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物联网在城市精细化管理中的应用


作者:杜明义 刘扬 来源:测绘科学 2017-07-18 16:47:48
摘要:针对目前“数字城市”向“智慧城市”迈进中物联网技术蓬勃发展,而原有数字化城市管理的方法和技术手段在许多方面都有待进一步完善的现状,该文探索利用物联网等高新科技手段,以全新的管理理念和管理模式来提升城市精细化管理水平。该文重点论述了如何综合运用物联网智能感知、无线传输、数据挖掘等技术,在车载感知定位技术及应用、城市安全传感器应用、水雨雪情实时监测及防汛应急、交通运行多源监测数据分析以及基于二维码的公众参与式城市管理等的典型应用实例。这些典型应用有效地解决城市运行管理中的实际问题,满足了物联网理念在城市管理中的拓展以及管理方式继续深入的需要,提升了城市运行管理的科学化、智能化水平。

  城市是一部结构复杂、部件繁多、性能精密的庞大机器,又是一个血肉相连、密不可分、互相依存、互相制约、不断变化的有机整体。城市管理为现代城市运转提供动力、为城市持续发展提供保障、为建设和谐社会提供支撑。随着城市化进程的逐步加快,城市规模与内涵的不断扩大,城市管理问题日益突出,对于城市管理精细化的要求越来越高。

  现代城市管理工作的复杂性,要求必须充分运用最新科技手段,对城市运行状况进行实时监测、态势识别、问题诊断、综合评估和决策支持;通过对各类城市管理相关信息的采集和分析,进一步完善城市运行的数据标准、信息规范、特征识别、预警预报等内容,为城市运行的指挥、控制和沟通工作提供依据。

  物联网作为继计算机、互联网之后,世界信息化发展的第三次浪潮,已成为国家科技发展战略的重要组成部分,是未来战略性新兴产业的主导力量之一。利用物联网等信息技术手段开展城市管理精细化、智能化典型应用,以先进的管理理念和管理模式提升城市管理和服务水平以跟上快速增长的城市化,引导、推动我国新型城镇化建设,已成为城市管理者的当务之急。

  1 当前数字化城市管理的局限

  当前我国发达地区如无锡、北京也已相继拉开建设“智慧城市”城市管理的帷幕,但大多数城市目前仍然处于“数字城市”城市管理的建设阶段。据统计,截至2016年6月底,已经通过住建部验收的数字化城管试点城市45个;数字化城管已覆盖了除港澳台以外的省、市、自治区首府。其中江苏、浙江、河北、北京、上海、天津、重庆等12个省市已实现地级城市全覆盖;有257个地级以上城市建成了数字化城管系统,覆盖了全国137个县级市、805个行政区和306个县。

  当前的“万米网格”数字城管模式不仅大大提高了城市管理工作效率、节能降耗,还提升了市民对城市管理的满意率,具有重大的经济效益和社会效益。但随着数字化城市管理工作的逐渐深入,一些突出的问题也逐渐显现。

  1)有效信息缺失。目前的数字化城市管理系统通常利用GIS技术并采用“电子地图+符号”的管理模式,只有基本的平面位置符号和少数属性信息;而随着城市管理工作的深入,对可视化管理内容需求逐渐增加,如交通标志的大小,道路指示牌的方向,垃圾箱的外观,邮筒的颜色,等等,这些信息在电子地图上根本无法表达出来,严重制约了数字化城市管理的深入。

  2)数据缺乏鲜活性。随着数字化管理系统实用性要求逐渐提高,对管理对象的监测数据更新速度的需求也越来越快。但相对于数量以几何级增长城市管理对象,在监测数据的采集方式、精度、数据应用方面采用技术还有待进一步完善;监测数据获取频率低、数据缺乏“鲜活性”,已经不能满足管理系统对于监测信息更新的要求,成为其发展的瓶颈。

  3)人工监管效率低。当前的数字化城市管理中,城管监督员是发现问题的主要来源;但因时间和巡查路线固定导致很多时候城管问题发现不及时,这种被动的人工监管方式使得数字化城管的效果大打折扣。最终的结果是尽管管理者尽心费力地进行各种巡查和监管,但由于缺少自动化、智能化的技术支持,固定的监管人员数量相对庞大且日益增长的监管对象来说,往往显得力不从心。

