CIM的發展過程

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)技術的逐漸成熟，Khemlani希望在城市規劃中運用到類似BIM的技術，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等人擬開發一個兼容IFC(BIM標準)與CityGML(GIS標準)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勢，而且日益普及，可提供構件級別的建筑內部信息。如果BIM與宏觀GIS數據結合，將形成包含建筑內外的、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上進一步提出了智能(Intelligent)的目標，其內涵不僅是指城市模型中海量數據的收集、儲存和處理，更強調基于多維模型解決發展過程中的問題”。在城市智能信息模型的概念下，物聯網Internet of Things(IoT)技術也逐漸與BIM、GIS一并成為CIM的主要技術支持。此外，云計算、大數據、虛擬現實、人工智能等先進技術也逐漸應用在CIM當中。

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”五個試點城市，這標志著CIM在我國由概念階段開始正式進入到建設階段。從這些城市數字化治理的建設目標來看，CIM憑借其全面的信息集成特征會成為智慧城市和數字孿生城市的重要模型基礎。

2020年3月4日，中共中央政治局常務委員會會議提出，加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。“新基建”戰略的實施會為智慧城市以及數字孿生城市提供更加強大的數字動力，加速其建設進程。作為智慧城市以及數字孿生城市的重要模型基礎，CIM的重要性日益突出，面臨空前的發展機遇。

主要研究方向

整體上，CIM研究在國內外都處于初級階段。目前，CIM主要研究方向可劃分為如圖1所示的三大方向:框架設計、數據融合及可視化。

圖1 CIM主要研究方向

2.1 框架設計

對CIM概念的不同認知使得對CIM結構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、空間、性能和文化四個組成結構，所不同的是，CIM在BIM架構的基礎上又增添了城市基礎設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業。Lee等人基于洪災分析情境下，將CIM框架劃分為土地、設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，Xu等人的架構劃分明顯更加精細，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)、基礎設施等多個模塊，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框架根據具體要素進行劃分的。而Stojanovski則是從城市形態方面來定義CIM框架。他把CIM的框架定義為是由無數不可再分割的街區構成的，每個街區都有自己的一張屬性表和一個有著對應坐標系的3D空間，通過該坐標系在城市空間進行投影，且每個街區都定義邊界，不同的街區通過邊界建立聯系。這樣的框架相當于是把一個大的城市模型精分為無數個小的城市模型，僅僅從城市規模出發，忽略了城市內部更細致的信息結構。

根據CIM框架設計相關的調研可見，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。而框架設計是CIM技術發展的一大基礎。因此，一個統一的、多層次的、適用性強的CIM框架依舊是未來CIM領域研究的一大熱點。

圖2-現有代表性框架

2.2 數據融合

建立一個集設計、計算、管理、評估于一體的平臺是CIM技術發展的關鍵，而CIM平臺搭建的重點和難點在于城市信息數據的融合。這里的城市信息數據包含城市基礎信息、建筑內部信息以及物聯網信息。其中，城市基礎信息以GIS技術為支撐，建筑內部信息的獲取則更多的運用BIM和CAD，而城市各個領域底層信息的采集則依賴于IoT技術。因此目前CIM研究領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。根據這三種不同的建模方法又將數據融合方法分為兩類，即CAD與GIS的數據融合以及BIM與GIS的數據融合。

基于CAD的三維建模方法在建筑設計以及城市規劃方面已經相當成熟，作為繪圖工具，CAD能夠準確、直觀地呈現城市外觀及建筑物內部信息，但CAD缺乏空間及數據的分析和處理的功能，具有一定的局限性。因此，GIS和CAD的數據融合不僅能充分利用CAD提供的模型特征，而且能夠對模型信息進行必要的分析處理。早在2000年，Ozel就曾經指出GIS能夠為CAD所建立的復雜模型提供全面的空間分析。我國學者朱慶等人也認為CAD技術對GIS的發展至關重要并總結了多種CAD與GIS數據集成的方法。這證明CAD與GIS集成是具可行性的。因此現階段也有許多基于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一種集成GIS空間數據庫的CAD工具實現CIM設計和分析的可行性。目前也已有一些用于城市規劃設計的軟件是在CAD基礎上結合GIS數據實現的，如StadtCAD Hippodamo。

然而，不同的平臺和標準使得二者之間的集成存在困難，主要集中在坐標轉換、數據格式差異、數據量差異以及一些原始數據錯誤的問題上。雖然Pu等人利用Database ManagementSystem(DBMS)數據庫管理系統方法來解決CAD與GIS之間數據類型差異的問題，但是對于CAD中的自由曲線和曲面等復雜數據類型卻無法進行數據類型的轉換。而CAD自身所存在的一些如數據疊加等原始數據問題使數據融合變得更為復雜，雖然Badhrudeen等人嘗試利用機器學習來識別CAD到GIS轉換過程中潛在的錯誤，以及原始CAD數據中的錯誤，但是依舊無法完全避免原始數據所造成的錯誤，而且造成了實際應用過程的耗時費力。最關鍵的是CAD的協同工作能力不足，這對于以實現協同工作為主要目的的CIM技術來說可用性較差。

