引言
城市生命线，是维持城市功能正常运转的保障线，涵盖了燃气、供水、电力等各类基础设施体系。然而，目前我国大多数城市生命线的监测预警手段
方式还相对滞后，存在重救援轻预防、重预案轻预警等问题。为有效解决目前城市安全运行问题，国家高度重视城市生命线系统的风险治理。2018年1月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于推进城市安全发展的意见》中明确指出，要加强城市基础设施安全管理和强化安全科技创新和应用，
深入推进城市生命线工程建设，积极研发和推广应用先进的风险防控、灾害防治、预测预警、监测监控、个体防护、应急处置、工程抗震等安全技术和产品。与此同时，随着大数据、云计算、物联网等信息技术的快速发展和广泛应用，以及在技术驱动、专业驱动、数字驱动、平台驱动、模式驱动、场景驱动的背景之下，传统的城市生命线体系正面临着从线下到线上，从分散到集中、从粗放到集约的迭代升级，并将成为智慧城市产业发展的最具实际效用的切人口、数字经济最为直接的应用场景[1-3]。因此，以政府主导的城市生命线工程的升级改造和规模化建设，是当前各地提升城市安全管理水平、发展新兴产业的主要方向之一。
1现状分析
1.1功能定位
我国《工程抗震术语标准》（JGJ/T97—2011）将生命线工程定义为维系城市与区域的经济、社会功能的基础性工程设施与系统，主要包括燃气、给排水、交通、电力、通信、热力、供油等系统。目前各地城市生命线系统普遍由部件（零件）、单元（配电箱）、子系统（如线路监控系统）和系统（如城市照明系统）共同组成复杂的网络系统，并普遍具有“公共性”、“专业性”、“融合性”等特征。
从“基本属性”来看，健全、稳定的城市生命线系统，是提升城市和区域安全可持续发展能力的必备条件，能够有效保证城市区域经济和社会功能正常运行。一旦城市生命线运行不畅，将对城市维稳产生直接影响。因此，必须建立从规划设计、施工建设到体系运维全过程的城市生命线体系，运行目标包括：设施状态的“实时感知”、安全隐患的“主动预警”、险情的“即时报警”、险情的“远程处置”、险情的“信息发布”等主要功能。
从“可复用性”来看，泛在、智能的城市生命线感知体系，为智慧城市、数字李生城市发展提供了数字底座。发展城市生命线体系所构建的前端感知网（如视频系统）、分级式算力网（路侧计算）、分布式能源网（风光互补、本地储能）、高速通信网（5G、光纤）等网络，在智慧城市（如自动驾驶）、数字李生（如城市大脑）等领域具有高度复用性。因此，实施城市生命线项目，能够达成多个
领域城市新基建体系的同步推进。
1.2发展现状
（1）规划与部署方面。
安徽省在2022年基本构建以燃气、桥梁、供水、排水防涝为重点，覆盖16个市建成区及部分县（市）的城市生命线安全工程主框架，实现燃气7000 km、供水7200 km、排水17000 km、桥梁1800座的安全监测网络；到2025年，拓展到热力、电力、电梯、通信、综合管廊等领域，形成全省城市生命线安全工程监测网。
深圳市将按照“1+11+N”（1个市级综合监测、11个区域监测、N个行业领域监测）应急管理监测预警指挥体系的整体框架实施项目建设。将在提升城市生命线工程监测预警能力的基础上，拓展生命线工程周边环境风险感知能力、通信保障能力、防灾韧性能力、联动处置能力等，进而打造广域覆盖、智能感知、精准预警、高效处置的超大型城市生命线工程安全新模式。
（2）建设运营模式方面。
（3）项目具体实施层面。
安徽省各市成立城市基础设施安全工程建设推进工作领导小组，统筹推进城市生命线工程安全运行监测系统建设，以“合肥模式”为模板推进项目落地；上海市通过建设城市运行管理服务平台，提高数据汇聚效率，以城市网格化管理信息系统为基础，聚焦重点领域城市运行风险，开发智能化应用场景；深圳市围绕“能监测、会预警、快处置”三大功能，以先行示范的标准推进项目落地，工程主要包括：生命线工程基础平台建设、生命线工程监测预警能力建设、生命线工程周边环境风险感知能
