城市生命线的行业应用及电信运营商能力分析

［周丽莎 陆钢 黄泽龙］

1 前言

随着我国城镇化进程加快，城市风险集聚，城市公共安全问题日趋突出。城市生命线是城市安全运行的重要保障，需要向更安全、更高效、更绿色、更精细的运营管理模式演进。当前新型智慧城市的理念、顶层设计、数据资源融合及智慧应用日趋成熟，物联网、云计算、大数据等新技术高速发展，两化融合政策导向，为城市生命线系统的数字化、智能化、智慧化奠定了基础。2018年，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于推进城市安全发展的意见》[1]，对城市基础设施在规划、建设、运营过程中的安全管理，以及通过科技应用、信息化手段提升安全监管能力等提出了要求，特别提出要“深入推进城市生命线工程建设”，对城市生命线安全保障的技术和产品研发要求进行了规定。

2 城市生命线主要特征及面临问题

城市生命线工程是指维持城市功能必不可少的公共服务支持体系，是保证城市生活正常运转的重要基础设施，主要包括：道路、桥梁、给水、排水、电力、输气、供热、通信等子系统。城市生命线是对国计民生有重大影响的“城市大动脉”，强调系统化的安全管理和可持续发展，城市生命线系统完好率是衡量一个城市社会发展、城市基础建设水平及生态安全的重要指标。[2]

城市生命线工程主要具备以下特征：

（1）公共性：提供城市公共基础服务，管理模式以政府管理为主、人民参与为辅；

（2）机能性：由若干专业环节组成，每个不同专业领域具有独有的作用与能力；

（3）系统性：多以网络系统的形式存在，包含多类别、多权属、布局复杂的综合系统和多种多样的结构类型，分布地域广泛、环境复杂；

（4）关联性：每个专业领域相互关联、相互耦合，容易产生连锁效应和衍生灾害。

我国公共基础设施体量大，桥梁、隧道数量/轨道交通运营里程等均为世界首位。随着城市的快速发展，各类问题日益突出[3]，主要包括：

（1）桥梁、地铁等安全事故频发，致灾因子多样，外因包括自然灾害、人为破坏、超负荷运行等，内因包括结构设计不合理、使用变形等，一旦出现问题，带来的次生灾害严重。

（2）现代城市基础设施多数处于超负荷状态,老化现象日益突出、分布环境复杂、承载力下降，安全事故隐患排查困难。

（3）城市生命线涉及专业领域众多，数据和服务遍及城市各个层级和不同方向的组织或实体，跨域信息共享与处置联动困难。

（4）整体信息化建设水平落后，安全事故预测预警和快速处置难，智能分析、辅助决策水平亟待提高。

3 重点行业智慧化需求及解决方案

以下针对城市生命线重点行业——城市桥梁、综合管廊的智慧化应用进行分析。

3.1 智慧桥梁

智慧桥梁以桥梁健康为重点监测对象，基于智能传感、云计算、人工智能等技术，实现对在役桥梁的实时动态监测。智慧桥梁的业务架构如图1所示，核心应用需求包括：（1）结构响应数据监测：监测并记录桥梁结构的各项指标（动力特性、物理参数、变形、应力/应变等）；（2）环境荷载数据监测：对桥址处环境的监测（温度、风速、交通荷载等）；（3）损伤识别、事故预警：发现和识别各类损伤、事故，并做出应急预警。

图1 智慧桥梁业务架构

智慧桥梁为桥梁的安全运营、日常养护、风险预警、事故原因分析等提供依据，可分别面向政府管理部门、科研机构、检测中心、设计单位、施工管理单位和业主管理单位等用户提供监测结果、预警信息，达到保障和延长桥梁使用寿命、预防坍塌事故的目的。

3.2 智慧管廊

智慧管廊集成物联传感、空间信息（GIS）、建筑信息模型（BIM）、物联网、云计算、大数据、人工智能、知识管理等技术，对综合管廊的相关信息进行统一采集、统一处理和分析。核心应用需求包括：（1）智能感知监控：物联网与BIM技术结合，构建综合管廊三维数字模型，对地下管廊空间及附属设施、管线本体及管线设备、入廊人员等状态信息数据进行共享整合、智能分析和处理控制，实现动态监测、健康诊断、安全评估、辅助决策、应急调度等功能。（2）智慧运营运维：实现日常运营管理智能化，包括值班排班、资产/档案/设备管理、智能巡检等。如图2所示。

通过数据共享和业务协同，可实现管廊规划、设计、建设、运营和维护等全方位的智慧化管理与运营，有助于提高管廊运维管理效率，保障管廊安全，为城市正常运转提供支持，可面向管廊运营管理企业、入廊管线权属单位、行政监管部门、应急部门等用户及社会公众提供专项服务。

