基于CIM的城市扬尘治理综合管理系统设计与实现

罗绍辉，曾玄介

（1.南宁市勘测设计院集团有限公司，广西 南宁 530022）

扬尘是影响空气质量、危害居民身体健康的污染源之一[1]，建筑工地、道路、敞开的料堆、裸露地面和渣土车带泥上路等都是扬尘的主要源头。随着人们环保意识的增强，对于扬尘污染越来越关注。扬尘治理是改善城市大气环境质量，推进生态文明的迫切需要[2]。城市信息模型（CIM）是三维数字空间的城市信息综合体[3]，整合了建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）和物联网（IoT）等技术，汇聚了时空地理信息、感知监测信息、公共数据、业务数据和三维模型等海量多源异构信息，具有数据采集、分析、存储和表达等功能。CIM与城市场景应用需求相结合，可为城市规建管全过程“智慧”赋能[4]。

本文通过整合视频监控、环保在线监控以及渣土车出入实时信息等数据，对接各扬尘治理参与单位，汇聚政务审批数据、视频监控数据，采集车辆轨迹，搭建了城市扬尘治理综合管理系统；通过人工智能技术，实现了扬尘事件分析研判预警和全流程管控，为扬尘执法监管提供了技术依据和指导。

1 系统设计

1.1 系统架构设计

本文利用市级政务云计算、网络、存储、安全等基础资源，统筹考虑网络运行环境与安全，运用SOA架构[5]、移动互联等信息技术，协同业务处理、数据交换，综合信息服务进行系统设计与实施。系统总体架构由5个层面、两大保障体系、4个服务对象组成，如图1所示。基础设施层[6]包括系统的计算资源、存储资源、网络资源和安全资源。数据支撑层对接政务数据中心，负责采集系统所需的预警预报数据、案件数据、分析研判数据、采石场档案、搅拌站档案、建筑工地档案、消纳场档案以及运输车辆档案，并对数据存储体系进行统一管理，通过对接政务数据中心实现与其他政府部门、企事业单位的数据共享，通过建设数据服务总线实现城管中心内部的数据共享和交换。应用支撑层提供了统一的技术架构和运行环境，为系统建设提供通用的应用服务和集成服务，为资源整合和信息共享提供运行平台，主要由GIS和CIM、大数据平台、视频监控管理平台和开发类通用支撑软件构成。业务应用层利用大数据、视频图像分析、车辆特征识别、车辆轨迹预测、移动卡点视频监控等技术和微信公众号平台，实现预警预报、分析研判，在智能化、自动化方面进行优化，以减少人工研判的劳动成本，实现扬尘数据展示、扬尘一张图，辅助决策工作。用户层为扬尘治理相关单位、工作人员以及社会公众等服务对象提供交互服务。

图1 总体架构图

1.2 系统功能设计

本文基于CIM构建系统，采集采石场、搅拌站、建筑工地、消纳场四大扬尘污染源头的基本信息和监测数据，结合车辆定位系统、视频监控等，利用车辆轨迹，自动对运输车辆的违规行为进行报警；再结合环保、气象、重大活动等预案，利用电子围栏技术对车辆违规上路、建筑工地违规开工等行为进行预报，分析研判扬尘违规情形，实现数据自动化统计分析。具体功能设计如图2所示。

图2 系统功能模块设计

1.3 系统关键技术

大数据资源中心采用Phoenix、HBase分布式存储技术和分布式并行数据库技术[7]，存储从数据源采集到的数据，建立大数据存储资源池。

引入Kafka作为架构中枢，用于发布和订阅车辆轨迹流记录，以高容错的方式存储流记录并可对流进行实时处理。以顺序读写磁盘和零拷贝技术的方式实现高吞吐率，保证服务模块间高内聚、低耦合，使数据通道变得简单，减轻下游数据库系统的压力，提高系统扩展性[8]。

视频图像分析模块采用Yolov5目标检测算法对车辆进行智能图像识别，通过污染源头出入口和城市道路上的视频监控捕获过往车辆的图片信息，利用相似度对比算法完成车型、车牌分析，对车身未清洗、密闭不严等车辆目标特征进行判别。

