城市動態運行骨架
——城市信息模型（CIM）平臺

文|于靜 楊滔

一、引子

隨著我國城鎮化率超過60%，城鎮化正在從外延式擴張向內涵式提升方向轉型，以完善城市功能、提高生活品質、推動綠色建設的高質量發展正在成為我國新型城鎮化的重點。同時，伴隨5G、云計算、區塊鏈、人工智能等新一代信息技術的發展，數字化與信息化創新也加速了高質量城鎮化發展，實時動態的城市運行服務正在成為數字經濟發展的驅動力。2020年3月31日，習近平總書記考察杭州城市大腦運營指揮中心時提出：“運用大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等前沿技術推動城市管理手段、管理模式、管理理念創新，從數字化到智能化再到智慧化，讓城市更聰明一些、更智慧一些，是推動城市治理體系和治理能力現代化的必由之路，前景廣闊。”為推進城市治理體系和能力現代化，2020年7月，住房和城鄉建設部聯合工業和信息化部、中共中央網絡安全和信息化委員會辦公室，聯合印發了《關于開展城市信息模型平臺（CIM）基礎平臺的指導意見》；2021年5月，住房和城鄉建設部頒布了《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》（修訂版）。其中，城市信息模型City Information Modeling（CIM）被定義為：“以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、物聯網（IoT）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。” 2021年《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出：“完善城市信息模型平臺和運行管理服務平臺，構建城市數據資源體系，推進城市數據大腦建設。探索建設數字孿生城市。”其中，城市信息模型CIM 平臺是建設數字孿生城市的重要支撐，服務于城市動態運行治理，聚焦于城市規建管全生命周期的創新。

城市信息模型（CIM）平臺的試點城市也相繼推出，第一批試點包括雄安新區、北京副中心、廣州、南京、廈門；兩批“新城建”的試點包括深圳、成都、蘇州、青島、重慶、太原等21個城市，都要求建設CIM 平臺。但在實踐過程之中，針對城市信息模型CIM 的定義也在不斷完善，多元異構數據的融通、跨行業模型的搭建以及CIM+應用的選擇等是其中的難點；同時，學術界也對CIM 這個新興事物進行了探索，如吳志強院士等提出城市智能模型（City Intelligent Model）的概念，認為CIM 不僅包括對城市數據的收集、儲存和處理，更加強調基于多維模型主動地解決城市發展過程中的問題。本文將從城市信息模型CIM平臺支撐城市動態運行的角度，去審視其建構的范式與要點，試圖為CIM平臺的實踐提供一些參考性借鑒。

二、CIM 的模型本質

城市信息模型（CIM）的關鍵詞是“模型”，而這種模型至少具備為城市提供信息的能力，即數據及其分析的表達表現（representation）、方法的模擬仿真(simulation)、解釋性理論的建構(explanation)等。一般而言，模型是對真實世界的再現與仿真，大體分為三類：一是抽象系統的模擬，如數學模型或邏輯模型；二是具象實物的模擬，如1：1 的足尺建筑模型或航天模型；三是類比概念的模擬，如城市的綠肺或脈搏。不管哪種類型的模型，其核心目的是表達、推演、預判真實世界的動態運轉，幫助人們理解城市運行的規律，并在生產與生活之中去預測未來的事件，或規避風險，或制定計劃，或實施處置等。因此，城市信息模型的初衷是盡可能地揭示城市本身動態運轉的機制，并借助此去推演城市下一步的運行情況。從維度、精度、粒度等方面，城市信息模型本意是盡可能地與真實城市一致，且使得人們有能力去參與到“虛擬化”的城市信息模型本身的演進之中，輔助人們在真實世界之中做出相應的及時決策。因此，從城市規劃、建設、管理、或治理的全生命周期動態閉環看，CIM 平臺不是一張表達性的靜態地圖，不管三維，還是多維；而是有能力提供信息共享、分析可視、監督預警、模擬仿真、輔助決策、聯動處置等基本性核心功能的系統性平臺。