力建设、生命线工程通信保障能力建设、生命线工程防灾韧性能力建设五大板块，打造高质量“韧性城市”。
（4）产业生态构建方面。
以安徽为例，初步建立了整体解决方案提供企业+专业感知企业（如海康、大华）的产业格局，开展了城市排涝、城市管网、桥梁安全、道路安全等领域的试点工程建设，加速了大数据、云计算、5G、GIS等技术在城市生命线体系中的实践应用。截至2022年5月，安徽省生命线安全工程项目金额合计约20.65亿元，年度维护投入平均为6000万元。
1.3局限性分析
（1）“感知智能化”整体水平不高。
①缺乏目标导向的建设规划，普遍采用因陋就简的方式推进终端设备加载和部署，导致感知终端布设密度、感知数据颗粒度等关键要素，均未能达到当前以及未来城市生命线的数据需求。②缺乏科学合理的体系架构设计，未能有效实现各专业之间的数据交互，信息孤岛、烟效应普遍存在，没有形成耦合关系，无法实现多模态综合感知能力。③缺乏面向应用场景的产品设备定制开发体系，感知终端设备普遍就地取材，其供能方式的可靠性、通信方式的稳定性、数据的实时性、与平台之间的动态匹配性以及技术可升级等方面均存在不足，面临着建成即落后的风险。④缺乏泛在、细密的能源和通信支持网络，制约了感知终端实时在线、感知数据高速传输的达成。由于缺乏细密的供电网络，以电池供电的方式带来了感知终端的非实时在线问题；不仅如此，对于城市生命线体系中预设的相关远程安全控制装置（如燃气的遥控安全阀门等），亦缺少能源供给。与此同时，有线通信网络（光纤网）、无线通信网（4G/5G）的缺失，限制了数据通信速率、并增加了数据丢失的概率。③感知系统运维效能偏低、性价比不高，不能满足城域级城市生命线发展。城市生命线运维保障体系目前尚处于信息化的初级阶段，一方面，设备“在线率”、报警“准确率”等关键运行指标普遍偏低；另一方面，未依托信息化工具形成订单化、标准化运维模式，设施运维投入费用过高，制约了城市生命线体系规模发展。
（2）“认知智能化”缺乏数据支撑体系。
受制于安装加载、产品设备、能源供给、通信网络、维护水平等条件和“感知智能化”水平不足的现状，目前城市生命线系统存在着线数据采集能力不足、数据丰富程度不够、数据回传速率偏低等情况。因此，由于后台“认知”与现场实际状况的“偏差”，现有城市生命线“认知”仍处于起步阶段，必须通过“感知智能化”的进一步发展作为支撑条件，开展燃气、电力等专业设施以及应用场景运行的数据沉淀、习惯分析，形成算法体系，进而推动“决策智能化”发展。
（3）“决策智能化”尚无实践应用场景。
“感知智能化”、“认知智能化”的缺失，必然导致城市生命线目前既不具备“决策智能化”的水平，也不具备“决策智能化”应用场景，需要通过全域性、复用性、数字化、数智化感知体系与认知能力的进一步建设，最终实现贯通城市生命线全体系、全过程的“决策智能化”。
综上所述，目前各地在城市生命线领域做出了探索和尝试，搭建了初步的产业架构和运营模式，形成了一定的场景应用和实践经验。与此同时，应参照智慧城市、数字城市发展框架，结合目前存在问题和实际应用场景，在顶层架构设计、统一建设标准、加强软硬件功能、提高体系复用性等方面，统筹推进城市生命线建设进程，加快实现“感知智能化”、“认知智能化”、“决策智能化”持续进阶发展。
2城市生命线的体系架构设计
为有效解决城市生命线目前发展的各类局限性问题，在技术层面，开展科学全面的顶层设计，从“数字化”的整体架构、“实时在线”的感知、“动态生长”的场景、“智能研判”的数据处理、“开放性”技术升级，共五个方向，共同构建成一套具备全域感知能力，达到数字化、数智化水平的城市生命线系统（图1）。
2.1建立数字化驱动生命线总体构架