2 系统功能实现

本文以CIM平台为系统底座，实现大数据资源分析展示、视频识别和业务管理等功能，打造事前预防、案前预警、案中联合执法、案后信用考评的扬尘治理“智脑”模式。

2.1 CIM平台

本文利用BIM+GIS搭建CIM平台，从城市治理的角度，整合地面建筑、工地、地上城市部件和地下管网数据等城市资产数据，实现城市资产全生命周期管理。在矢量专题图层展示、视频融合缓冲区分析、叠加分析、聚合分析、热力分析、轨迹自动纠偏、轨迹预测等GIS空间分析功能的基础上，增加了实景三维数据、精细化三维模型以及BIM数据的集成管理功能，以满足城市精细化管理的需求。通过数据接口将管理业务数据汇集到CIM平台功能板块上[9]，可在平台查看区域扬尘动态信息，以地理空间为载体提供实时动态数据服务，扩展与各部门业务系统的链接，在系统中体现为案件发生位置、预警案件位置、交警卡口车辆经过位置、建筑工地与消纳场范围和位置；实现了电子卡口、摄像头、监测仪器（车辆GPS、执法记录仪、工地扬尘监控）等物联网[10]传感器数据的接入。数据动态展示如图3所示。

图3 CIM平台数据动态展示界面

2.2 大数据资源中心

大数据资源中心是系统连接政务网的桥梁，系统通过接口自动抓取政务数据中心各部门的共享数据，同时可配置系统自身数据，提供给其他部门使用。将政务数据与自身数据聚合为4类专题数据：①车辆专题数据，聚合交警卡口过车记录、机动车道路通行证、机动车信息、搅拌车信息、搅拌车定位信息、全国道路运输平台渣土车定位信息与渣土车基本信息、车辆进出工地记录等车辆专题数据；②建筑工地专题数据，聚合工地扬尘监测数据、工地开停工状态信息、工程规划许可证、企业诚信行为得失分、质量安全监督登记记录、土地供应红线、不动产宗地确权范围线等工地专题数据；③视频专题数据，聚合污染源出入口视频数据、交警卡口视频数据、视频掉线记录、出入口视频过车抓拍记录等视频专题数据；④扬尘类违规案件数据，聚合案件全生命周期数据、违规工地评级、违规车辆评级、违规公司评级、执法队伍信息数据、可疑消纳场位置以及各类案件分析数据。用户可从管理界面查看数据资源的趋势分析，获取单位的统计分析、数据增量分析、访问量分析等，如图4所示。

图4 大数据资源中心展示界面

2.3 业务管理平台

多维应用场景可展示扬尘治理相关数据，实现精细化治理，为扬尘治理指挥调度人员部署、事件处置等提供决策依据，并与执法系统互联，实现决策指挥一体化。从非接触式执法的角度对扬尘相关事件进行处理，管理者可直观查看整个监管环节扬尘相关的分析统计资料以及案件的全生命周期，对已发生的案件进行指挥调度。

2.3.1 主动发现和监管

案件的发现是系统的重点，利用视频图像分析、CIM空间分析和电子围栏技术，根据车辆进出记录、消纳场性质等条件，自动发现工地违规开工、车辆密闭不严、车身未冲洗等建筑工地违规事件，非法黑消纳场消纳、已填满消纳场继续消纳、审批范围外消纳等消纳场违规事件以及车辆未知去向消纳场、无证车辆进入工地、车辆行驶中的撒漏、违规关闭定位等车辆违规事件。当环保监测发现AQI超标时，系统将联合城管、交警、交通、住建等部门同步开启重大预案预警功能，对需要停工的污染源和车辆进行严格监控，如图5所示。系统若判定污染源存在违规开工的情况将生成预警，并推送发现的污染源信息与车辆信息；管理者可利用系统指挥、调度人员到相应的案发现场处理扬尘违规行为。

图5 预案预警监控图

2.3.2 联合执法和高位监督

系统在获取执法人员处理的反馈信息后，进行结案确认。通过构建扬尘诚信体系，对违规源头公司、违规车辆公司进行联合惩戒，定期发布车辆、企业的违规失信行为，增加企业、个人失信的违规成本，同时对违规案件的责任部门进行考评，强化监管能力。

在扬尘治理应急指挥调度和指挥跨城区处置城管执法案件等高位指挥调度情境下，利用系统大数据平台对汇聚的扬尘治理各责任部门的相关数据进行二次综合分析，形成扬尘治理指挥决策的“智慧中枢”，推动各部门扬尘治理工作对内、对外的衔接，利用数据分析研判、预警预报等功能为行业管理和各层级执法提供管理和执法辅助。

3 结语

本文采用基于CIM的智慧城市技术架构体系构建了城市扬尘治理综合管理系统，并对系统在城市治理方面的应用展开了分析，提供了基于CIM的城市治理解决方案，为市级信息共享、标准统一、城市综合管理提供了技术保障。系统还存在一些亟需解决的问题，如对城市基础设施、地下空间、生态环境、道路交通的实时感知不全，城市运行规律深度挖掘不够等。只有很好地解决上述问题，才能实现风险与问题的早期预测预警和高效处置，使系统真正发挥作用、产生效益，成为城市综合治理的基础，提升城市综合服务水平。