CIM研究綜述

許 鎮(zhèn) 吳瑩瑩 郝新田 楊雅鈞

(北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

1 CIM的發(fā)展過(guò)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B(niǎo)uilding Information Modeling(BIM)技術(shù)的逐漸成熟，Khemlani希望在城市規(guī)劃中運(yùn)用到類似BIM的技術(shù)，將信息模型從建筑層次提升到城市層次。因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，CIM被簡(jiǎn)單理解為是BIM在城市范圍的應(yīng)用。

在2014年，Xu等人[2]提出通過(guò)集成BIM和Geographic Information System(GIS)來(lái)建立CIM。具體地，Xu等人擬開(kāi)發(fā)一個(gè)兼容IFC(BIM標(biāo)準(zhǔn))與CityGML(GIS標(biāo)準(zhǔn))的CIM平臺(tái)，并將CIM的建模方法分為三種：城市實(shí)體測(cè)量、集成Computer Aided Design(CAD)和GIS、集成GIS和BIM。其中，實(shí)體測(cè)量方法工作量大、應(yīng)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(shì)，而且日益普及，可提供構(gòu)件級(jí)別的建筑內(nèi)部信息。如果BIM與宏觀GIS數(shù)據(jù)結(jié)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(shì)。

在2015年，我國(guó)同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)[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(chǔ)上進(jìn)一步提出了智能(Intelligent)的目標(biāo)，其內(nèi)涵不僅是指城市模型中海量數(shù)據(jù)的收集、儲(chǔ)存和處理，更強(qiáng)調(diào)基于多維模型解決發(fā)展過(guò)程中的問(wèn)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(shù)也逐漸與BIM、GIS一并成為CIM的主要技術(shù)支持。此外，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)也逐漸應(yīng)用在CIM當(dāng)中。

在2018年11月12日，國(guó)家住建部將雄安、北京城市副中心、廣州、南京、廈門(mén)等列入“運(yùn)用建筑信息模型(BIM)進(jìn)行工程項(xiàng)目審查審批和城市信息模型(CIM)平臺(tái)建設(shè)”五個(gè)試點(diǎn)城市[6]，這標(biāo)志著CIM在我國(guó)由概念階段開(kāi)始正式進(jìn)入到建設(shè)階段。從這些城市數(shù)字化治理的建設(shè)目標(biāo)來(lái)看，CIM憑借其全面的信息集成特征會(huì)成為智慧城市[7]和數(shù)字孿生城市的重要模型基礎(chǔ)。

2020年3月4日，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)會(huì)議提出，加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度[8]。“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)施會(huì)為智慧城市以及數(shù)字孿生城市提供更加強(qiáng)大的數(shù)字動(dòng)力，加速其建設(shè)進(jìn)程。作為智慧城市以及數(shù)字孿生城市的重要模型基礎(chǔ)，CIM的重要性日益突出，面臨空前的發(fā)展機(jī)遇。

2 主要研究方向

整體上，CIM研究在國(guó)內(nèi)外都處于初級(jí)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(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)融合及可視化。

圖1 CIM主要研究方向

2.1 框架設(shè)計(jì)

對(duì)CIM的概念的不同認(rèn)知使得對(duì)CIM結(jié)構(gòu)框架的定義也不盡相同。例如，汪深等人[9]認(rèn)為CIM是BIM的擴(kuò)展，二者都包括物質(zhì)、空間、性能和文化四個(gè)組成結(jié)構(gòu)，所不同的是，CIM在BIM架構(gòu)的基礎(chǔ)上又增添了城市基礎(chǔ)設(shè)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(zāi)分析情境下，將CIM框架劃分為土地、設(shè)施以及水體三個(gè)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(gòu)，Xu等人的架構(gòu)劃分明顯更加精細(xì)，也更加全面。Xu等人將城市信息模型劃分為建筑、運(yùn)輸、水體、MEP(Mechanical， Electrical & Plumbing)、基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)模塊，見(jiàn)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(duì)更廣。

