許 鎮(zhèn) 吳瑩瑩 郝新田 楊雅鈞

(北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083)

1 CIM的發(fā)展過程

在2007年，Khemlani[1]提出City Information Modeling(CIM)，也就是城市信息模型這一概念。隨著Building Information Modeling(BIM)技術的逐漸成熟，Khemlani希望在城市規(guī)劃中運用到類似BIM的技術，將信息模型從建筑層次提升到城市層次。因此，在很長一段時間里，CIM被簡單理解為是BIM在城市范圍的應用。

在2014年，Xu等人[2]提出通過集成BIM和Geographic Information System(GIS)來建立CIM。具體地，Xu等人擬開發(fā)一個兼容IFC(BIM標準)與CityGML(GIS標準)的CIM平臺，并將CIM的建模方法分為三種：城市實體測量、集成Computer Aided Design(CAD)和GIS、集成GIS和BIM。其中，實體測量方法工作量大、應用范圍有限，而CAD模型又難以包含建筑的多源信息[3-4]。BIM在建筑信息集成方面具有顯著優(yōu)勢，而且日益普及，可提供構件級別的建筑內(nèi)部信息。如果BIM與宏觀GIS數(shù)據(jù)結合，將形成包含建筑內(nèi)外的、微宏觀的、跨尺度的CIM模型。因此，集成BIM與GIS建立CIM成為重要趨勢。

在2015年，我國同濟大學吳志強[5]院士將CIM的概念延伸為City Intelligent Model，即城市智能信息模型。吳院士提出，“城市智能信息模型在城市信息模型的基礎上進一步提出了智能(Intelligent)的目標，其內(nèi)涵不僅是指城市模型中海量數(shù)據(jù)的收集、儲存和處理，更強調(diào)基于多維模型解決發(fā)展過程中的問題”。在城市智能信息模型的概念下，物聯(lián)網(wǎng)Internet of Things(IoT)技術也逐漸與BIM、GIS一并成為CIM的主要技術支持。此外，云計算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等先進技術也逐漸應用在CIM當中。

在2018年11月12日，國家住建部將雄安、北京城市副中心、廣州、南京、廈門等列入“運用建筑信息模型(BIM)進行工程項目審查審批和城市信息模型(CIM)平臺建設”五個試點城市[6]，這標志著CIM在我國由概念階段開始正式進入到建設階段。從這些城市數(shù)字化治理的建設目標來看，CIM憑借其全面的信息集成特征會成為智慧城市[7]和數(shù)字孿生城市的重要模型基礎。

2020年3月4日，中共中央政治局常務委員會會議提出，加快5G網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心等新型基礎設施建設進度[8]?！靶禄ā睉?zhàn)略的實施會為智慧城市以及數(shù)字孿生城市提供更加強大的數(shù)字動力，加速其建設進程。作為智慧城市以及數(shù)字孿生城市的重要模型基礎，CIM的重要性日益突出，面臨空前的發(fā)展機遇。

2 主要研究方向

整體上，CIM研究在國內(nèi)外都處于初級階段。目前，CIM主要研究方向可劃分為如圖1所示的三大方向：框架設計、數(shù)據(jù)融合及可視化。

圖1 CIM主要研究方向

2.1 框架設計

對CIM的概念的不同認知使得對CIM結構框架的定義也不盡相同。例如，汪深等人[9]認為CIM是BIM的擴展，二者都包括物質(zhì)、空間、性能和文化四個組成結構，所不同的是，CIM在BIM架構的基礎上又增添了城市基礎設施以及地理信息兩大部分，并綜合了城市全生命周期的管理產(chǎn)業(yè)。Lee等人[10]基于洪災分析情境下，將CIM框架劃分為土地、設施以及水體三個模塊，但該框架不夠全面，適用范圍也有限。而相比起汪深和Lee等人提出的架構，Xu等人的架構劃分明顯更加精細，也更加全面。Xu等人將城市信息模型劃分為建筑、運輸、水體、MEP(Mechanical， Electrical & Plumbing)、基礎設施等多個模塊，見圖2，然后建立了模塊的BIM模型，最后使用GIS將BIM模型定位在具體的城市區(qū)域中[2]，這樣的框架適用性相對更廣。