從CIM 發展歷程來看，CIM 逐步從分析圖示、二維分析、三維聯動走向多維實時聯動。對于CIM 的起源，大致可分為三種。不嚴格地說，一種關于CIM 的討論源于經濟地理學或城市交通學，CIM 大體等價于城市模型，被視為是城市理論的數理驗證和推理工具，后期融入了社會認知學、環境行為學、城市心理學等領域的分析與模擬，也許可統稱為城市物理學與城市動力學。這類型的CIM 屬于多種模型的大雜燴，松散地包括成本收益模型、運籌模型、中心邊緣模型、博弈模型、城市動力模型、交通四步法模型、元胞自動機（CA）模型、多代理人系統（MAS）等。在早期，這些模型主要偏向模擬較為宏觀的社會經濟現象在空間上的分布機制，其中不少都強調描述與推演城市動態運行狀態，而中微觀尺度上的精細化模型一直都處于理論探索之中。

另一種關于CIM 的討論源于城市形態學、城市設計學以及建筑學，強調三維實體和空間形態的度量與調整，特別是運用參數化建模。例如，在全生命周期的城市設計之中，這類CIM被應用于評估、模擬、生成不同的城市設計方案，探索三維形體如何隨社會、經濟、環境等要素的變化而發生改變，適用于方案決策之中。大體而言，形狀語法(Shape Grammars)、模式語言、以及空間句法等都屬于這一類偏物質形態的CIM 范疇。當然，隨著個體認知學對城市形態研究的影響更為深入，這類CIM 也被初步用于城市駕車識路、室內逛商店、廣告標識布置等。

與此同時，還有一類關于CIM 討論源于建筑信息模型（BIM）對城市環境的影響。不少建筑師、工程師或建造師認為：各種BIM 的匯聚集合就是CIM。在早期，土木工程師或造價師會關注BIM 所具備的建筑材料運輸、成本流轉、生產加工廠家等信息，分析這些信息在城市、乃至區域內的分布和流轉情況，就自然而然地去試圖結合BIM 與GIS，在城市宏觀尺度上刻畫房屋上微觀信息的流動情況，輔助施工組織與調度管理。之后，由于基于房屋和市政BIM，CIM 可達到部件級精度，因此它被廣泛地用于項目工程管理、交通監測、應急模擬、不動產交易等動態仿真。

三、CIM 對城市實時動態運行的響應

顯而易見，從城市設計的體量模型（白模）、精細模型（貼圖模型或建筑單體化）到部件級的BIM，這屬于物質形態本身不斷地精細化，逐步接近真實城市物質形態的精準描述；然而CIM 本身仍然關注城市是如何動態運行的，才能發揮好CIM 在城市協同調度和決策之中的核心作用。隨著攝像頭、移動通訊、公交卡、感知部件等IoT 部件的廣泛使用，城市之中的實時精細化運行數據越來越容易獲得，并融入精細化物質空間位置之上。特別是個體的實時位置服務數據可用于刻畫個人、車輛、燃氣、水等要素在城市之中的運行軌跡與方式，進一步提升了城市的感知。例如，新冠肺炎疫情期間，對個人軌跡的調查，確保了“動態清零”的常態化；又如，在一兩個小時之內，手機導航可相對精準預判兩個地點之間的實時出行時間，方便老百姓規劃日常出行。

當物聯網、區塊鏈、邊緣計算等繼續發展，這種實時空間大數據將會改變過去城市模型的計算范式，從而出現了一些新趨勢。例如，模型不再關注因果關系，而是運用大數據邏輯，快速發掘兩個或多個現象之間的相關性，用于及時加速或遏制某個現象發生；模型從超量的數據之中，識別出特征關聯，用于預測下一步演變或響應情景。同時，實時空間大數據則提供了更大機遇去挖掘更為細致的因果機制關系，揭示不同尺度涌現與限制機制等，才有可能預測并應對城市運行的復雜性。對于CIM 而言，城市實時感知與運行的大數據有助于CIM 實現精準分析、及時判斷、協同調度等功能，盡可能地識別出那些跨部門、跨行業的關聯機制，去動態地勾畫出城市社會、經濟、環境、文化等方面的精準協同特征，以此去綜合解決真實城市運行過程之中面臨的問題與挑戰。

