城市信息模型的文獻綜述

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1引言

CIM是由建筑信息模型（BuildingInformationModeling，簡稱BIM）、地理信息系統（GeographicIn‐formationSystem，簡稱GIS）、物聯網（InternetofThings，簡稱IoT）等多技術融合而成的一項新技術。CIM能夠幫助人們探尋城市發展運行規律，更好地助力智慧城市建設。

2城市信息模型提出的背景和意義

2021年末，我國城鎮常住人口達到91425萬人，比2020年末增加1205萬人；鄉村常住人口49835萬人，減少1157萬人。常住人口城鎮化率為64.72%，比2020年末提高0.83個百分點。隨著我國城市化率的持續提高，傳統城市管理與運維模式已逐漸無法支撐城市擴張帶來的精細化管理需求。當前政府各部門按照職能分工管理相應領域的模式，在部門之間凸顯信息交互和業務協同的不適應性。為尋求更為先進的管理方式推動城市建設與管理朝著系統化、精細化、智能化的模式發展，城市信息模型（CityInformationModeling，簡稱CIM）技術應運而生，成為現今城市可持續發展的主要支撐技術[1]。此外隨著科學技術的日新月異，大數據、云計算、區塊鏈、人工智能、建筑信息模型、地理信息系統、物聯網等技術逐漸成熟，從而為CIM技術的提出奠定理論基礎，并提供技術支撐。CIM的提出正當其時，為城市運行提供智能決策方案，輔助決策者更高效地管理城市，為城鎮居民提供更優質、便捷、美好的生活。CIM是通過眾多技術融合形成的，是智慧城市建設的必由之路和科學技術發展的必然結果。這一概念的提出，標志著我國已加快信息化進程，推進智慧城市建設，逐步構建數字中國。

3城市信息模型基本概念的介紹

城市信息模型的本質是一座城市的數學模型，具有城市運行中各方面的信息。建立這一模型后，如何讓其發揮作用，就需要通過構建CIM平臺實現。《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則（修訂版）》中，對CIM的定義是：以建筑信息模型、地理信息系統、物聯網等技術為基礎，整合城市地上、地下、室內、室外、歷史、現狀、未來、多維、多尺度空間數據和物聯感知數據，構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體[2]。如圖1所示，CIM平臺涉及的數據類型有：時空基礎數據、資源調查數據、規劃管控數據、工程建設項目數據、公共專題數據、物聯感知數據[2]。

4國內外的城市信息模型研究發展情況

4.1國外研究現狀

國外對城市信息模型的相關研究，比國內開始的要早。在20世紀90年代，美國學者DVGibson等人首次提出智慧城市的概念，以此指明未來城市發展的方向[3]。奧地利的GiffingerR等人，英國的Bal‐akrishnaC等人，以及歐洲一些國家的學者，對智慧城市的概念從不同角度做出了闡述[4]：瑞典的GILJ和美國的DUARTEJP等人[5]，共同提出了一種城市設計的空間模型。英國的THOMPSONEM等人[6]，圍繞數據的分析與整合展開研究。日本學者ShinjiYamamura等人[7]，在智慧城市建設中的BIM和GIS融合技術。IzabellaV.Lokshina等人[8]研究將城市信息模型，物聯網技術和區塊鏈技術融合技術應用于智慧城市的系統設計中。他們提出，區塊鏈技術能夠防止未經授權的用戶訪問有關信息，以確保數據完整性和安全性。TodorStojanovski等人[9]研究CIM與城市化中的，街區、連接、地域、人與環境等要素之間的內在聯系。HCMelo等人[10]將CIM概念應用于污水管網治理（見圖2）。

4.2國內研究現狀

我國CIM平臺建設尚處于起步階段，各級政府、學術組織、企事業單位等正積極探索試點經驗、標準建設、技術儲備、數據體系、平臺建設、平臺應用等工作。我國對CIM基礎平臺的研究尚處于起步階段，相關技術和理論還在推進和完善之中，全國已開展了關于CIM基礎平臺的政策和試點項目。

4.2.1　政策的推動

在CIM的發展中，國家政策層面積極推動，政府對CIM的發展建設做出多方面的規劃，建立CIM試點城市和相關行業標準規范。出臺的相關文件和標準規范有：《住房城鄉建設部關于開展運用建筑信息模型系統進行工程建設項目審查審批和城市信息模型平臺建設試點工作的函》、《城市信息模型CIM基礎平臺技術導則（修訂版）》、《關于開展城市信息模型（CIM）基礎平臺建設的指導意見》、《關于加快推進新型城市基礎設施建設的意見》、《六項城市信息模型（CIM）行業標準的征求意見稿》、《城市信息模型基礎平臺技術標準》等。通過出臺上述相關文件和標準規范，我國建立了約30座CIM試點城市，并為CIM行業的發展制定技術指導標準，將CIM放在“新城建”的首要位置。