  4)公众参与难以体现。城市管理的好坏最终体现于市民的满意程度,要让人民群众的声音成为决策的依据,达到“城市管理为人民,人民满意得实惠”的目标。而且,随着新型城市化进程的推进,城市管理思路正在由过去城管部门的单边模式转为群众参与和城管管理并进的双边管理模式。但是,当前数字化城市管理仍然没有改变“少数人管理多数人”的局面,一定程度上造成了城市管理的被动局面。

  2 物联网在城市管理中的积极作用

  物联网(internet of things)是新一代信息技术的重要组成部分,被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。物联网的概念最早是于1999年提出来的,当时的定义是:把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理。物联网最初被定位为一种将各类传感器和现有的互联网相互衔接的技术,也被称为传感网。

  目前对物联网的理解是:将各种信息传感设备,如感应式传感终端RFID(射频识别)装置、生物传感器、速度传感器、液位传感器、温度传感器、气敏传感器、位置传感器、光敏传感器等,卫星定位导航系统(“GPS” “北斗”),信息识别扫描设备等与互联网结合起来,组成一个巨大的网络。通过这个网络,可以将所有的物理设备在无人工干预的情况下实现协同和互动,方便识别、管理、控制,从而提供智能和集约服务。

  因为物联网技术具有全面感知、可靠传递、智能处理的特点,这将使得城市管理变得更加精细化、智能化和简单化。西方一些发达国家在2005年以后逐渐开始重视物联网的应用,特别是在公共管理方面的应用。IBM提出智慧地球的理念,其本质是把各种传感器嵌入到国家电网、铁路、桥梁、公路、隧道、供水管网、油气管道、堤坝以及建筑中,试图通过智慧的连接构建基础设施的物联网。美国2011年出于安全的考虑,提出基于物联网的国家基础设施保护计划(NPI),目的是利用物联网技术保护基础设施不受恐怖袭击,同时防止大电厂停电、大坝崩溃等突发事件带来的负面影响。而欧盟提出的综合性战略规划(2010)中,在城市管理与服务应用物联网技术同样占有重要的地位。

  物联网在中国受到了全社会极大的关注,其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。早在2010年,物联网就被正式列为国家七大新兴战略性产业之一,写入“政府工作报告”;国家“十三五”规划中也提取“积极推进云计算和物联网发展。鼓励互联网骨干企业开放平台资源,加强行业云服务平台建设,支持行业信息系统向云平台迁移。推进物联网感知设施规划布局,发展物联网开环应用”。

  物联网的兴起及其应用的广泛性必然会对未来城市管理和服务产生深远的影响。例如,城市安全运行动态监控、风险管理、突发事件预测预警、科学应对和应急处理已成为政府公共管理的要务之一,而拥有科学、准确、实时有效的信息是建立公共安全日常管理和应急处置机制的关键。“物联网”技术的发展为政府城市运行管理工作的信息处理提供了有效途径。通过建设基于物联网的城市运行监测平台,实现自动和人工相结合的新型监管模式,可以有效提高政府保障公共安全和处理突发事件的能力,最大程度地预防和减少损害,保障公众的生命财产安全,维护国家安全和社会稳定,促进社会经济全面、协调、可持续的发展。

  物联网与城市管理的结合也越来越紧密,目前已有物联网技术在城市管理、环境监测、物流信息化、智能交通及公共安全等诸多领域的应用解决方案,并在城市的各个方面积极开展了应用示范工作。我国的北京、无锡、上海、杭州、重庆、广州、西安等城市也正在积极开展相关物联网技术在城市管理中的应用研究,以提高城市管理的效率和科技水平。

  3 物联网助力城市管理精细化典型实例

  3.1 车载感知定位技术及应用

  因为利益驱使,城市中的早餐车、报刊亭常常擅移位置占道经营,沿街广告牌匾也频频私自随意设置或更换,这些不仅容易造成安全隐患而且影响市容环境。但其需要监管的庞大数量和固定的管理人员的矛盾在当前的数字化城市管理中仍然广泛存在,一直是令管理者比较头痛的问题。

  针对可移位对象(早餐车、报刊亭等)及频繁更换对象(街道两侧商铺的广告、牌匾等)的有效监管,可充分利用物联网核心技术——射频识别 (radio frequency identification, RFID)标签定位技术,将合法、合规的监管对象安装可识别的电子标签;并在GPS、RFID基站、全景相机等设备集监管功能的基础上建立车载监测执法系统,实现对监管对象的车载巡视、自动感知、实时定位和快速排查取证,提高管理的效率和智能化水平。

