韧性视角下智慧城市基础设施系统安全与防护基础理论与关键技术

The safety and protection of urban infrastructure systems under various disaster risks has been faced with great challenges. Aiming to address these challenges, this project studies the fundamental theories and key technologies of the safety and protection of infrastructure systems in smart cities. The project analyzes the integration of passive sensing nodes, and network framework development and the resources optimization, proposes approaches for wireless sensing network data fusion, explains the mechanism of urban infrastructure IoT-based monitoring, achieves the real-time monitoring and alert of various key infrastructure systems, reveals cross-system propagation of disaster risks, and establishes a resilience assessment framework for smart city urban infrastructure systems based on sensing data and scenario simulation. The expected outcomes of this project will support the safe operation of smart city infrastructure systems with IoT-based risk monitoring and alert technologies, big data-base disaster scenario analysis and simulation approaches, and resilience management theories-based resilience assessment framework and improvement strategies. The outcomes will have significant theoretical and practical values for the safety and protection of smart city urban infrastructure systems.

各类灾害风险下城市基础设施系统的安全与防护面临日益严峻的挑战。本项目结合当前智慧城市快速发展过程中在灾害防护方面存在的实际问题，从韧性视角出发研究智慧城市基础设施系统安全与防护的基本理论与关键技术。本项目采用大数据挖掘与分析、理论建模、仿真分析等方法，系统研究智慧城市基础设施系统无源感知网络的硬件集成、网络体系架构和资源优化，提出无线传感器网络数据精准融合方法，阐明城市基础设施监测物联网运行机理，实现城市各类关键基础设施系统的灾害风险实时监测与预警，揭示跨基础设施系统的风险耦合与传导机制，建立基于监测数据和模型推演的智慧城市基础设施系统韧性评估体系。本项目预期成果将为智慧城市基础设施系统的安全运维提供基于物联网的风险监测与预警技术、基于大数据的灾害情境分析与推演方法以及基于韧性管理理论的评估框架和提升对策，对智慧城市基础设施系统的安全与防护具有重要的理论价值和实践意义。

本项目结合智慧城市快速发展过程中在灾害防护方面存在的现实问题，从韧性视角研究了智慧城市基础设施系统安全与防护的基本理论与关键技术。在理论方面，提出了无源感知网络优化理论、安全监测理论、动态交通仿真标定模型理论、网络系统耦合建模理论、韧性管理理论等6项基本理论。在技术方面，项目实现了泛在微能量收集技术、分布式仿真技术、多种感测传感器制备技术、信息感测平台构建等5项关键技术。课题完成了全部既定目标，成果包括学术论文48篇，发明专利18项，软著10项，培养研究生12名。.首先，针对智慧城市基础设施感测的独特性质和需求，研发了泛在微能量技术，设计和制造了多种基础设施系统感测传感器，解决了城市基础设施的感测传感器制备与无源供电问题。.其次，构建了智慧城市基础设施韧性感知网络并进行了优化设计。基于泛在微能量装置，构建了传感器网络并实现了各节点数据汇总传输，搭建了数据感测云平台并实现了数据云端存储，优化了无线传感网络。.再次，进行了智慧城市基础设施系统韧性数据的融合、分析与建模。基于无模型和有模型两种方法，实现了建筑系统的防灾韧性分析与评估。基于交通系统多因素耦合建模方法，针对交通基础设施系统进行了韧性评价。.随后，开展了智慧城市基础设施系统耦合机理与韧性情景推演研究。通过网络系统耦合建模，构建了城市基础设施系统网络。基于分布式仿真技术，提出了一个面向关联基础设施系统的建模框架，用于模拟系统间的复杂关联关系及与外部环境的动态交互。.此外，研究了智慧城市韧性管理理论、方法并构建了韧性指标体系。基于智慧城市社区韧性定量评价方法，构建了基础设施系统韧性管理框架，梳理了社区结构和韧性指标。根据系统功能下降和恢复时间计算韧性水平，提出了智慧城市基础设施系统的韧性提升方法。.最后，课题以浙江省杭州电子科技大学校园为示范点，应用研究成果构建了智慧城市基础设施感测推广示范平台。该成果是一个具有较高代表性的示范落地项目，有效促进了项目成果的培育和转化，从而为未来服务于更大范围内的智慧城市建设实践奠定了坚实基础。