然而，并不是匯聚的數據越精細，CIM 就越能做出合理的研判。這是由于城市之中存在宏觀、中觀、微觀尺度的不同現象和機制，彼此交織互動。例如，家庭、住宅小區、社區、片區、城市的用水模式、及其管道連接方式有可能完全不一樣；又如，社區的經濟構成方式雖然屬于城市的一部分，但并不能用此擴樣去解釋城市的經濟構成規律。那么，最為精細化的實時數據怎樣聚合成為不同空間尺度和不同時間維度的合理數據集合，并轉化為揭示城市動態運行的有效信息，這成為CIM 本身所關注的重點之一。

因此，CIM 不是追求最精細化數據的匯聚，而是需要建立動態算法與模型，去挖掘城市動態運行中不同尺度、不同精度的數據關聯機制，去模擬多種粒度的空間和時間下的事件和規律，從而才有可能揭示城市運行的復雜性、涌現性、動態性，輔助破解諸如超大城市精細化治理的難題。基于部件級的物質形態模型（如BIM）和最為精細化的實時動態數據(如個體行為監控數據)，在CIM 平臺中可以構成盡可能逼近真實城市的數據集合。然而，這些數據之間精準化的連接關系及其動態變化，將會蘊含在不同部門、不同行業、不同專業的業務模型之中，甚至會幻化出不同層級所對應的物質形態模型精度（如白模和精模）和動態模型參數（如影響半徑），恰如其分地為城市、分區、社區、單位等不同責任主體提供恰當的時空信息，服務于真實城市的多方運行和演進。這也許可稱之為數字孿生城市的時空智能基石。

因此，物質形態模型精度、實時動態數據精度等的分類分級，需要根據不同層級的城市動態運行需求去加以明確，建立起可擴展的“數據精度與應用需求”的映射機制，納入數據字典之中；同時，數據之間的精準連接關系、以及相關協同參數也需要根據城市動態運行需求來加以界定。例如，城市學區調整、燃氣設施建設、公共交通線路調整、商鋪選址等都依賴時空定位上合理精細化的人口信息，那么“一標三實”中的人口數據與物質形態數據的精準關聯、及其分類協同參數，都將有助于CIM 更好為城市服務。

在這種意義上，未來的CIM 平臺不僅僅是簡單的GIS+BIM+IoT 的技術或數據集成，而是合理精細化的“時空形態數據+屬性數據+連接數據“的融通性建模平臺，其中不同尺度、維度、粒度的涌現機制通過不同的模型技術得以揭示，并以不同形式的場景去動態表達出來，去揭示城市運行規律和問題，并預測城市、分區、社區、房屋、家庭等運行趨勢、態勢以及特定事件，安全而便捷地服務于城市中的人及其生產與生活的方方面面。

四、CIM 平臺建構的兩個驅動原則

既然CIM 平臺需要模擬如此復雜的城市運行狀態，那么它需要如何去建構？復雜問題有限求解，這仍然不失是合理的途徑。對于城市運行過程，CIM 平臺可聚集規劃、設計、建造、施工、竣工（更新與拆除）、管理（運營）等全生命周期的動態閉環。依托此，CIM 平臺在建構與運行過程之中，不斷優化或重組城市的“條與塊”，升級城市運行系統，服務好城鎮化中后期的高質量發展需求。其中，每個環節彼此之間也是實時聯動的。例如，規劃設計與運營聯動構成漸進式城市更新模式，或市政施工圖影響著地塊劃定與交易等。因此，每個環節的數據和模型也是彼此聯動的。在實踐之中，CIM 平臺的建構大體依據兩種驅動原則，一是以數據驅動為主，強調盡可能的全要素和全周期的數據匯聚，由此而生長出各類應用場景；二是以業務驅動或場景驅動為主，據此而治理數字資源，帶動數據資產管理的迭代升級。