雖然以上三個框架精細程度和適用范圍不同，但都是將CIM框架根據(jù)具體要素進行劃分的。而Stojanovski[11]則是從城市形態(tài)方面來定義CIM框架。他把CIM的框架定義為是由無數(shù)不可再分割的街區(qū)構成的，每個街區(qū)都有自己的一張屬性表和一個有著對應坐標系的3D空間，通過該坐標系在城市空間進行投影，且每個街區(qū)都定義邊界，不同的街區(qū)通過邊界建立聯(lián)系。這樣的框架相當于是把一個大的城市模型精分為無數(shù)個小的城市模型，僅僅從城市規(guī)模出發(fā)，忽略了城市內(nèi)部更細致的信息結構。

根據(jù)CIM框架設計相關的調(diào)研可見，目前CIM正處于起步階段，大部分框架的提出都是基于概念層面或是一定的情景分析，精細度和層次性不夠，具有一定的局限性。而框架設計是CIM技術發(fā)展的一大基礎。因此，一個統(tǒng)一的、多層次的、適用性強的CIM框架依舊是未來CIM領域研究的一大熱點。

2.2 數(shù)據(jù)融合

建立一個集設計、計算、管理、評估于一體的平臺是CIM技術發(fā)展的關鍵，而CIM平臺搭建的重點和難點在于城市信息數(shù)據(jù)的融合。這里的城市信息數(shù)據(jù)包含城市基礎信息、建筑內(nèi)部信息以及物聯(lián)網(wǎng)信息。其中，城市基礎信息以GIS技術為支撐，建筑內(nèi)部信息的獲取則更多的運用BIM和CAD，而城市各個領域底層信息的采集則依賴于IoT技術。因此目前CIM研究領域主要有三種建模方式：基于實體測量建模、基于CAD與GIS建模、基于BIM與GIS建模。根據(jù)這三種不同的建模方法又將數(shù)據(jù)融合方法分為兩類，即CAD與GIS的數(shù)據(jù)融合以及BIM與GIS的數(shù)據(jù)融合。

基于CAD的三維建模方法在建筑設計以及城市規(guī)劃方面已經(jīng)相當成熟，作為繪圖工具，CAD能夠準確、直觀地呈現(xiàn)城市外觀及建筑物內(nèi)部信息，但CAD缺乏空間及數(shù)據(jù)的分析和處理的功能，具有一定的局限性。因此，GIS和CAD的數(shù)據(jù)融合不僅能充分利用CAD提供的模型特征，而且能夠?qū)δＰ托畔⑦M行必要的分析處理。早在2000年，Ozel就曾經(jīng)指出GIS能夠為CAD所建立的復雜模型提供全面的空間分析[12]。我國學者朱慶等人也認為CAD技術對GIS的發(fā)展至關重要并總結了多種CAD與GIS數(shù)據(jù)集成的方法[13]。這證明CAD與GIS集成是具可行性的。因此現(xiàn)階段也有許多基于CAD與GIS融合進行CIM建模的研究。如Gil等人[4]就曾論證過通過開發(fā)一種集成GIS空間數(shù)據(jù)庫的CAD工具實現(xiàn)CIM設計和分析的可行性。目前也已有一些用于城市規(guī)劃設計的軟件是在CAD基礎上結合GIS數(shù)據(jù)實現(xiàn)的，如StadtCAD Hippodamo[14]。

然而，不同的平臺和標準使得二者之間的集成存在困難，主要集中在坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)格式差異、數(shù)據(jù)量差異以及一些原始數(shù)據(jù)錯誤的問題上[15-16]。雖然Pu等人利用Database Management System(DBMS)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)方法來解決CAD與GIS之間數(shù)據(jù)類型差異的問題，但是對于CAD中的自由曲線和曲面等復雜數(shù)據(jù)類型卻無法進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換[17]。而CAD自身所存在的一些如數(shù)據(jù)疊加等原始數(shù)據(jù)問題使數(shù)據(jù)融合變得更為復雜，雖然Badhrudeen等人嘗試利用機器學習來識別CAD到GIS轉(zhuǎn)換過程中潛在的錯誤，以及原始CAD數(shù)據(jù)中的錯誤[18]，但是依舊無法完全避免原始數(shù)據(jù)所造成的錯誤，而且造成了實際應用過程的耗時費力。最關鍵的是CAD的協(xié)同工作能力不足，這對于以實現(xiàn)協(xié)同工作為主要目的的CIM技術來說可用性較差。

相較于CAD自身存在的一些缺陷，能夠?qū)崿F(xiàn)全流程協(xié)同工作的BIM技術使得BIM與GIS的融合更具優(yōu)勢，也成為目前CIM技術領域研究的熱點，取得了較快的發(fā)展。學術界普遍認為協(xié)調(diào)語義是實現(xiàn)BIM與GIS集成的最佳途徑，它能夠?qū)崿F(xiàn)BIM模型和GIS模型之間低形式化的映射[19]。目前最為流行的兩大語義模型分別是IFC和CityGML，因此根據(jù)這兩種語義模型的轉(zhuǎn)換關系將現(xiàn)階段的BIM與GIS集成方法分為的四類[2，17]， 如表1所示。