雖然以上三個(gè)框架精細(xì)程度和適用范圍不同，但都是將CIM框架根據(jù)具體要素進(jìn)行劃分的。而Stojanovski[11]則是從城市形態(tài)方面來(lái)定義CIM框架。他把CIM的框架定義為是由無(wú)數(shù)不可再分割的街區(qū)構(gòu)成的，每個(gè)街區(qū)都有自己的一張屬性表和一個(gè)有著對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系的3D空間，通過(guò)該坐標(biāo)系在城市空間進(jìn)行投影，且每個(gè)街區(qū)都定義邊界，不同的街區(qū)通過(guò)邊界建立聯(lián)系。這樣的框架相當(dāng)于是把一個(gè)大的城市模型精分為無(wú)數(shù)個(gè)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(xì)致的信息結(jié)構(gòu)。

根據(jù)CIM框架設(shè)計(jì)相關(guān)的調(diào)研可見(jiàn)，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(xì)度和層次性不夠，具有一定的局限性。而框架設(shè)計(jì)是CIM技術(shù)發(fā)展的一大基礎(chǔ)。因此，一個(gè)統(tǒng)一的、多層次的、適用性強(qiáng)的CIM框架依舊是未來(lái)CIM領(lǐng)域研究的一大熱點(diǎn)。

2.2 數(shù)據(jù)融合

建立一個(gè)集設(shè)計(jì)、計(jì)算、管理、評(píng)估于一體的平臺(tái)是CIM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，而CIM平臺(tái)搭建的重點(diǎn)和難點(diǎn)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(chǔ)信息、建筑內(nèi)部信息以及物聯(lián)網(wǎng)信息。其中，城市基礎(chǔ)信息以GIS技術(shù)為支撐，建筑內(nèi)部信息的獲取則更多的運(yùn)用BIM和CAD，而城市各個(gè)領(lǐng)域底層信息的采集則依賴于IoT技術(shù)。因此目前CIM研究領(lǐng)域主要有三種建模方式：基于實(shí)體測(cè)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(shè)計(jì)以及城市規(guī)劃方面已經(jīng)相當(dāng)成熟，作為繪圖工具，CAD能夠準(zhǔn)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(jìn)行必要的分析處理。早在2000年，Ozel就曾經(jīng)指出GIS能夠?yàn)镃AD所建立的復(fù)雜模型提供全面的空間分析[12]。我國(guó)學(xué)者朱慶等人也認(rèn)為CAD技術(shù)對(duì)GIS的發(fā)展至關(guān)重要并總結(jié)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(jìn)行CIM建模的研究。如Gil等人[4]就曾論證過(guò)通過(guò)開(kāi)發(fā)一種集成GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)的CAD工具實(shí)現(xiàn)CIM設(shè)計(jì)和分析的可行性。目前也已有一些用于城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的軟件是在CAD基礎(chǔ)上結(jié)合GIS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)的，如StadtCAD Hippodamo[14]。