依据目前物联网相关领域主流的数字化标准结构，结合CIM、BIM技术，建立以地理信息、基础数据为后台体系，以设施感知、环境监测、分析系统为中台体系，以调度系统、控制系统、作业系统、可视化系统为前台体系的数字化体系，具体包括：
图1城市生命线架构模型 Fig. 1 City lifeline architecture model
（1）加快燃气、电力、供水各专业各领域的技术融合、数据融合，建立涵盖全领域的生命线体系架构；
（2）加快实现高速通信、实时感知等硬件系统与软件平台、大数据分析系统、辅助决策系统之间的循环驱动；
（3）形成通过开发前端应用场景驱动中台功能专业化升级，再以中台功能需求推动后台建设的明确路径，最终达成城市生命线系统场景可落地、功能持续拓展、性能不断升级的科学架构
2.2建立实时在线的综合感知系统
（1）建立城市生命线物联感知平台。建设城域级统一感知、各专业统一汇聚的中枢平台系统，建立各专业之间交互的底层逻辑关系，搭建前端感知网络与后台感知功能的数据链路，开发城市生命线感知功能清单、感知数据清单以及技术实现路径。推进城市生命线运行“异常状态”可泛在感知（如燃气泄漏、水管破裂等）；“节点设施”可在线控制、可在线调节（如燃气管道阀门、供水管道阀门等）；“外部影响因素”（如第三方破坏、恶劣天气
等）可视化监测等共3个主要方向的功能开发，并通过模块化设计形成功能不断叠加、专业领域不断衍生的弹性综合感知平台。
（2）制定终端与平台互联的标准化通信协议。构建“通用协议+公网通讯”的数据传输模式，建立终端感知设备与感知平台的直连式通信通道，充分提升城市生命线感知数据传输速率与保密性要求；建立标准化协议，达成不同品牌、同类终端设备之间的互换性，为降低运行期成本、提高感知系统保障水平提供必要条件。
（3）升级存量感知终端设备通信制式和供能方式。采用“光纤+4G/5G”组合制式，对标车联网、自动驾驶应用场景，为各类城市生命线感知终端设备提供的高速率、大带宽通信网络，实现数据传输的零延时、终端设备的实时在线。配套建立泛在细密的分布式低压电力网络，解决高速通信条件下感知终端设备对于能源供给的持续需求。
（4）推进各专业管线公共空间感知体系建设。加快以“新建+改造升级”的方式，实施各专业领域（如燃气、电力等）感知终端体系建设，并在此
基础上，推进各专业管线、各类设施公共区域/空间的感知覆盖（如综合管廊运行温度及水位监测、防第三方破坏的视频监测等），形成从专业到共性、从地下到地上的立体感知网络。
（5）建立数字化的终端设备运维保障体系。依托城市生命线物联感知平台，开发面向终端设备运行状态的在线监测系统，围绕“终端在线率、故障率、误报率”等关键性指标，建立终端设备的“订单式修复”、“计划性更新”维护保障体系，充分实现城市生命线系统的高品质运行。
2.3建立动态生长的场景开发系统
（1）建立由各专业管理部门主导的场景应用开发机制。加快建立：对城市生命线运行状态进行感知的“设施在线”功能，对影响城市生命线正常运行的极端天气、外部破坏等情况进行感知的“环境在线”功能，对处置突发情况可用的人力、机械、材料设备等信息管理的“资源在线”功能，对燃气、电力、供水等多专业交叉作业安全管理的“作业在线”功能，对各专业基本信息、安全隐患进行“集中管理”功能，对城市生命线相关应急情况进行现场处置的“一键调度”功能，对突发事故影响进行远程处置的“一键控制”功能，对安全风险、运行数据、处置情况等信息进行直观观测的“一屏可观”功能，等等。
（2）建立城市生命线应用场景开发与管理综合平台。依托信息化渠道，面向公众建立开放式需求征集平台，在城市生命线所涉及的市民出行安全、供能供水安全等相关领域，加速实现专业场景与微场景开发的动态结合。