對于以數據驅動為主的CIM 平臺建構，其原則是以多元異構時空數據底板的打造為先，在國家統一時空基準下匯聚物質形態數據、社會經濟環境數據、物聯感知數據、數字虛擬行為數據等，基于此各種應用需求與場景將會自然而然地發生。這種時空數據底板往往被比喻為土壤或花盆，而各種自發應用則被比喻為各種苗木和果實。例如，在雄安新區規劃建設（BIM）管理平臺的頂層設計中，現狀、總規、控規、設計、施工、竣工六階段的數據匯聚被稱之為“土壤”；而基于空間身份標準、語言交換標準與計算傳導標準之上，將自然形成展示、查詢、交互、管理、決策、服務與交易等應用場景，稱之為“果實”。為了匯聚權威而相對精準的數據，諸如地質、土地、房屋、市政等物質形態數據，可基于測繪、規劃、建設審批與匯交流程去獲取；諸如人口、稅收、植被等社會經濟環境數據，可基于相關部門行政審批統計、業務流程辦理、或第三方報告等去獲取；諸如交通、水電氣熱用量、污染排放、網絡流量等實時數據，可基于各類數字或感知設備的應用去便捷獲取。

這些多源異構數據的語義化界定、精度劃定、關聯關系等，將決定數據融合的有效性。因此，時空數據底板打造背后的語義、精度、關聯等邏輯動態識別算法尤為關鍵；而這些算法的實現又或多或少依賴于業務知識或場景模式。換言之，只有業務知識或場景模式轉化為數字化的模型，對應于要素、屬性、關系的數據標準，才能推動自動化的數據治理與應用。因此，以數據驅動為主的CIM 平臺建構，在實踐中會遇到一些困惑，即數據匯聚過程一定需要遵循某些行業或業務知識，如測繪知識；而在應用時，這些數據的語義要素或關系又未必符合其他行業或業務的要求，數據就需要重新治理或重新采集，于是帶來了額外的成本。

對于以業務或場景驅動為主的CIM 平臺建構，其原則是業務知識圖譜作為數據匯聚和模型搭建的“指揮棒”，即依托業務流程，梳理業務知識和相關的計算模型，以此對數據進行歸集、治理、重組等。以雄安新區規劃建設（BIM）管理平臺建設中工程項目審批為例，平臺強調以政府管理的公共事務為抓手，對應于反映公共利益和公共安全的指標體系，并不涉及全行業的指標體系的重塑，以此梳理出有限的指標計算規則和計算模型，對應相關的數據及建模方式，形成相應的標準體系，從而建立起“有限業務場景—有限指標—計算模型—數據掛載”的技術路徑，開展了相應的數據治理及數據庫建設。選擇這種方式的原因在于在短時期內去重新梳理全行業、全要素、全周期的業務知識、指標體系與數據標準是難以實現的，

在很大程度上，數據中臺概念的提出與此密切相關。以不同的業務場景來歸集共性的數據，并識別出特殊的數據，分別建立共性數據庫和專題庫，反向影響業務場景的變革，于是形成“業務—數據”雙輪聯動與迭代，形成可復用數據資產的動態管理模式。然而，這種模式的不足在于：需要較長的時間去持續擴展業務或場景的范疇，難以快速形成覆蓋城市全要素的數據集。在一定程度上，CIM 基礎數據建設需要與CIM 平臺的應用系統建設相互補充。

在實踐之中，這兩種CIM 平臺的建構原則都有用武之地，對應于不同類型的城市建設需求。一般經濟發達、數據條件較好的城市，偏向選擇第一種建構原則，力圖建立全市的時空數據底板，如深圳的可視化平臺；而經濟條件欠發達或數據條件不足的城市，偏向選擇第二種建構原則，力圖在某個應用領域進行突破。然而，不管采用哪種建構原則，CIM 平臺支撐并優化城市動態運行的出發點是基礎。在CIM 平臺建構起步期，需要綜合考慮CIM 平臺建設與運行成本，避免不管應用場景而大規模地采集、匯聚、治理高精度的房屋單體模型，避免CIM平臺僅僅成為好看的“數據渲染”，而應該強化以應用場景來推動CIM 平臺的數據采集與治理。

這兩種建構原則的交融在于未來的CIM 平臺需要具備機器學習的能力，即CIM 平臺有能力從真實城市運行過程中不斷地識別出新的業務模式及其需求前景，梳理出更多共性的數據要素及其連接方式，拓展時空數據底板，創造出新的智能模型及其參數體系等，從而使得CIM 平臺本身具備預判城市下一步運行態勢和安全風險的能力。

