城市信息模型（CIM）關鍵技術集成研究

陳 兵，王 港

（沈陽建筑大學 管理學院，沈陽 110168）

0 引言

CIM 可以被理解成三維信息化城市，是將最新的信息科技應用于城市的各行各業之中，進而用“數據”建造起集信息化、工業化于一體的新型城市，使用BIM、IOT、GIS 等高端技術使城市的各種因素處于協同發展的狀態。目前國內許多學者研究了CIM 及其關鍵技術。張宏等人從CIM 的形成與發展，含義與組成剖析了CIM 智慧城市的發展情況與未來趨勢，分析CIM 的架構，提出構建CIM 的系統的幾點措施［1］。楊滔等人在CIM 建設的背景下分析了傳統的智慧城市與CIM 智慧城市區別在于城市本身的全息數字化并以雄安CIM 平臺為例生動地演示了CIM 平臺的建設［2］。王寶令 等整合了城市信息模型（CIM）的定義，分析城市信息模型的架構，城市信息模型是“BIM＋GIS＋IOT”的組成［3］。以上學者的分析，都顯示出當前發展CIM 智慧城市的必要性。但CIM 建設是各種先進技術的結合體，即“集百家之所長”，而不是某一種技術的單一發揮。比如BIM 可以精細設計城市中某一建筑的模型，可以檢查這一棟建筑某一個房間的管線碰撞，但當以整座城市作為研究對象時，BIM 就顯得“力不從心”了，它既需要用到GIS 龐大的數據庫，也需要物聯網實體模型以及其他技術的支持。本文的研究意義在于通過解構CIM 的含義，分析CIM 的關鍵技術在智慧城市中的聯合應用而非單一應用，通過技術集成的視角理解智慧城市，為推動CIM 智慧城市的建設提供建議。

1 城市信息模型（CIM）的含義和組成

CIM：在物聯網這座“物”的橋梁下將城市的基礎信息與BIM 具體項目模型相連接，建立起一個實時的、大規模的城市三維數據庫，與傳統的數字城市相比，在BIM 技術的幫助下，CIM 數據更加精細化，大至每一條城市道路、每一棟建筑物，小到建筑物內部的每一根管線、每一扇門窗。CIM 的關鍵技術包括以下3 個：

（1）城市地理信息系統（GIS），包括建筑模型、模型信息、交通道路、發展規劃、繪圖和路線規劃等信息。

（2）建筑信息模型（BIM），其核心是三維模型所形成的數據庫，能通過基礎數據、繪制模型、仿真實驗等手段來模擬建筑的真實信息，包括建筑的設計信息、內部構造等。可以從質量、進度、成本和安全等方面對建筑進行全過程跟蹤與協調。

（3）物聯網信息模型（IOT），物聯網涉及“物”的收集、儲存、集成、傳遞和處理，IOT 應用在智慧城市的建設中是要建立允許智能設備互連、互相操作的服務實體模型。

2 城市信息模型（CIM）關鍵技術集成研究

CIM 平臺利用IOT 的信息傳感設備將BIM 建筑模型在3DGIS 的技術支持下，將城市連接起來形成一個巨大的數據庫。該數據庫有著信息共享、數據實時變化的特點，數據庫借此來滿足城市運行中的各種需求，以集約高效的協同管理模式進行城市管理。在此過程中最為重要的就是三大關鍵技術BIM、GIS、IOT 的集成及聯合應用，下面主要對三大關鍵技術集成及聯合應用進行研究。

表1 GIS 與BIM 的數據差異

2.1 BIM 與GIS 集成研究

通過表1 比較數據組織、數據存儲、數據表達它們之間的差異，這是目前較為科學的研究方法［4］。BIM 技術主要應用于單個項目建設的全過程開發，從建筑設計、項目施工到項目的竣工驗收和后期運營維護，單個項目的屬性信息可以精細到內部構件，由于3D 建模具有模型可視化程度高、項目建筑信息全面、可多人協同操作等諸多優點。但BIM 技術仍存在一些固有的缺點：所建立的模型數據量大、3D 可視化預處理時間較長、對服務器性能要求高等。經過幾十年的研究和應用，GIS 技術已經比較成熟，能夠很好地處理海量的大比例尺地形數據，計算效率高，系統運行平穩，對于宏觀模型的顯示具有獨特的優勢，因此，將BIM 與GIS 技術相結合，可以同時顯示微觀和宏觀的數據，這將有助于提高系統的整體性能為工程可視化和管理提供更豐富、全面的信息［5］。兩者的結合可應用到智慧城市的眾多領域，如：

（1）建立“BIM＋GIS”城市管理信息平臺。在BIM 三維模型數據庫、GIS 地理信息庫等主要技術支持下，“BIM＋GIS”城市管理信息平臺可用于模型收集、模型審查、工程監管等多個方面，可達到收集、設計、審核、監管的全方位一體化建設。［6］

