CIM的發(fā)展過程

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

在2014年，Xu等人提出通過集成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(biāo)準(zhǔn))與CityGML(GIS標(biāo)準(zhǔn))的CIM平臺，并將CIM的建模方法分為三種:城市實體測量、集成ComputerAided Design(CAD)和GIS、集成GIS和BIM。其中，實體測量方法工作量大、應(yīng)用范圍有限，而CAD模型又難以包含建筑的多源信息。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(gòu)件級別的建筑內(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。

在2015年，我國同濟大學(xué)吳志強院士將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(shù)也逐漸與BIM、GIS一并成為CIM的主要技術(shù)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(shù)也逐漸應(yīng)用在CIM當(dāng)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(shè)”五個試點城市，這標(biāo)志著CIM在我國由概念階段開始正式進入到建設(shè)階段。從這些城市數(shù)字化治理的建設(shè)目標(biāo)來看，CIM憑借其全面的信息集成特征會成為智慧城市和數(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)委員會會議提出，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)進度。“新基建”戰(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(shè)進程。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)展機遇。

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(shè)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(shè)計

對CIM概念的不同認知使得對CIM結(jié)構(gòu)框架的定義也不盡相同。例如，汪深等人認為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(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，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(chǔ)設(shè)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，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(gòu)成的，每個街區(qū)都有自己的一張屬性表和一個有著對應(yīng)坐標(biāo)系的3D空間，通過該坐標(biāo)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(dāng)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(jié)構(gòu)。

根據(jù)CIM框架設(shè)計相關(guān)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(shè)計是CIM技術(shù)發(fā)展的一大基礎(chǔ)。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(lǐng)域研究的一大熱點。

圖2-現(xiàn)有代表性框架

2.2 數(shù)據(jù)融合

建立一個集設(shè)計、計算、管理、評估于一體的平臺是CIM技術(shù)發(fā)展的關(guān)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(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用BIM和CAD，而城市各個領(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(shè)計以及城市規(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(fù)雜模型提供全面的空間分析。我國學(xué)者朱慶等人也認為CAD技術(shù)對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。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(shè)計和分析的可行性。目前也已有一些用于城市規(guī)劃設(shè)計的軟件是在CAD基礎(chǔ)上結(jié)合GIS數(shù)據(jù)實現(xiàn)的，如StadtCAD Hippodamo。

然而，不同的平臺和標(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)錯誤的問題上。雖然Pu等人利用Database ManagementSystem(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(fù)雜數(shù)據(jù)類型卻無法進行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。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(fù)雜，雖然Badhrudeen等人嘗試利用機器學(xué)習(xí)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，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(yīng)用過程的耗時費力。最關(guān)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(shù)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(shù)使得BIM與GIS的融合更具優(yōu)勢，也成為目前CIM技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點，取得了較快的發(fā)展。學(xué)術(shù)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。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(guān)系將現(xiàn)階段的BIM與GIS集成方法分為四類，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)開展了一定的研究，但不同基礎(chǔ)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。

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(jié)合VR或AR成為熱點。

(1)可視化平臺

Simstadt是2013年斯圖加特技術(shù)高等專業(yè)學(xué)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(dǎo)入GIS數(shù)據(jù)后，可對城市模型進行加強修復(fù)，最后通過模擬工具進行多種能源模擬，得到相應(yīng)的仿真結(jié)果和評估指標(biāo)，在3D城市模型中進行可視化，該平臺現(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，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(yīng)用。

(3)結(jié)合AR技術(shù)

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

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(shù)的結(jié)合也使得CIM模型能夠傳達的信息更加豐富和直觀。

主要技術(shù)實現(xiàn)平臺

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，雖然還未開放使用，但從產(chǎn)品體系架構(gòu)來看還是相當(dāng)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(shù)的平臺，表2列出了CIM領(lǐng)域的主流技術(shù)實現(xiàn)平臺，并對它們的功能和優(yōu)缺點進行了整理。

表1 基于IFC和City GML的BIM與GIS集成方法

表2 CIM主流技術(shù)實現(xiàn)平臺

從表2可以看出，目前CIM技術(shù)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(yīng)該說，CIM技術(shù)實現(xiàn)平臺尚有很大的發(fā)展空間。

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。圍繞城市建筑和市政基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期，即在規(guī)劃、建設(shè)、運維等階段進行應(yīng)用。

4.1 規(guī)劃階段

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

4.2 建設(shè)階段

在建設(shè)階段應(yīng)用CIM技術(shù)，可以進行建設(shè)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(shè)過程精細化監(jiān)管效能。

4.3 運維階段

在運維階段運用CIM技術(shù)，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(yīng)急指揮，保障城市正常運行。

青島中央商務(wù)區(qū)建立了基于CIM的城市綜合管理平臺，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(wù)區(qū)總體運行健康發(fā)展態(tài)勢，實現(xiàn)了中央商務(wù)區(qū)全生命周期的業(yè)務(wù)貫通。

整體來看，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(chǔ)，CIM未來將有很大的應(yīng)用前景。

結(jié)論

CIM的內(nèi)涵正從City Information Modeling到City IntelligentModel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(shè)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(shù)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(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，而且隨著國家“新基建”戰(zhàn)略帶來的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。