不過，數據和模型的有效性、公正性以及安全性需要得以不斷強化，否則CIM 平臺的機器學習能力就是空中樓閣，也會給真實城市的運行帶來不良影響與安全隱患。因此，CIM 平臺的建構過程之中，需要及時建立起公共權威的數據集以及公共權威的模型庫，納入公共行政監督與專業認證體系之中，確保軟硬件環境國產自主可控、數據權威正確以及模型有效公正，有助于推動CIM 平臺的安全良性迭代發展。

五、CIM 平臺是城市動態運行的建構骨架

CIM 平臺是對真實城市動態運行的模擬服務，不可避免地要考慮到城市這個開放復雜巨系統的運行模式，其中包含了無數次一級的子系統或子子系統，對應著不同行政分區、不同機構單元、不同行業組織、不同鄰里社區等各自的動態運行。例如，在CIM 平臺建設的需求調研之中，可發現某些市級委辦局的系統有30 多個，也有超過100 個的情形。這是城市管理分工的必須，如市政監管、房屋監管、施工審批、規劃立項、不動產管理等。當物聯感知系統的出現，更多邊緣計算也將涌現出來。那么，如果每個子系統都是由部件級的物質形態模型（如BIM）以及實時動態的物聯感知數據構成，那么所有子系統以集中的方式去匯聚而建構整個城市級別的CIM 平臺，其規模至少是上百千TB 級別，很容易導致CIM 平臺運轉緩慢，乃至崩潰。這個道理與真實城市之中社會經濟分工的需求是一樣的。城市規模越大，社會經濟分工也就越需要細致，城市的韌性也需要越強大，抵御風險的措施也需要越周全。因此，CIM 平臺的建構需要從復雜巨系統角度，考慮支撐城市動態運行的核心要素，包括深入到城市基層末梢的“分布式網絡架構體系”、服務動態事件追蹤與處置的多尺度“時空導航體系”、以及保障平臺安全且便捷操作的“人機交互與防護系統”。這三個系統將共同構成支撐城市動態運行的核心骨架，去綜合協同各層級的城市治理單元、及時預警并處置多尺度的城市事件、安全保障人民友好方便地參與城市運行，從而深入踐行習近平總書記“人民城市人民建，人民城市為人民”的理念。

CIM 平臺的建構可以通過三個方面進行建設。首先，CIM 平臺的建構需要考慮到分布式的開放網絡體系，而不是采用集中式的方式去全部取代之前存在的各種系統和平臺。如果CIM 平臺采用分布式的開放網絡結構，可調用或檢索各個子節點的數據、模型與信息等，也可在邏輯上將不同子系統的信息進行綜合性關聯分析，如判斷生命線工程的風險點對周邊人口與產業的影響，形成更為靈活的服務模式。又如，CIM 平臺可采用微服務方式，即一種以業務功能為主的服務設計概念，每一個服務都具有自主運行的業務功能，對外開放不受語言限制的API(最常用的是HTTP)，應用程序則是由一個或多個微服務組成。每項業務能力被當成一塊可裝配的積木塊，同時將業務場景視為多項獨立業務能力的某種組合方式，即多個積木塊的裝配。每個積木塊均以微服務的形式來承載并可獨立運行，所有積木塊以對等共享的形式共享在一個開放平臺上，再按需將積木塊組裝成業務場景。以此，確保CIM 平臺安全穩定高可用、高效集群搭建、便捷彈性擴展、以及快速部署交付等。

其次，CIM 平臺的建構需要考慮多尺度空間單元與實體單元的動態語義識別體系，為城市事件追蹤與協同處置提供動態的時空坐標體系，稱為CIM 平臺的“時空導航系統”。真實城市運行的動態性在于：事件出現在不同尺度的空間單元或實體單元之中，并非都發生在最精細化的部件之上；且不同尺度上的事件存在一定的限制或刺激關聯。與之同時，不同層級的決策者所考慮空間單元或實體單元也往往差異很大，對應相關的時空管理權限，并需要在不同的尺度上進行來回切換。例如，城市行政決策者需要考慮全市范圍的創新產業運行情況，也需要關注重點科技園內部的運行情況，還需要關心科技企業領軍人物的創新業績等，以此綜合判斷創新產業的動態運行績效與發展計劃。