從表1可以看出，盡管基于IFC和CityGML標準的BIM和GIS集成方法已經(jīng)開展了一定的研究，但不同基礎方法的優(yōu)缺點都比較突出，尚未形成成熟的集成方法，仍有待于進一步的探索。

表1 基于IFC和CityGML的BIM與GIS集成方法[2,17]

2.3 可視化

可視化是CIM發(fā)展的一大方向。將建筑信息和地理數(shù)據(jù)通過計算機處理轉(zhuǎn)化為圖像的形式，能夠更加直觀有效地把信息傳遞給用戶。在目前CIM可視化中，開發(fā)可視化平臺、結合VR或AR成為熱點。

(1)可視化平臺

Simstadt 是2013年斯圖加特技術高等專業(yè)學院開發(fā)的一個城市模擬平臺，基于CityGML可對多細節(jié)層次(Level of Detail， LoD)進行建模，導入GIS數(shù)據(jù)后，可對城市模型進行加強修復，最后通過模擬工具進行多種能源模擬，得到相應的仿真結果和評估指標，在3D城市模型中進行可視化[20]，該平臺現(xiàn)主要用于能源方面的模擬和分析。

(2)結合VR技術

在2018年俄羅斯葉卡捷琳堡國際工業(yè)創(chuàng)新展覽會上，一家VR開發(fā)公司展示了葉卡捷琳堡中心部分信息模型的試點VR項目[21]，通過不斷地完善BIM與GIS模型對該項目進行測試調(diào)整，來實現(xiàn)VR在CIM上的廣泛應用。

(3)結合AR技術

Urban CoBuilde應用程序通過CIM與AR技術和游戲相結合的方法讓用戶對城市環(huán)境進行探索，讓利益相關者參與城市規(guī)劃，從而收集到城市規(guī)劃過程中需要涉及的一些信息[22]。

目前，CIM可視化發(fā)展相對較為成熟，許多CIM建模平臺同時也具備可視化功能，而與VR或AR技術的結合也使得CIM模型能夠傳達的信息更加豐富和直觀。

3 主要技術實現(xiàn)平臺

目前，隨著5G網(wǎng)絡與物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，很多軟件開發(fā)商認識到了CIM平臺的價值， 2020年4月21日，騰訊云推出了“基于CIM的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺”——CityBase[23]，雖然還未開放使用，但從產(chǎn)品體系架構來看還是相當完備的。而現(xiàn)階段世界各國也開發(fā)了許多能實現(xiàn)部分CIM技術的平臺，表2列出了CIM領域的主流技術實現(xiàn)平臺，并對它們的功能和優(yōu)缺點進行了整理。

表2 CIM主流技術實現(xiàn)平臺

從表2可以看出，目前CIM技術實現(xiàn)平臺數(shù)量雖然不少，但主要功能集中在建模和可視化方面，核心分析功能都比較有限。應該說，CIM技術實現(xiàn)平臺尚有很大的發(fā)展空間。

4 典型應用

楊滔等人曾指出CIM的本質(zhì)是服務城市全生命周期[33]。 圍繞城市建筑和市政基礎設施全生命周期，本文整理了CIM技術在實際工程規(guī)劃、建設、運維等階段的典型應用。

4.1 規(guī)劃階段

在規(guī)劃階段，運用CIM技術能夠預覽規(guī)劃成果，優(yōu)化城市空間布局，促進城市科學規(guī)劃、高效建設。

上海楊浦濱江開發(fā)區(qū)運用魯班CIM技術1∶1可視化還原規(guī)劃設計成果，對建成后整體環(huán)境進行預覽，進一步對比規(guī)劃方案，提升規(guī)劃的科學合理性[34]。其水務項目在規(guī)劃設計階段，將CIM平臺與物聯(lián)網(wǎng)設備的數(shù)據(jù)進行對接，實時模擬水位變化，并根據(jù)水位及時做出響應或報警，以便及時做出決策并管理[35]。

河北雄安新區(qū)作為探索中國城市高質(zhì)量發(fā)展新模式的前行者，也是目前國內(nèi)最典型的CIM應用案例，從規(guī)劃階段便開始搭建以CIM為核心的時空大數(shù)據(jù)平臺，建立園區(qū)CIM體系，通過“數(shù)字孿生”平臺技術，在實現(xiàn)現(xiàn)實城市建設規(guī)劃的同時，同步建設打造孿生城市和智能城市[36-37]。