然而，不同的平臺(tái)和標(biāo)準(zhǔn)使得二者之間的集成存在困難，主要集中在坐標(biāo)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(cuò)誤的問(wèn)題上[15-16]。雖然Pu等人利用Database Management System(DBMS)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)方法來(lái)解決CAD與GIS之間數(shù)據(jù)類型差異的問(wèn)題，但是對(duì)于CAD中的自由曲線和曲面等復(fù)雜數(shù)據(jù)類型卻無(wú)法進(jìn)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(wèn)題使數(shù)據(jù)融合變得更為復(fù)雜，雖然Badhrudeen等人嘗試?yán)脵C(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)識(shí)別CAD到GIS轉(zhuǎn)換過(guò)程中潛在的錯(cuò)誤，以及原始CAD數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤[18]，但是依舊無(wú)法完全避免原始數(shù)據(jù)所造成的錯(cuò)誤，而且造成了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程的耗時(shí)費(fèi)力。最關(guān)鍵的是CAD的協(xié)同工作能力不足，這對(duì)于以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作為主要目的的CIM技術(shù)來(lái)說(shuō)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(shù)使得BIM與GIS的融合更具優(yōu)勢(shì)，也成為目前CIM技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，取得了較快的發(fā)展。學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為協(xié)調(diào)語(yǔ)義是實(shí)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(yǔ)義模型分別是IFC和CityGML，因此根據(jù)這兩種語(yǔ)義模型的轉(zhuǎn)換關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的BIM和GIS集成方法已經(jīng)開(kāi)展了一定的研究，但不同基礎(chǔ)方法的優(yōu)缺點(diǎn)都比較突出，尚未形成成熟的集成方法，仍有待于進(jìn)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(guò)計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)可視化平臺(tái)、結(jié)合VR或AR成為熱點(diǎn)。

(1)可視化平臺(tái)

Simstadt 是2013年斯圖加特技術(shù)高等專業(yè)學(xué)院開(kāi)發(fā)的一個(gè)城市模擬平臺(tái)，基于CityGML可對(duì)多細(xì)節(jié)層次(Level of Detail， LoD)進(jìn)行建模，導(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)后，可對(duì)城市模型進(jìn)行加強(qiáng)修復(fù)，最后通過(guò)模擬工具進(jìn)行多種能源模擬，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果和評(píng)估指標(biāo)，在3D城市模型中進(jìn)行可視化[20]，該平臺(tái)現(xiàn)主要用于能源方面的模擬和分析。

(2)結(jié)合VR技術(shù)

在2018年俄羅斯葉卡捷琳堡國(guó)際工業(yè)創(chuàng)新展覽會(huì)上，一家VR開(kāi)發(fā)公司展示了葉卡捷琳堡中心部分信息模型的試點(diǎn)VR項(xiàng)目[21]，通過(guò)不斷地完善BIM與GIS模型對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試調(diào)整，來(lái)實(shí)現(xiàn)VR在CIM上的廣泛應(yīng)用。

(3)結(jié)合AR技術(shù)

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

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

3 主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

目前，隨著5G網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，很多軟件開(kāi)發(fā)商認(rèn)識(shí)到了CIM平臺(tái)的價(jià)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(tái)”——CityBase[23]，雖然還未開(kāi)放使用，但從產(chǎn)品體系架構(gòu)來(lái)看還是相當(dāng)完備的。而現(xiàn)階段世界各國(guó)也開(kāi)發(fā)了許多能實(shí)現(xiàn)部分CIM技術(shù)的平臺(tái)，表2列出了CIM領(lǐng)域的主流技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，并對(duì)它們的功能和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了整理。

表2 CIM主流技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

從表2可以看出，目前CIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(yīng)該說(shuō)，CIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)尚有很大的發(fā)展空間。

4 典型應(yīng)用

楊滔等人曾指出CIM的本質(zhì)是服務(wù)城市全生命周期[33]。 圍繞城市建筑和市政基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期，本文整理了CIM技術(shù)在實(shí)際工程規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維等階段的典型應(yīng)用。

4.1 規(guī)劃階段

在規(guī)劃階段，運(yùn)用CIM技術(shù)能夠預(yù)覽規(guī)劃成果，優(yōu)化城市空間布局，促進(jìn)城市科學(xué)規(guī)劃、高效建設(shè)。

上海楊浦濱江開(kāi)發(fā)區(qū)運(yùn)用魯班CIM技術(shù)1∶1可視化還原規(guī)劃設(shè)計(jì)成果，對(duì)建成后整體環(huán)境進(jìn)行預(yù)覽，進(jìn)一步對(duì)比規(guī)劃方案，提升規(guī)劃的科學(xué)合理性[34]。其水務(wù)項(xiàng)目在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，將CIM平臺(tái)與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)時(shí)模擬水位變化，并根據(jù)水位及時(shí)做出響應(yīng)或報(bào)警，以便及時(shí)做出決策并管理[35]。