（2）城市道路建設。以GIS 海量的地形數據為優勢，結合BIM 精細化的建模技術，可以建立完整而有序的城市交通道路模型，在城市交通道路規劃時，可以將當前的設計融入原有道路系統中，根據交通客流量對改建道路進行模擬仿真，檢測設計的合理性，并根據模擬仿真進行模型優化。另外可以在模型上標明道路的詳細信息，包括：道路的名稱、設計單位、施工單位、設計年限、主要施工工藝、建筑材料等主要信息附于模型之內以便道路維修以及改擴建［7］。

2.2 BIM 與IOT 數據架構與集成

如表2 所示，IOT 技術是BIM 模型與“物”這一關鍵實體相結合的橋梁。在城市建設的全生命周期中，由于各參建方具有高度的機動性，因此對BIM 技術提出了很高的要求。BIM 技術是種虛擬技術，在建模、模擬等操作完成后，需要建設各方進行聯動實施，這時物聯網技術就充當起了“橋梁”角色：將虛擬與現實相連接，通過RFID 標簽、二維碼、智能傳感器、定位裝置等手段，打通實體與數據間的接口，從而實施對城市建造全過程進行監控，預防并控制意外的發生［8］。IOT 技術與BIM 技術的集成，主要體現在將BIM 與IOT 的技術集成應用于建設項目的質量、進度、安全控制方面。在進度管理方面，無論是成片的建設項目還是單個建設項目，項目管理人員通過IOT 的智能傳感器與定位裝置、視頻監控裝置等技術進行遠程監管與控制，借助本項目前期BIM 建模時的項目數據庫對物資以及項目內部構件進行統籌管理，借此技術集成來對項目做出合理的規劃以及指揮。在質量管理方面，管理人員借助BIM 模型的定位與IOT 的視頻監控技術能夠全程監控施工現場的人員、材料以及機械的運轉情況［9］。對于建筑項目的安全管理，對建筑項目施工現場存在的安全隱患可以借助BIM 模型與IOT 的定位技術，再加上RFID 標簽和二維碼進行輔助，能夠較為準確地解決安全隱患。項目財產包括：建筑材料、建筑器械，以及重要放置資產的區域。管理人員可以通過對項目財產進行實時的定 位與監控，從而能夠對它們進行有效的保護。

表2 BIM 與IOT 的數據架構

2.3 GIS 與IOT 的數據架構與集成

如表3 所示，“GIS＋IOT”的技術集成，運用GIS 強大的空間數據與IOT 的監測數據組成綜合運營管理平臺，也就是地理信息平臺和數據庫平臺結合運用。在CIM 智慧城市建設中，通過GIS 對地圖的超強控制功能將城市內的各個項目、各個部位設施的地理屬性進行網格化管理，通過IOT 的連接形成空間化的城市模型展示系統，主要作用是精確定位，有效查詢城市人口信息，城市房屋查詢。準確來說該技術還有很大的開發空間，針對本次新型冠狀病毒防治，“GIS 與IOT” 的技術集成應用在控制和監測人口流動方面會有極大的作用。

表3 GIS 與IOT 數據架構

2.4 當前CIM 關鍵技術的基本架構及研究重點

當前關于CIM 的研究還處于基礎階段，主要從框架設計、數據融合及可視化進行研究。一是框架設計，框架設計分為建筑模塊、基礎設施模塊、交通模塊、水體模塊、MEP 模塊五大模塊。二是數據融合，數據融合是一個難點，怎樣實現數據融合是當前研究的難點。三是可視化，主要是將BIM 數據、GIS 數據進行整合，實現全景可視化。CIM 的實現要靠基本架構指導（見表4），根據基本架構實現CIM 平臺的建立，借助大數據、云計算的先進技術，最終形成 “大場景3DGIS＋小場景BIM＋微觀IOT 數據”的局面。［2］

表4 基本架構

3 結語

CIM 建設是21 世紀城市化建設勢不可擋的潮流，通過對CIM 關鍵技術的集成研究，得出以下結論：①智慧城市的建設關鍵在于技術的聯合應用而并非某一種技術發揮作用，而隨著經濟社會的不斷發展，新興技術不斷涌現，5G 建設，大數據的快速發展，各種技術集成以及聯合應用將成為建設智慧城市的核心力量。②一套完整的CIM 體系是服務于城市的全生命周期，是從工程規劃、建設到項目運營維護階段的全過程，在城市建設前期研究與規劃階段，運用CIM 平臺將預覽規劃成果，來優化城市空間布局，促進城市科學規劃、高效建設。在國家政策的指引下，雄安新區作為探索中國城市高質量發展新模式的前行者，是目前國內最成熟的CIM 智慧城市應用案例，從建設規劃階段便開始搭建以CIM 為核心的大數據平臺，通過“數字孿生”平臺技術，借助關鍵技術的集成應用，在實現用CIM 模型建設打造孿生城市和智能城市［10-11］。但目前我國的CIM 建設還處在基礎研究階段，僅在城市建設中的某個特定階段能夠熟練運用，全過程完整運用還缺少一些經驗。在數據互通、隱私保護、圖像大儲存技術以及制定統一的CIM 建設標準等方面還需要加大研究力度，來推動CIM 智慧城市的發展。誠望本文在CIM 技術集成研究方面能夠推動智慧城市的發展。