在深圳保障房建設過程中，運用CIM技術搭建保障房規(guī)劃建設決策指揮平臺、項目建設全過程監(jiān)管與信息共享平臺，解決體量大、任務重的問題，支撐深圳保障房規(guī)劃建設[38-39]，有助于提升保障房建設的速度。

4.2 建設階段

在建設階段應用CIM技術，可以進行建設施工場景可視化、工程量計算、項目進度質(zhì)量管理等，顯著提升建設過程精細化監(jiān)管效能。

重慶仙桃數(shù)據(jù)谷在建設階段部署魯班CIM平臺，施工人員可視化監(jiān)督建筑信息、工程進度、安全數(shù)據(jù)等內(nèi)容，有助于大幅度提升項目的管控水平[40]。

南京市南部新城集中展示區(qū)，以三維城市設計模型數(shù)據(jù)為基礎，使用鴻業(yè)3DGIS平臺，載入醫(yī)療中心BIM模型、基礎設施BIM模型和集中展示區(qū)傾斜攝影三維模型，搭建南部新城CIM平臺，并接入市政基礎設施建設，對工地進行實時監(jiān)控管理，以了解現(xiàn)場施工進度，把控施工質(zhì)量，及時制止違規(guī)操作[41]。

4.3 運維階段

在運維階段運用CIM技術，可以消除各系統(tǒng)信息孤島，實時監(jiān)控運行態(tài)勢，及時進行運營維護，可視化應急指揮，保障城市正常運行。

青島中央商務區(qū)建立了基于CIM的城市綜合管理平臺，打造交通、綜治、產(chǎn)業(yè)、安全四大運行指數(shù)衡量青島中央商務區(qū)總體運行健康發(fā)展態(tài)勢，實現(xiàn)了中央商務區(qū)全生命周期的業(yè)務貫通[42]。

江蘇南通創(chuàng)源科技園采用CIM數(shù)據(jù)平臺，在各系統(tǒng)之間實時進行信息交流和數(shù)據(jù)共享，通過整合、分析計算各子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，結合設計預案，對各種非正常狀況做出實時判斷，進而實施有效的預警聯(lián)動[43]。

河北南拒馬河防洪治理工程，通過設置感知+物聯(lián)+智慧+CIM防洪堤壩綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)融合工程設計和IT設計，并依托物聯(lián)網(wǎng)、云平臺、遙感、GIS、BIM、監(jiān)控報警等技術，將防洪堤壩管理系統(tǒng)納入一個即時的可管理、可監(jiān)控、可調(diào)度的智能平臺上，實現(xiàn)快速、協(xié)同、智能管理與科學決策，并接入雄安CIM平臺[44]。

整體來看，目前CIM應用大都只是參與了城市生命周期的特定階段，幾乎未能貫穿整個城市生命周期。從2013年至今，我國已有700多個城市提出或在建智慧城市。而且，隨著“新基建”戰(zhàn)略的實施，更多的數(shù)字孿生城市也將被建立。作為智慧城市和數(shù)字孿生城市的模型基礎，CIM未來將有很大的應用前景。

5 結論

CIM的內(nèi)涵正從City Information Modeling到City Intelligent Model不斷發(fā)展，而且面臨國家“新基建”戰(zhàn)略帶來的重要發(fā)展機遇。

目前，CIM研究在國內(nèi)外都處于初級階段。CIM的框架設計尚不成熟，融合BIM和GIS是其主要建模方法，已有一定研究，但仍有待深化。相比之下，CIM可視化研究較為成熟。

CIM主流技術實現(xiàn)平臺集中在建模和可視化功能，但分析功能尚不成熟； CIM在我國的應用已經(jīng)分布到城市全生命周期各階段中，但尚缺乏貫穿城市全生命周期的應用，發(fā)展空間廣闊。

整體上，作為智慧城市和數(shù)字孿生城市的模型基礎，CIM作用不可替代，而且隨著國家“新基建”戰(zhàn)略帶來的5G、IoT等相關支撐技術的普及，CIM將為智慧城市和數(shù)字孿生城市創(chuàng)造出高性能、智能化、多方位的應用情景，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，龐大的應用需求與當前初期研究現(xiàn)狀是CIM發(fā)展面臨的重大矛盾，亟待加快、加大、加強CIM研發(fā)工作，為我國城市發(fā)展與管理提供深度信息化的新支點、新引擎。