路管理与应用提供有效的决策依据。
图1 数字孪生平台架构
2.1 多源数据融合技术
在城市智慧灯杆的实际运行过程中会产生海量的基础数据，如各类地图要素数据、监控视频数据、BIM数据、城市倾斜摄影数据、传感器数据、业务系统数据、各类数据库数据等，数字孪生平台需要充分将处在不同部门、不同行业、不同系统以及不同数据格式之间的海量数据进行汇集整合，为感知研判提供全面的数据支撑。
高效汇聚海量多源数据，结合精准高效时空索引与开放安全数据标准统一数据与服务接口，可有效解决数字孪生建设中跨行业数据的融合和展示问题，将原本孤立子系统不同类型、不同主题的业务数据进行打通，避免信息壁垒，支撑数据价值的深度挖掘和共享协同新模式[3]。
多源异构数据高效汇聚与管理技术主要实现对数据的转换、清洗、建模、组织、管理与共享交换。通过对不同数据格式和不同时空位置的多源异构数据通过构建的时空基准高效索引进行数据规范化，然后进行三维模型动态单体化分割建筑物便于标识、BIM模型轻量化，语义化CIM建模进行有效组织和管理并发布为标准服务。
2.2 空间数据技术
数字孪生平台基于GIS+BIM+IOT数据，提取影像、点云、传感器等多种数据转换至统一空间，并进行结构语义化建模，通过数据流转构建与物理世界的对应数字世界模型，涵盖空间信息、业务信息的语义数据库，通过面向服务端的时空大数据管理、全要素三维可视化平台、大数据仿真计算框架、物联网管理服务部署搭建微服务框架开放平台、API等进行客户端端的数据可视化展示、仿真及业务应用，实现物理世界数据数字化的全过程流转、整合、计算、分析及应用。
数字孪生平台基于GIS+BIM+IOT数据，提取影像、点云、传感器等多种数据转换至统一空间，如图2所示，并进行结构语义化建模，通过数据流转构建与物理世界的对应数字世界模型，涵盖空间信息、业务信息的语义数据库，通过面向服务端的时空大数据管理、全要素三维可视化平台、大数据仿真计算框架、物联网管理服务部署搭建微服务框架开放平台、API等进行客户端端的数据可视化展示、仿真及业务应用，实现物理世界数据数字化的全过程流转、整合、计算、分析及应用。
2.3 数据联动技术
结合高效的时空唯一检索ID和前端渲染框架，实现对时空流数据高效的检索、可视化展示。采用标准化的HTTP、Web和交换服务接口定义规范，数据接入和综合设备接入层支持与大型物联网云平台进行对接，并结合高可用高扩展性分布式存储框架在前端进行展示，如图2所示。
九寨情歌之所以这么有魅力，主要在于它娴熟的运用了比喻这种艺术表现手段。比喻是“嘎花”中最常见、最重要的修辞手段。在本文所举例的所有例子，几乎都包含比喻。虽然用花草树木等作比喻的很多，但九寨的人们更是经常用文学经典来比喻，用彼情喻此情，委婉又坦率。如：
图2 物联网设备实时数据接入技术
数字孪生可视化平台，能够对城市道路场景空间三维模型数据、物联网设备位置数据、智慧路灯设备位置数据、井盖监测等数据进行统一展示，综合运用CIM建模和大数据存储及展示技术，实现数字孪生，对运行和管理的各项数据指标进行实时、全面、形象、直观地展示，如图3所示。
图3 数字孪生可视化平台
3.1 数据统一管理存储
数据统一管理和存储模块，主要是通过CIM平台3D引擎，将涉及的所有系统数据进行采集，同时在数据采集过程中，对数据进行深度挖掘、分析、聚类，实现对海量、多源的各专题信息资源的管理和服务，通过开放地理信息系统协会制定的空间数据互操作的接口规范，实现异构GIS、BIM、IOT数据互操作，满足规建信息资源开放和共享的要求。通过统一的信息共享服务，将能为各个应用系统提供统一的信息共享服务，实现各类信息的统一管理和共建共享，实现各应用系统的统一集成和集中管理。
大数据存储和分析采用分布式架构，并具有低耦合和高可配性的特点，便于动态扩展，且系统易于移植，可跨操作系统、跨数据库运行，可以转移到外部云平台。
3.2 对接智慧路灯管理平台
对接智慧路灯管理平台，在数字孪生平台三维场景中，每座智慧灯杆在地图上以图标的形式显示，并以不同的颜色展现不同的状态信息，如报警、离线等。此外，还可以根据灯杆的内置控制器获取电压、电流、功率、电量等数据。
3.3 对接可视化管理平台
可视化管理平台拥有道路拥堵、失衡算法，计算道路拥堵、失衡指数，并识别拥堵、失衡道路，可计算显示道路各方向、各车道的车流数据，包括过车数、排队长队、停车延误、行程时间、时间占有率、空间占有率、停车次数等。数字孪生平台可以根据接口数据，结合三维模拟技术展示道路数据，使管理者能够直观地了解路面拥堵情况。数字孪生平台还可以结合可视化管理平台给出的优化建议，在三维地图上聚合显示对道路的安全性进行评价，可统计时间范围内道路发生的违规掉头、事故、逆向行车、冲突点、非法占道、违规变道等交通事件数量。
3.4 对接高精度雷达子系统
3.5 对接智能井盖子系统
智能井盖管理系统是基于无线物联网技术，可以在数字孪生平台中实现城市井盖和事件管理的信息化、管理。可实现对井盖资源的全面统筹，对井盖的状态精细化管理。井盖终端定时上传状态，结合地图展示井盖的位置和状态。实时监控井盖，井盖开启立即报警通知监控中心，可以在数字孪生平台中第一时间告警。
3.6 对接环境监测子系统
对接集成各类空气环境监测系统、噪声监测等环境监测子系统，基于地理信息系统，对各空气质量监测点的类型、位置分布、状态等信息进行实时监测；
运用丰富的可视化图表，对空气质量指数、空气质量变化趋势等要素进行综合可视化分析，支持目标对象详细信息查询，如大气监测点负责单位、污染物排放等信息，辅助用户全面掌握空气环境质量，为用户进行环境治理提供科学决策依据。
支持集成各类声音检测仪以及声音传感器数据，基于地理信息系统，对管辖区域内噪声环境态势进行实时监测；
运用丰富的可视化图表，对管辖区域内道路交通干线噪声达标率、功能区噪声达标率、噪声变化趋势等要素进行可视化分析，支持设立噪声阈值告警触发规则，对噪声污染进行可视化告警，辅助管理者提高防治噪声污染的能力和效率。
目前，城市的数字化转型已经进入了一个快速发展的阶段，物联网、大数据、人工智能以及数字孪生等技术对城市的智慧化建设有着举足轻重的作用，依托智慧灯杆的多场景的海量物联网数据来构建服务于智慧城市建设的数字孪生平台，可以将地图要素、业务管理、物联网感知、视频监控等多类型数据整合到一个三维可视化空间，将各领域、不同维度的数据进行结构化、标准化整合，然后进行高度融合与挖掘分析，并构建智慧管理相关的应用，辅助用户对各类监测对象做出快速、准确的判断，为数字孪生空间的建设、管理、服务、监管、决策提供可视化支撑，解决数字孪生建设中跨行业数据的融合和展示问题，即以三维时空呈现为切入点，给用户带来多维价值。
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