從城市相對穩定的管理狀態來看，多尺度的空間單元和實體單元可根據城市管理、房屋管理、不動產管理、部件管理、交通市政管理、權屬管理、地址管理、公安人口管理、社區管理、行政區管理等，自上而下地進行劃分與識別，建立起統一的空間與實體語義標準和編碼體系，將數據標簽化、單元化，根據數據的不同分類、屬性或特征賦予不同的分類編碼，融合不同層次、不同維度、不同粒度的數據，構建融通城市運行全生命周期的“空間身份證”體系。

從城市相對動態的發展角度來看，城市之中還存在動態的空間與實體單元，如交通管治單元、防疫單元、微氣候影響單元、商圈活動單元、創新創意單元、安全監控單元、廣告標識單元、或勻質網格單元等，這些語義都隨城市的動態運行而發生變化，甚至語義本身也隨時增加或消減，可通過機器學習方式加以動態識別要素、關系與屬性，形成相應的智能算法體系，對應于相關的城市運行策略、政策、演習、突發事件等。例如，在城市消防應急事件發生時，CIM 平臺的“時空導航系統”可實時建議相應的逃生路線、避難空間、救援通道、以及指揮中心等應對方案，強化真實城市基層治理的智能韌性。

最后，CIM 平臺的建構需要考慮安全可靠且友好便捷的人機交互與防護系統。當人們能實時參與到CIM 平臺本身的運行之中，才能推動真實城市的動態運行的有效治理。因此，對于CIM 平臺數據更新、模型運算、渲染表達、業務處置、推演決策、二次開發等都需要人機交互友好，其界面包括大屏、桌面端、移動端、端口配置屏等。在實踐之中，過去存在過度強調大屏高逼真的渲染效果的現象。不過，目前對于交互界面是否好用，逐步成為各級部門的關注點；且隨硬件能力的提高，在移動端高逼真渲染環境下對事物或事件動態過程進行更為沉浸式的便捷操作，這逐步成為新的需求，以此保證CIM 平臺能提供盡可能真實的城市場景，減少決策偏差，并提升老百姓直觀參與到城市動態運行的獲得感。

與之同時，CIM 平臺作為城市動態運行的操作系統，可提升城市運行的效率，但同時也可使得城市運行服務快速或瞬間癱瘓。因此，CIM 平臺的安全可靠是重中之重，否則會給城市帶來難以挽回的災難。一方面，CIM平臺所承載的城市運行信息與操作系統需要符合國家和城市的安全要求。特別在國際形勢復雜的當今，國產自主可控是CIM 平臺建設的基本要求。在某種意義上，CIM 平臺提供了城市領地或國家領土在數字空間之中的拓展，對于數字化領土的保護是其核心，國產自主可控的軟硬件環境是其基本防護保障。另一方面，CIM 平臺不能被黑客、非法分子或機器本身所控制，需要設置相應的安全防護系統與措施，并進行電源、數據、系統等軟硬件災備處理，確保在極端情況下，CIM 平臺還能繼續服務城市運行。

六、結語

城市作為巨系統，如同人體一樣，既復雜又高度協同，城市大腦作為計算、存儲、指揮中心，需要城市信息模型（CIM）平臺的城市骨架支撐。因此，城市信息模型（CIM）平臺在本質上是為城市動態運行服務提供模擬仿真的信息支撐骨架，揭示城市運行的多維度、多尺度、多粒度的現象、問題與規律，輔助真實城市運行的及時響應、高效治理、協同處置。CIM平臺不是表達性的二三維地圖，也不是基于單一技術建構的系統，而是城市級別的精細化、動態化、智能化的綜合模型網絡系統。這將增進城市基層的智慧化治理能力，提高城市智能化的韌性安全能力，提升老百姓數字生活的參與感與獲得感。在實時感知大數據時代，CIM 平臺聚焦于以應用為導向的合理精細化“時空形態數據+屬性數據+連接數據”等融通，突破超大規模的幾何引擎和數據引擎技術難點，集成面向感知、分析、模型、可視化等多種智能技術，以創新的方式去再現、分析、推演、預測并處置不同尺度的城市運行態勢、趨勢及風險，加速新時代的城市高質量發展。