（3）加快技术驱动的新应用场景培育机制。建立对5G、云计算、大数据、电气技术等领域前沿技术跟踪机制，加快开发如面向海量数据自动分析处理的“智能辅助”功能应用、支撑安全隐患远程控制的“路侧响应”功能应用以及结合AI技术的生命线系统异常状态的自动甄别、自动处置的“自适应”功能应用等场景开发。
2.4建立智能研判的数据处理系统
（1）推进城市生命线标准化数据库建设。围绕城市生命线“管线设施”、“节点设施”、“感知设备”、“供能设施”，建立由相关地理信息数据、设施基本信息、运行状态数据、异常报警数据、故障处置数据、险情排除信息等组成的数据库系统。
（2）实施与前端应用场景结合的数据沉淀体系建设。依据场景制定各类专题目录，建立城市生命线运行特性、异常情况特性等规律观测机制。
（4）开发分布式算力网，支撑生命线数据体系的动态扩展与升级。通过前端感知设备的智能化升级，以及加载路侧计算单元等措施，分散海量数据处理压力，建立轻量化的后台系统，预留充足升级空间。
2.5建立开放式技术升级平台
（1）建立生命线场景开发驱动生命线系统功能开发的关联机制。通过场景规划设计与管理，驱动燃气、电力、供水各专业整合，驱动算法、软件、产品制造企业参与开发，加快建立通信、感知、大数据各领域新技术、新工艺研究开发应用体系，驱动城市生命线工程建设与运营管理产业链发展。
（2）建立城市生命线功能微代码开发基础平台。对运行过程中出现的各类问题及新的需求，由相关应用部门推进实施局部调整和微功能开发，实现城市生命线体系的定制化开发、持续性升级，不断健全和完善城市生命线安全保障的精细化水平。
3城市生命线建设运营模式构建
基于充分的现状调研和问题研判，在城市生命线建设具体实施层面，应以科学的组织架构为基础，广泛开展底座企业与专业企业密切协作，加速各专业各领域数据融合以及各区域设施进行整合，并通过合理的投融资方式、场景设计，建立共享共赢的建设模式，并应结合设施规模、功能要求，建立数字化的运维保障体系，从而形成城市生命线从建设到运维的全过程闭环管理体系（图2）。
3.1搭建高效运转的城市生命线的组织架构
图2城市生命线建设运营体系架构 Fig. 2 City lifeline construction and operation system architecture
功能设计等主要内容。
（2）进一步明确各专业领域即燃气、水务、交通、电力等企业的阶段性任务，提供安全需求、管理经验、数据共享等基本要素，并配合完成城市生命线条件下各专业领域的全新建设与运营模式。
（3）进一步明确各底座型企业，如照明、通信、电力等领域的主要职能，加快形成底座可靠、专业健全、调度通畅的城市生命线组织架构
3.2推动建立各专业企业与底座企业的协作关系
通过政策引导+场景驱动的方式，优先鼓励燃气、水务等重要专业领域以局部区域试点试验的方式，与底座型企业如照明、通信等，开展项目合作。先期在感知设备加载、能源供给、通信供给等方面开展合作实践，并逐步形成由底座型企业提供全过程感知数据服务，燃气、水务等各专业企业持续迭代险情调度响应能力的城市生命线运作模式。
3.3统筹协调各专业之间的数据共享与数据融合
围绕加快推动城市生命线数字化建设，通过完善政策体系、突出政策支撑、细化政策保障的方式，打破城市生命线工程中各行业间的壁垒，推动完成以城市照明为主导，燃气、水务、交通、电力、隧道等不同主管部门或主营企业之间的协同机制建设。
3.4构建政府主导、多方收益的建设期投融资模式
（1）确立城市生命线主管部门，以“政府购买服务”+“政策激励方式”为主，引导鼓励多种投融资模式，加快城市生命线基础设施建设。
构，开展市场投融资、平台开发、感知系统建设、技术应用、数据服务、运行保障等具体工作，推动城市生命线产业生态构建。
（3）精准培育全产业链条优秀企业，对具有城市生命线技术研发能力的高新企业、具有产品供应能力的制造企业、基础设施能源供给的底座企业、具有城市生命线建设保障能力的施工运维企业，给予政策扶持。