图2 智慧管廊业务架构

4 能力需求评估及电信运营商进入建议

4.1 对城市生命线智慧化的理解及能力需求评估

结合智慧桥梁、智慧管廊分析，城市生命线智慧化可理解为：以城市公共安全科技为支撑，融合物联网、云计算、大数据、GIS/BIM等现代信息技术，面向城市生命线工程的全生命周期，构建全面感知、泛在接入、数据共享、协同运作的动态运营管理信息化体系，透彻感知城市生命线运行状况，智能分析城市生命线各子要素风险及相互耦合关系，实现风险及时预警和高效应对，实现智能化响应和智慧化决策支持，创新城市管理和服务模式。城市生命线智慧化并不一定要建设新的信息系统，而是通过引入新一代信息技术，结合行业的业务特点与关键场景，对既有业务进行智慧化赋能，最终实现城市生命线各类业务质量与管理能力提升。

从新一代信息技术赋能的角度，可将智慧城市生命线的能力需求划分为基础共性能力、行业个性能力、5G网络能力三类，并将行业及主要场景与所涉及的具体能力进行对应如表1所示：

表1 智慧城市生命能力需求评估表

从上述评估可以看出，城市生命线的能力需求与运营商的核心优势能力，包括基础设施能力和关键业务能力较为匹配，物联网、大数据、云计算、超高精视频、高精度定位、5G网络能力等都具备较好的基础，能够满足相关行业客户的大部分应用需求；在面向城市生命线的人工智能、无人机/机器人、AR/VR、BIM/GIS能力等方面需要开展研究跟进，并与行业解决方案提供商开展广泛合作。

图3 电信运营商智慧城市生命线能力体系

4.2 电信运营商能力体系、市场定位及进入建议

参照新型智慧城市顶层设计[7]，从电信运营商参与的角度构建如图3所示的城市生命线智慧化能力体系，包括基础设施、支撑能力和应用汇聚三个横向层和统一标准规范、统一信息安全两个纵向层。

基础设施层覆盖全面感知设施、网络接入设施和智能计算设施，用于搭建低功耗、广覆盖、多维立体化的智能感知与泛在接入网，解决城市基础设施大规模联网部署所面临的瓶颈，提供智能计算能力；支撑能力层构建智慧城市生命线的能力中台，汇聚展现城市基础设施状态与运行数据，实现精准映射、虚实互动，并提供多样化的共性新技术能力，为上层应用赋能；应用汇聚层包括共性基础应用服务、专项解决方案两部分，通过组合可面向各个行业提供针对性的解决方案。

在整个能力体系当中，基础设施层的移动物联、高精度定位、云服务，以及支撑能力层的大数据分析、云网融合、边缘计算等属于电信运营商优势能力，可重点发展；由建筑信息模型BIM、地理信息模型GIS融合演进而来的城市信息模型CIM、数字孪生技术正成为智慧城市领域的关注焦点，需要紧密跟踪其发展态势，做好技术储备与合作拓展。

城市生命线在智慧城市领域的政策要求明确、应用需求迫切、市场空间广阔。建议电信运营商从客户核心需求及自身优势能力出发，在整个服务体系中重点定位于基础设施建设、共性支撑能力保障、5G创新应用提供，并从以下几方面开展相关工作：

（1）发挥云网融合优势：以多样化、一站式的云网融合产品应对行业客户个性化需求，为客户提供按需、效率、弹性、安全、低成本的云网一体化基础设施和智能服务，并为人工智能、大数据等能力开放和应用创新奠定基础。

（2）5G＋物联创新应用探索：发挥5G优势，创新5G+4K高清视频，5G+AR/VR虚拟仿真，5G+AI视觉识别、知识图谱等应用。如智能巡检，利用5G的大带宽和低时延能力，将传感设备（固定安装或安装于无人机／机器人的摄像头、巡检人员佩戴的AR眼镜或其它传感设备）感知的环境或目标物信息，传送到云或边缘计算平台，并利用人工智能以及大数据能力，识别环境或目标物，进行环境监测、故障定位等。

（3）研发通用型智能连接方案，充实个性化行业解决方案库：全生命周期的安全监测是城市生命线运营管理的基本需求，通过总结分析覆盖城市生命线安全监测需求的共性特征，并细化综合管廊、地下管线、城市桥梁、道路、轨道交通、大型场馆等不同场景的运营服务需求差异，结合电信运营商智能物联、云网融合、边缘计算等能力，形成标准化安全监测+个性化运营管理的智能连接解决方案；

（4）城市生命线数据建模研究：运用电信运营商大数据分析能力，通过对城市生命线多源异构数据的动态采集交换、共享融合和分析治理，结合对建筑信息模型(BIM)、城市信息模型（CIM）的研究应用，构造丰富多样的城市生命线三维数据模型；

（5）与智慧城市大体系融合：将智慧城市生命线业务纳入新型智慧城市综合应用体系，同时充分考虑如何和数字政府协同，并开展相应的商业模式研究及生态体系建设。

5 结束语

城市生命线的智慧化解决方案当前仍处于探索阶段，电信运营商应积极响应国家政策要求及市场环境需求，结合自身优势能力对更多专业化场景开展解决方案研究，探索商业模式、生态合作创新；并从相对封闭的行业或专业领域，向全局统筹的新型智慧城市数据融合、业务融合、连接融合、场景融合等方向演进，满足未来新型智慧城市地上地下一体化、建管运一体化、城市生命线空间信息二三维一体化等要求。