CIM平臺的多源數據處理研究分析

吳開達 呂令聰 王振東 史益軍

（1.中建八局第二建設有限公司 山東省濟南市 250013 2.上海凱云建筑工程咨詢有限公司 上海市 201101）

1 簡介

城市信息模型CIM（City Information Model）是中國學者提出的新一代信息技術，得到住建部、工信部、自然資源部、發改委、網信辦等多部門的大力支持和推廣。CIM是智慧城市的三維數字底板，是數字孿生城市的物理鏡像[1]。CIM平臺的本質是集成，技術層面集成AI、BIM、GIS、IoT、5G、大數據、云計算等先進的新一代信息技術[2]，數據層面集成“城市三維、建筑三維、城市和重要建筑設施設備及運營數據”等成為的城市三維數字源，可作為城市管理的統一平臺來建設，將智慧城市的應用場景植入CIM平臺進行統一管理，實現城市管理一張藍圖管到底，提高城市綜合治理和精細化管理水平。

在CIM平臺中，BIM模型、GIS還有激光點云、圖像、視頻及多源傳感器數據，這些數據格式多樣，幾何精度不一致，還存在跨度大、數據不確定性等問題。這就需要研究多層次通用空間數據標準，并建立數據存儲標準，實現多模態數據的融合表達[3-5]。需要在既有空間坐標框架、時間框架等標準的基礎上，進行擴展，并結合對象類型、高程、內部結構、時序信息等信息，建立不同類型、不同信息系統所需的信息資源統一的時空框架，做到空間定位、編碼一致并在城市信息模型中建立起有機聯系，實現多源信息準確集成與定位，滿足CIM系統信息資源共享與空間定位查詢的需要。同時，在數據層要建立多源數據接入服務標準，基于云平臺，構建微服務架構的跨行業數據實時接入服務。

本文以城市信息模型CIM為切入點，概述了CIM平臺構建的難點在于多源數據的處理與分析。由于多源數據的多來源、多模態，需要新的Web開發手段架構CIM，實現CIM平臺數據的融合和集成。

2 基于CIM平臺的多源數據

2.1 多源數據的特點

2.1.1 多來源

多來源，顧名思義，就是數據來源眾多。就CIM平臺而言，數據來源可以具體分為三大類，如圖1所示：一是城市基礎信息，主要包括建筑模型數據和信息、以及個體建筑（如寫字樓）的信息，此外還有城市道路交通狀況和城市土地等信息。二是建筑內部信息，即建筑物內部重要的建筑結構和建筑部件的信息，通常包括建筑物的建造年限，建筑材料的類型和功能，以及建筑物內部的設備信息，此外還涉及建筑造價、運維等信息。通過對前述信息的分析，再結合使用者權限進行權限劃分，基于CIM平臺為用戶提供智能服務。三是物聯網信息，即通過信息化手段（如視頻監控、信號燈）將人類活動與建筑或者場所內設施交互產生的信息加以處理，從而提升城市管理水平，解決如城市交通擁堵、以及區域內火災應急防控等問題。

圖1：CIM多源數據示意圖

2.1.2 多模態

多模態數據也可以理解為多維度數據，即針對同一個的對象，通過不同維度或視角而得到的數據，這些數據隸屬于描述同一個對象，并且處于平行地位，而這些不同方式或領域得到的數據就稱為一個模態[6]。就CIM平臺數據而言，即城市基礎數據、建筑物內部信息和物聯網信息，為不同形態的數據形式，或者同種形態不同的格式。這些多模態的數據在CIM平臺中，主要來自于BIM模型、GIS、文本、圖片、音頻、視頻及多源傳感器數據等混合數據。一般來講，多模態數據由于形式眾多，具有很強的使用資質。但數據可能分布在不同的系統或平臺，導致數據過于混亂，包含結構化和非結構化數據，同時由于數據量巨大、數據質量質量參差不齊，使得多模態數據不能直接進行處理。

2.2 數據融合與集成

數據融合(Data Fusion)也稱為信息融合(Information Fusion)，是對信息源所提供的關于某一環境特征的不完整信息加以綜合，以形成相對完整、一致的感知描述，從而實現更加準確的識別和判斷功能。數據集成是將兩個或多個數據集通過格式轉換、結構重組、語義匹配、尺度轉換和數據融合等有機和虛擬的組合，是在統一平臺上集成重要數據源，數據消歧和數據存儲的過程，并將這些數據統一提供給用戶。