（4）加快场景驱动的城市生命线价值变现。加快重点区域、重点专业的应用场景试点，为政府提供持续可靠的数据服务和安全保障，并据此打通资金链条，建立变现渠道，在燃气、供水等专业领域率先形成商业模式，为下一步产业生态构建营造可参照样本。
3.5加强各区属设施及相关资源统筹管理水平
在燃气、水务、交通、电力、隧道、照明等不同领域，从城市生命线项目建设和政策引导两个方面，推进全市“一张网、一块表、一个闸”进程，为城市生命线运行期间的跨区域管理和资源调度创造必要条件。
3.6建立高效能、技术持续迭代的城市生命线运营与保障体系
效解决城市生命线作为端密集型基础设施体系的运营可持续性问题。
（2）明确燃气、水务等专业企业，以及照明、通信等底座企业的运营保障边界划分和融合领域，形成高效的运营期分工协作机制。
（3）由专业技术部门跟踪最新技术，引导专业企业加快城市生命线技术迭代，持续提升运营期综合效能。
3.7搭建开放式应用开发平台，驱动“政用产学研”全产业生态
（1）推进城市生命线体系标准化建设。在通信领域，确立标准化的通信协议、通信制式、网络架构，兼容各大运营商通信网络；在感知领域，定义标准化数据格式、基本逻辑、数据接口；在硬件设备领域，定义各类设备的标准尺寸、连接件的标准接口等。
（2）建立各专业技术领域融合发展机制。通过监控软件平台模块化的设计和动态开发机制，接入各类优质算法、系统设计；以贯通上下游产业以及
行业间协作，将AI、大数据等技术融入到传统领域，进发产业和行业的新生机。
（3）加快开放式开发平台建设，并通过开放平台+政策激励的方式，吸引各相关领域的科研院所、高校、专业机构及加工制造企业，形成“政用产学研”全产业链体系。
4城市生命线体系的南京路径
南京城市照明体系所具备的“五网贯通”设施条件、全市“统一集中”的监管机制、在智慧城市领域的一系列成熟模式以及“一网统管”的场景驱动，汇聚形成了南京在城市生命线建设运营过程中所具备的独有优势。以此为条件，可实现基础网络的轻量化覆盖、感知网络的全域性部署、算力网络的复用式延伸、运维网络的数字化升级，并将为各地城市生命线建设提供低成本、高效能的可参照样本空间（图3）。
南京城市照明体系
图3南京城市生命线发展构架 Fig. 3 Nanjing city lifeline development framework
4.1基础网络的轻量化覆盖
（1）以城市照明系统为底座，轻量化推进南京智慧城市建设。2017年，综合杆件成为南京标准基础设施；2020年，城市照明线路24h供电模式落地运行；2022年，南京照明与南京智慧城市进人融合发展阶段，5000基综合杆、500基智慧杆，300KM24h供电线路、1500个通信基站的加载，为智慧城市提供了泛在的“杆件网”、“能源网”、“有线通信网”、“无线通信网”、“算力分布网”（照明“五网”)。
（2）加快智慧城市设施复用性升级，以照明设施构建城市生命线底座网络。照明“五网”将以高密度的感知终端设备“可加载基点”（综合杆、智慧杆），分布式的“能源供给”（常规24h供电系统、直流供电系统、储能系统、风电系统、光伏系统），高速率的“通信网络”（光纤+5G）、分布式的“算力供给”（路侧智能柜/智能盒）等方式，直接为城市生命线体系提供24h实时感知、异常状态的迅速分析、远程处置等支撑服务，成为城市生命线优质、泛在的底座体系。
（3）以底座设施“集中统一”的管理格局，形成南京城市生命线发展的独特优势。有效避免了深圳等地设施分区域管理对发展智慧城市、城市生命线体系形成的天然阻碍。截至目前，南京全市统一管理的照明设施体量共达到160万盏灯具（含功能照明与景观照明），3000台路侧遥控配电箱、5000km专属供电线路、40000套单灯监控终端，覆盖了南京主城、江北、紫东等区域共1350km²空间范围。