  3.2 城市安全传感器应用

  3.2.1 室外人员密集场所人流量监测

  随着人民生活水平的不断提高,城市公园、庙会或著名的旅游景点等区域在特殊时间段内(如节假日或举行某些活动期间)经常会出现人群的“井喷”现象,这也使得人群聚集风险进一步提升,安全隐患增多,人群安全管理难度也随之增加。传统的管理主要采用大量人力现场监控的方式,但也仅能起到报警处置的作用,缺少对人群聚集风险的预测预警。

  针对室外人员密集场所的人流量实时监测,目前一般采用以下3种方式:票据电子计数、手机信号扫描、监控图像识别。因为对于开放区域的人流量监测,票据电子计数并不适用,故本文只论述后两种方式。

  1)手机信号扫描。该方法利用监测区域附近的移动运营商的手机通讯基站扫描其范围内的手机终端, 在手机终端登录到基站时根据登录信息确认手机终端存在并相应地统计其数量;一个基站覆盖的范围可以看作是一个圆, 多基站组合起来就相对可以大致确定手机终端的位置。利用其监测数据可对监测区域范围内不同时间段人流量持续变化情况进行统计分析,如果数据样本量足够,就可以进行预测预警。

  2)监控图像识别。该方法是在监测区域所有出入口安装监控探头(一般进出2个方向均需要安装,并覆盖全部出入口);然后对监控探头采集到的人流量视频图像,运用运动对象监测跟踪的图像序列处理技术或人脸识别检测技术对探头范围内的人流对象进行自动识别监测;最后将所有出入口人流进出情况进行统计汇总就得到了整个区域的整体监测结果。摄像头识别方式的优点是测算人流量相对准确,汇总后的人流量数据可以分析双向人流量和双向人行速度。

  3.2.2大型户外广告倾倒监测

  在城市中,繁华区域的主要道路上的街边或是建筑物上,往往矗立着甚是“醒目”的、形态各异的大型户外广告。但是,当出现大风、骤雨等极端天气时,这些大型户外广告则有可能发生倾倒,成为城市管理中的安全隐患。例如,2015年4月,北京玉渊潭公园西门口的大型广告牌被大风吹倒,正逢公园的樱花节,位于公园门口的广告牌下聚集了众多拍照的游人。广告牌突然倒下时,7名游客躲避不及,被砸伤或擦伤。为避免此类情况再次出现,可利用倾角传感监测技术加以解决。通过在大型户外广告顶部安装倾角监测传感器,对其倾斜程度进行实时监测;监测数据通过无线通讯网络传输到监测预警系统,当倾斜超越规定倾斜度或遇到外力被撞倾斜后,立即发送预警消息通知控制中心及相应人员,将事故风险及应急处置降至最低。

  3.3 水雨雪情实时监测及防汛应急

  3.3.1 基于自主监测网络的水雨雪情实时监测

  近年来,灾害性极端天气的频繁出现,我国城市内涝问题日益突出,城市防汛工作也逐渐成为城市管理的一项重要任务。因为一旦出现主要道路被淹没等事件,不止机动车事故会大为增加,而且可能会造成交通中断,从而导致大面积的交通瘫痪,严重影响城市运行管理。特别是城市中心因为历史原因,往往房屋老旧,受到相同降水影响较大;同时,中心区域热岛效应一般较强,相对周边区内降雨强度常常会更高。当前采用气象局降雨数据作为防汛主要参考数据(如北京市气象局在西城区有5个监测点),但这样的宏观精度对于精细化城市管理显然是无法满足城市防汛监测工作的精细化需要[17]。针对此种情况,利用传感器技术建立自主的水雨雪情监测网络(监测点密度可根据需求调整设置,监测的针对性、准确性大大提高),并通过无线网络实时传输监测数据;在此基础上建立起城市防汛监测与预警平台,实现实时降雨、降雪、积水信息的浏览,历史监测信息查询统计,在雨量达到一定级别(如中雨以上)时,结合气象部门的降雨量预报信息,通过短信平台自动向相关人员发送雨情预警信息;为城市防汛及应急工作提供及时可靠的降雨量信息支持。

  3.3.2 应用监测大数据支持防汛应急

  城市中数以千计的传感器长期积累的历史监测数据,可以作为防汛监测大数据重要组成部分。在充分调研基础上开展监测数据与同期其他城市管理相关数据的专题分析,发现其中耦合性、并发性、衍生性关系,查找空间分布规律,提出科学可靠建议,更有力地支持防汛应急工作。例如针对降雨监测数据,可建立相应防汛风险评估预警模型,用数据挖掘等手段进一步提高掌握降雨量与城市管理案件之间规律的能力,实现与防汛相关日常城市管理的精细化。图7为降雨量监测数据与某些类型管理案件具有明显相关性的分析结果。