4.2.2　技術的發展

當前，CIM的研究領域主要包含以下方面：多技術融合、數據處理、信息安全、平臺構建等。在多技術融合方面，華中科技大學的XunXu[11]等人為解決三維數字城市模型語義屬性的目標問題，提出了一種BIM與GIS技術集成的框架，如OpenStreetMaps等，分析得到關鍵技術集成研究無論現在還是未來對CIM都有重要的推動作用。在數據處理方面，韓冬辰[12]等人指出“建筑逆向工程技術”在數字孿生建筑中的重要性，并具體分析各種逆向技術的優缺點，為建筑建成信息的獲取提供理論和技術支持。吳開達[13]等人指出針對CIM平臺的多源數據接入，首先應制定標準規范，將海量數據進行規范化，然后通過微服務架構開發平臺，實現數據的分布式管理。在信息安全方面，胡丹[14]等人提出了基于CIM平臺的大數據流轉安全框架，以數據分類分級為基礎，依據數據流轉周期與數據治理安全域的時空維度，構建數據安全流轉體系，從而解決數據多源異構、跨網跨平臺交換和共享的安全問題。在“平臺構建”方面，住房和城鄉建設部信息中心的提出CIM平臺的建構依據兩種驅動原則，一是以數據驅動為主，二是以業務驅動或場景驅動為主。韓雯雯等人[15]構建了基于人居環境理論的數據框架體系，搭建支持融合可用的CIM數據空間組織，探索操作性強的CIM數據采集更新方法。

4.2.3　建設的落地

自2012年國家級智慧城市試點工作啟動以來，全國近百個城市推進智慧城市建設。自2018年我國CIM行業正式進入到建設階段以來，CIM相關工程建設已迎來飛速發展。2019年~2021年招標項目呈現逐年增長趨勢，截至2021年9月9日，我國CIM相關招標項目就已達到72個，是2020年整年數據的兩倍[1]。由此，CIM基礎平臺是業內當前乃至未來一段時期的建設和發展重點，是城市規劃、建設、管理新的手段和發力點。目前，我國城市信息模型（CIM）已經在工程項目智能建造、數字孿生港口、智慧園區、老舊小區改造、CIM平臺[1]等方面進行了實踐應用，并取得了較好的效果。國內的城市信息模型研究發展情況如圖3所示

4.3城市信息模型的搭建

城市信息模型的搭建大體上可分為三個階段：前期，數據收集；中期，數據融合；后期，平臺呈現。在搭建模型時，同時還要考慮數據安全問題，采用不同的技術針對不同類型的數據進行采集。建立基于HadoopSpatial框架的分布式數據存儲機制。基于統一的語義數據資源目錄體系，經過數據抽取、清洗、轉換、輕量化和融合等階段，形成標準化的數據庫。CIM平臺的建構有兩個驅動原則，即數據驅動和業務場景驅動。CIM平臺可以通過三方面進行建構，即分布式的開放網絡體系，多尺度空間單元與實體單元的動態語義識別體系，安全可靠且友好便捷的人機交互與防護系統。同時，數據安全問題也尤為重要，通過分析各環節數據安全流轉情況，建立數據安全風險評估模型。運用圖形引擎多層次實時渲染呈現數字孿生體的能力，真實展現城市樣貌、自然環境、實時交通等各種場景，實現三維實體、大數據、業務邏輯、應用場景等可視化，實現多終端一體化展示，滿足不同業務和應用場景需求。

4.4BIM、GIS、IoT技術在城市信息模型中的應用

上述城市信息模型的搭建過程離不開BIM，GIS和IoT技術的相互融合。BIM為城市信息模型提供建筑物全生命周期中的所有信息，可以在GIS的基礎上豐富建筑物內部的信息，使得模型更加精細，更加逼真。GIS技術為BIM模型提供了三維地理空間坐標，使得BIM模型更好地對應真實物理世界中的建筑實體，同時BIM又可以很好地彌補GIS中建筑及基礎設施內部信息的缺失。因此，GIS是BIM的宏觀基礎，而BIM相當于GIS的微觀呈現。IoT技術通過各種物聯感知手段，收集城市中的各種信息，并匯聚到模型當中，使得模型不再是靜態的，而是時刻處在變化之中，實時反應整座城市的運行情況。構建CIM平臺離不開BIM、GIS、IoT三大技術的融合。CIM平臺可為城市治理提供智慧化解決方案并輔助政府決策，最終惠及城市居民，提升人民幸福感。

4.5城市信息模型的實際運行情況

近年來，我國CIM平臺的建設如火如荼，成果顯著。從技術層面分析，模型運行穩定，能夠實現相應的功能。擁有PB級數字孿生數據庫的模型數據存儲、索引、計算能力。從行政管理層面分析，診斷與識別城市發展運行中面臨的問題，為制定和優化相關政策提供輔助參考依據，為城市的可持續發展提供科學合理的決策，為城市管理者提供智慧化決策平臺。促進城市治理水平智能化、科學化、高效化、精細化。從居民角度分析，受到居民的大力支持，提升居民生活品質，為居民提供更加便捷、高效、智能的生活。

5總結與展望

CIM技術對智慧城市的建設具有里程碑式的意義和作用，并且已經在一些城市取得了實踐成果，但是仍然存在諸多技術難點，例如，多源異構數據融合、信息安全、平臺架構優化等。因此，CIM還有很多研究要點待開發。當前已經解決了CIM“從無到有”的問題，接下來要更加側重“從有到優”的問題，逐步完善優化CIM及其平臺性能，更好地助力實現“智慧城市”。

參考文獻

[1]王永海，王宏偉，于靜，吳志強，陳順清，王洋，丁利，王保森，趙渺希，婁東軍，鄭鵬，周子璐，楊焰文，喬長江，吳元欣.城市信息模型（CIM）平臺關鍵技術研究與應用[J].建設科技，2022（7）：62-66.

[2]城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則（修訂版）[S].北京：住房和城鄉建設部，2021.

作者:孫晴 任啟航 杜伊帆 韓涵 單位:西安建筑科技大學設計研究總院 西安建筑科技大學 中國電子工程設計院有限公司