4.2感知网络的全域性部署
（1）以“新建+升级改造”模式，依托南京照明“五网”为底座，形成“穿透式”的通信通道和电源供给，面向燃气、供排水、热力、桥梁、综合管廊等基础设施，整合压力、流量、影像、震动、气体、超声波、温度、湿度、加速度、音视频等多种传感器，建立“地面以下”部分的城市生命线感知体系。
（2）以“共用+新建”模式，依托南京智慧城市现有“视频感知网”、“环境监测网”，建立如燃气泄漏、水管爆裂等“地面以上”部分的城市生命线感知体系。
（3）以南京照明“云、网、端、边”感知架构为模板，构建南京城市生命线地上地下空间立体感知全新模态。通过统筹平台建设、逻辑架构、定制
服务，集成燃气、电力、供水等各专业领域感知数据，集成智慧交管、智慧安防、智慧交通等智慧城市领域感知数据，为南京城市生命线应用场景提供“全时域”、“全空域”的数据来源。
4.3算力网络的复用式延伸
（1）南京智慧城市的发展，为城市生命线数字化路径提供了科学参照。第一阶段（2018年一2019年）：“数据可汇聚”。建成青奥智慧城市示范区，实现了视频监控、4G/5G基站、LORA网关、智慧井盖、水位超限检测、降尘系统，检测系统等十多项智慧城市应用落地。第二阶段（2020年一2021年）：“路侧算力分布”。建成了夫子庙智慧示范景区，首推“智慧路灯机器人”系统，将智慧杆升级为数据可计算、可交互、可执行的智慧城市“路侧单元”。第三阶段（2022年以后）：“AI融合”、“自主学习”。建成南京南站智慧城市鹰眼系统，以视频监控+数据打通+数据学习为技术路径，达成黑车治理的全过程的数字化、智能化；建成盐大街万象系统，以视频监控与数据学习的方式，实现了门前三包、路边停车等应用场景。
（2）依托智慧城市算力网的可复用性，加快建立南京城市生命线“分步式”算力体系。目前南京智慧城市已完成“智慧交通”、“智慧市政”、“智慧停车”、“智慧工地”、“智慧安防”、“智慧城管”各领域试点实践，已经建立了泛在的算力网络。因此，南京生命线系统可以此为依托，迅速建成“AI终端”+“路侧计算”+“平台分析”的三级算力分布架构，提供持续的多模态、多领域运算能力，并为南京数字李生城市预留充分的发展空间。
4.4运维网络的数字化升级
（1）城市生命线各传统专业领域数字化进程加速。以城市照明为例，2016年，信息化平台开发运行，打通监控系统、地理信息系统；2018年，单灯监控上线，灯具故障维修跨入“滴滴修灯”新时代；2022年，三期平台开发完成，照明设施进入“动态监测、精准控制、智能调节”的全域感知时代，设施运维进人故障可预判、改造计划自动生成、应急情况智能调度的全流域管理时代。
（2）结合传统领域数字化与集中统一的底座设施，构建南京城市生命线数字化保障网络。目前，南京照明数字化运维模式，已从城市照明领域拓展至智慧交管、智慧安防、智慧交通等智慧城市领域，将通过智慧城市与城市生命线体系的复用性建设，
推进感知设备的数字化、通信网络的数字化、能源网络的数字化、运维作业的数字化，建立承载城市生命线千万级感知终端的数字化运维网络。
4.5与城市“一网统管”的融合发展
（3）“城市一网统管”与“城市生命线”在应用场景方面具有统一性和互补性，如“社会治理”、“城市精细化治理”、“联动指挥”、“安全监管”、“疫情防控”、“智慧政务”等。
（4）南京“城市生命线”成为“城市一网统管”不可或缺的“底座系统”。“城市一网统管”中的“社会治理”最后一公里问题、“联动指挥”一“平、特、急”等场景，须通过泛在细密、高速通信、AI赋能的南京“城市生命线”感知系统作为支撑条件。
（5）“城市生命线”和“城市一网统管”将在南京数字化产业生态构建方面，形成宏观与微观层面相结合的“分布式”驱动模式。因此，推动“一网统管”与“城市生命线”的融合发展，是当前南京数字化城市建设的科学路径之一。