  3.4 交通运行多源监测数据分析

  当前,我国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象,这已成为我国国民经济进一步发展的瓶颈之一。而且,交通出行便利与否也一直是与人民群众日常生活工作最密切、切身利益最相关而最易受关注的热点问题。它不仅关系民生宏观问题,更是考验城市管理水平和能力的微观问题。针对此种情况,可以基于城市公交车、地铁、出租车、公共自行车、停车位等多源监测数据,实现城市交通运行状况的日常监测、预警预测、决策支持和信息服务,探索了多源路况信息的分析方法和应用。

  北京市西城区建立了区级交通运行调度指挥中心,整合了管理区域内部交通相关所有数据资源,并与市级平台协调联动和资源共享,以支持专题交通路况信息和区域精细化路况信息的处理分析,为区域综合交通运行协调提供全方位的支撑。

  3.5基于二维码的公众参与式城市管理

  近年来,城市市民参与城市管理意识日益增强,传统的以政府为中心的管理模式已经无法适应城市管理发展的新形势与新要求。城市管理呈现的“少数人管理多数人”的局面,也在一定程度上造成了城市管理的被动局面。积极引入公众与非公营部门参与城市管理,发挥群众的监督参与作用,无疑可以提高城市管理的效率和效益;也会改善政府与民众的关系,对重塑城市管理形象、化解执法矛盾同样有不可估量的作用。而如何实现公众积极而有效的参与、如何引导公众适度地参与城市管理活动等问题一直成为困扰城市管理者的难题之一。鉴于此,可通过技术手段为公众参与城市管理提供渠道和相应保障,引导他们真正参与到实践当中,使得群众的声音成为决策的依据。例如,可利用二维码作为便捷入口(将二维码作为管理对象的可随时查验的身份证书),让公众使用手机扫一扫二维码就能查询报刊亭、早餐车等城市公共设施是否合法,市民还可以投诉举报这些公共设施存在的脏乱破损等问题。另外,为了将“公众参与”与当前数字化城管业务相结合,需要建立针对普通公众和专业城管人员不同的监管模型,并实现与原有城管监督问题上报系统整合对接。

  4 结束语

  当前,城市管理方式经历了从数字化、网格化到城市运行的转变,其管理方向又面临着从数字化到智慧化的发展。这些对城市管理与服务工作的更高要求,使得城市管理必须以人民群众的需求为根本出发点,坚持以人为本、为民服务,紧跟时代脚步,通过技术手段及管理模式的创新来推动城市管理工作迈上新台阶,以利于更好的突破时间和地域的局限,使得人民群众感受到城市管理作用,享受到城市管理的成果。

  物联网技术作为一种新兴技术融合手段,因其 “智能化识别、定位、跟踪、监控和管理”的特点,可以应用在城市运行管理信息的监测、传输、分析和应用等各个环节,逐渐成为了“数字城市”通向“智慧城市”的桥梁。建立城市智能化、精细化的管理方式将是城市信息化的终极目标和战略方向,以此作为城市可持续发展瓶颈的突破口,将带来未来城市的全新面貌,推进城市和谐发展。

  城市精细化管理物联网应用是一个具有挑战性的领域,它涉及了器件、设备、系统、网络、服务、商业模式等诸多方面,实现其真正“精细化管理”目标尚需做许多深入细致的工作。目前所做的城市管理精细化典型实例仅仅是城市运行管理领域中很小的一部分。并且随着物联网应用逐渐深入,一些深层次问题逐渐显现,如何建立完善的物联网城市应用的标准体系问题、如何保证物联网信息传输的网络安全问题、如何健全物联网城市管理应用中商业模式问题等,亟待相关理论和机制研究的继续探讨并加以解决。

  地理信息系统(GIS)在可以预见的未来,将会与物联网进一步地融合:GIS可为物联网提供基础地理信息支撑(如移动GIS为物联网提供移动计算平台,VR-GIS可以为物联网提供真实的虚拟展示平台)及时空分析手段,而物联网为GIS提供海量动态监测数据,促进地理信息应用和服务迈上新台阶。两者也必将紧密结合,共同应用于城市管理领域中,继续拓展城市运行监测的范围和深度,提升城市管理的精细化、智能化水平。

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