相較于CAD自身存在的一些缺陷，能夠實現全流程協同工作的BIM技術使得BIM與GIS的融合更具優勢，也成為目前CIM技術領域研究的熱點，取得了較快的發展。學術界普遍認為協調語義是實現BIM與GIS集成的最佳途徑，它能夠實現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，因此根據這兩種語義模型的轉換關系將現階段的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標準的BIM和GIS集成方法已經開展了一定的研究，但不同基礎方法的優缺點都比較突出，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發展的一大方向。將建筑信息和地理數據通過計算機處理轉化為圖像的形式，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，開發可視化平臺、結合VR或AR成為熱點。

(1)可視化平臺

Simstadt是2013年斯圖加特技術高等專業學院開發的一個城市模擬平臺，基于CityGML可對多細節層次(Level of Detail,LoD)進行建模，導入GIS數據后，可對城市模型進行加強修復，最后通過模擬工具進行多種能源模擬，得到相應的仿真結果和評估指標，在3D城市模型中進行可視化，該平臺現主要用于能源方面的模擬和分析。

(2)結合VR技術

在2018年俄羅斯葉卡捷琳堡國際工業創新展覽會上，一家VR開發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整，來實現VR在CIM上的廣泛應用。

(3)結合AR技術

Urban CoBuilde應用程序通過CIM與AR技術和游戲相結合的方法讓用戶對城市環境進行探索，讓利益相關者參與城市規劃，從而收集到城市規劃過程中需要涉及的一些信息。

目前，CIM可視化發展相對較為成熟，許多CIM建模平臺同時也具備可視化功能，而與VR或AR技術的結合也使得CIM模型能夠傳達的信息更加豐富和直觀。

主要技術實現平臺

目前，隨著5G網絡與物聯網技術的興起，很多軟件開發商認識到了CIM平臺的價值，2020年4月21日，騰訊云推出了“基于CIM的產業互聯網平臺”———CityBase，雖然還未開放使用，但從產品體系架構來看還是相當完備的。而現階段世界各國也開發了許多能實現部分CIM技術的平臺，表2列出了CIM領域的主流技術實現平臺，并對它們的功能和優缺點進行了整理。

表1 基于IFC和City GML的BIM與GIS集成方法

表2 CIM主流技術實現平臺

從表2可以看出，目前CIM技術實現平臺數量雖然不少，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。應該說，CIM技術實現平臺尚有很大的發展空間。

典型應用

楊滔等人曾指出CIM的本質是服務城市全生命周期。圍繞城市建筑和市政基礎設施全生命周期，即在規劃、建設、運維等階段進行應用。

4.1 規劃階段

在規劃階段，運用CIM技術能夠預覽規劃成果，優化城市空間布局，促進城市科學規劃、高效建設。

4.2 建設階段

在建設階段應用CIM技術，可以進行建設施工場景可視化、工程量計算、項目進度質量管理等，顯著提升建設過程精細化監管效能。

4.3 運維階段

在運維階段運用CIM技術，可以消除各系統信息孤島，實時監控運行態勢，及時進行運營維護，可視化應急指揮，保障城市正常運行。

青島中央商務區建立了基于CIM的城市綜合管理平臺，打造交通、綜治、產業、安全四大運行指數衡量青島中央商務區總體運行健康發展態勢，實現了中央商務區全生命周期的業務貫通。

整體來看，目前CIM應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”戰略的實施，更多的數字孿生城市也將被建立。作為智慧城市和數字孿生城市的模型基礎，CIM未來將有很大的應用前景。

結論

CIM的內涵正從City Information Modeling到City IntelligentModel不斷發展，而且面臨國家“新基建”戰略帶來的重要發展機遇。

目前，CIM研究在國內外都處于初級階段。CIM的框架設計尚不成熟，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主流技術實現平臺集中在建模和可視化功能，但分析功能尚不成熟;CIM在我國的應用已經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用，發展空間廣闊。

整體上，作為智慧城市和數字孿生城市的模型基礎，CIM作用不可替代，而且隨著國家“新基建”戰略帶來的5G、IoT等相關支撐技術的普及，CIM將為智慧城市和數字孿生城市創造出高性能、智能化、多方位的應用情景，具有廣闊的發展前景。然而，龐大的應用需求與當前初期研究現狀是CIM發展面臨的重大矛盾，亟待加快、加大、加強CIM研發工作，為我國城市發展與管理提供深度信息化的新支點、新引擎。