數據集成的本質是實現不同數據源之間的數據交換，并且在交換過程中具備數據清洗轉換的能力；當然，在實際應用場景中，還需要解決各種復雜網絡問題，例如用戶本地機房如何進行數據上云，云上不同VPC內的數據源如何進行相互同步等。

可以說，CIM平臺本質上就是將各項專業的業務系統在一個平臺內部進行統一的整合，在數據層面上達到高度融合，然后進行數據的集成。因此，對于CIM平臺的構建的重難點就在于如何將多源數據接入到平臺中。

3 基于CIM平臺的多源數據接入

由于CIM平臺的數據量巨大，并且來源眾多，格式不統一，因此針對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，實現對CIM平臺海量數據的分布式管理。

3.1 數據標準化

CIM平臺存在大量的不同格式的數據，主要來自BIM的建模型信息，因此需要對BIM數據進行標準化，包括BIM數據的輕量化和規范化。由于BIM模型信息的重點在于單體建筑信息，包括建筑結構、建筑內機電管線信息、建筑設備信息等，當建模對象在尺度上達到園區級或城市級，CIM數據體量巨大，因此，有必要通過多種技術手段，比如部件成組、實例化存儲、渲染處理等，來實現BIM模型的輕量化和優化，大幅度降低數據體量。

此外，BIM建模軟件尚缺乏統一的標準、規范，不同建模軟件的數據格式不同、文件結構不同，加之建模軟件種類繁多，導致難以采用統一的技術方案實現模型信息共享。而且BIM建模軟件大多不對外公開其數據格式、文件結構，導致BIM與GIS對接存在壁壘。目前，要想獲取包括材質、幾何尺寸、屬性等在內的完整BIM信息，通常采用的方法是基于數據格式轉換工具或插件，將BIM數據轉換成能夠跟GIS對接的數據格式，但是轉換后數據容易出現變形、丟失等問題，需要大量的人工補正工作，這造成了模型可用性、易用性低下，效率低下等問題。因此，有必要制定相應的標準、導則等，對BIM數據的開放性、BIM數據的格式規范提出要求。

3.2 微服務架構

2012年，微服務架構（Micro service Architecture）作為一種新興的架構概念而出現（圖2）。它能夠加快移動應用程序和Web系統開發進程，旨在通過將功能分解到各個離散的服務中以實現對解決方案的解耦[7,8]。在2015年時，微服務結構被人們廣泛接受，它通過將一個復雜的系統或功能分解到多個微服務中，而這些微服務都可以相對獨立的運行而不受影響，從而降低了系統的耦合性，同時還提供了更加靈活的服務支持。此外，微服務架構在將單個的應用程序和服務拆分為多個微服務時，擴展的是單個的組件而不是整個應用程序堆棧，從而滿足附物等級協議。

圖2：微服務架構理念示意圖

微服務架構與傳統的單體式架構開發對比，它的每個獨立的服務能夠更加自主方便的進行開發、測試和部署，在后續的不同場景應用中針對不同的業務特點能更為針對性的提供解決方案，不像單體架構將所有問題統一集中解決，從而使得業務處理更加簡單，同時還保證了系統技術應用的最優化和多元化。此外，由于微服務架構的分布式管理，非常強調每個服務模塊的隔離性，通常不依賴其他服務，當系統后期需要增加某個功能或需要對某個服務模塊進行修改時，微服務架構能夠將某個服務模塊單獨的剝離出來重寫，或者增加新的技術和語言框架，然后單獨部署，不影響到整個系統的運行。這大大減少客戶端與服務間的往來，從而進一步開發的質量以及效率。

4 結語

CIM平臺的數據具有多來源、多模態的特點，對于這樣的數據，應當通過一定的技術手段在數據接入CIM平臺進行一定的輕量化和規范化，然后通過微服務架構將大量數據拆分為獨立的平行的微服務模塊，從而能更好的達到數據融合和數據集成，最終實現CIM平臺更高效、更高質的管理。