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

在深圳保障房建設(shè)過(guò)程中，運(yùn)用CIM技術(shù)搭建保障房規(guī)劃建設(shè)決策指揮平臺(tái)、項(xiàng)目建設(shè)全過(guò)程監(jiān)管與信息共享平臺(tái)，解決體量大、任務(wù)重的問(wèn)題，支撐深圳保障房規(guī)劃建設(shè)[38-39]，有助于提升保障房建設(shè)的速度。

4.2 建設(shè)階段

在建設(shè)階段應(yīng)用CIM技術(shù)，可以進(jìn)行建設(shè)施工場(chǎng)景可視化、工程量計(jì)算、項(xiàng)目進(jìn)度質(zhì)量管理等，顯著提升建設(shè)過(guò)程精細(xì)化監(jiān)管效能。

重慶仙桃數(shù)據(jù)谷在建設(shè)階段部署魯班CIM平臺(tái)，施工人員可視化監(jiān)督建筑信息、工程進(jìn)度、安全數(shù)據(jù)等內(nèi)容，有助于大幅度提升項(xiàng)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(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用鴻業(yè)3DGIS平臺(tái)，載入醫(yī)療中心BIM模型、基礎(chǔ)設(shè)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(tái)，并接入市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，對(duì)工地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，以了解現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，把控施工質(zhì)量，及時(shí)制止違規(guī)操作[41]。

4.3 運(yùn)維階段

在運(yùn)維階段運(yùn)用CIM技術(shù)，可以消除各系統(tǒng)信息孤島，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行態(tài)勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)維護(hù)，可視化應(yīng)急指揮，保障城市正常運(yùn)行。

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

江蘇南通創(chuàng)源科技園采用CIM數(shù)據(jù)平臺(tái)，在各系統(tǒng)之間實(shí)時(shí)進(jìn)行信息交流和數(shù)據(jù)共享，通過(guò)整合、分析計(jì)算各子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)預(yù)案，對(duì)各種非正常狀況做出實(shí)時(shí)判斷，進(jìn)而實(shí)施有效的預(yù)警聯(lián)動(dòng)[43]。

河北南拒馬河防洪治理工程，通過(guò)設(shè)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(shè)計(jì)和IT設(shè)計(jì)，并依托物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、遙感、GIS、BIM、監(jiān)控報(bào)警等技術(shù)，將防洪堤壩管理系統(tǒng)納入一個(gè)即時(shí)的可管理、可監(jiān)控、可調(diào)度的智能平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)快速、協(xié)同、智能管理與科學(xué)決策，并接入雄安CIM平臺(tái)[44]。

整體來(lái)看，目前CIM應(yīng)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(gè)城市生命周期。從2013年至今，我國(guó)已有700多個(gè)城市提出或在建智慧城市。而且，隨著“新基建”戰(zhàn)略的實(shí)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(chǔ)，CIM未來(lái)將有很大的應(yīng)用前景。

5 結(jié)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(guó)家“新基建”戰(zhàn)略帶來(lái)的重要發(fā)展機(jī)遇。

目前，CIM研究在國(guó)內(nèi)外都處于初級(jí)階段。CIM的框架設(shè)計(jì)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(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)集中在建模和可視化功能，但分析功能尚不成熟； CIM在我國(guó)的應(yīng)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(yīng)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(chǔ)，CIM作用不可替代，而且隨著國(guó)家“新基建”戰(zhàn)略帶來(lái)的5G、IoT等相關(guān)支撐技術(shù)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(yīng)用情景，具有廣闊的發(fā)展前景。然而，龐大的應(yīng)用需求與當(dāng)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(qiáng)CIM研發(fā)工作，為我國(guó)城市發(fā)展與管理提供深度信息化的新支點(diǎn)、新引擎。