城市信息模型的文獻(xiàn)綜述

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]一篇城市信息模型的文獻(xiàn)綜述范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。

1引言

CIM是由建筑信息模型（BuildingInformationModeling，簡(jiǎn)稱BIM）、地理信息系統(tǒng)（GeographicIn‐formationSystem，簡(jiǎn)稱GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，簡(jiǎn)稱IoT）等多技術(shù)融合而成的一項(xiàng)新技術(shù)。CIM能夠幫助人們探尋城市發(fā)展運(yùn)行規(guī)律，更好地助力智慧城市建設(shè)。

2城市信息模型提出的背景和意義

2021年末，我國(guó)城鎮(zhèn)常住人口達(dá)到91425萬(wàn)人，比2020年末增加1205萬(wàn)人；鄉(xiāng)村常住人口49835萬(wàn)人，減少1157萬(wàn)人。常住人口城鎮(zhèn)化率為64.72%，比2020年末提高0.83個(gè)百分點(diǎn)。隨著我國(guó)城市化率的持續(xù)提高，傳統(tǒng)城市管理與運(yùn)維模式已逐漸無(wú)法支撐城市擴(kuò)張帶來(lái)的精細(xì)化管理需求。當(dāng)前政府各部門(mén)按照職能分工管理相應(yīng)領(lǐng)域的模式，在部門(mén)之間凸顯信息交互和業(yè)務(wù)協(xié)同的不適應(yīng)性。為尋求更為先進(jìn)的管理方式推動(dòng)城市建設(shè)與管理朝著系統(tǒng)化、精細(xì)化、智能化的模式發(fā)展，城市信息模型（CityInformationModeling，簡(jiǎn)稱CIM）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為現(xiàn)今城市可持續(xù)發(fā)展的主要支撐技術(shù)[1]。此外隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、人工智能、建筑信息模型、地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)逐漸成熟，從而為CIM技術(shù)的提出奠定理論基礎(chǔ)，并提供技術(shù)支撐。CIM的提出正當(dāng)其時(shí)，為城市運(yùn)行提供智能決策方案，輔助決策者更高效地管理城市，為城鎮(zhèn)居民提供更優(yōu)質(zhì)、便捷、美好的生活。CIM是通過(guò)眾多技術(shù)融合形成的，是智慧城市建設(shè)的必由之路和科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。這一概念的提出，標(biāo)志著我國(guó)已加快信息化進(jìn)程，推進(jìn)智慧城市建設(shè)，逐步構(gòu)建數(shù)字中國(guó)。

3城市信息模型基本概念的介紹

城市信息模型的本質(zhì)是一座城市的數(shù)學(xué)模型，具有城市運(yùn)行中各方面的信息。建立這一模型后，如何讓其發(fā)揮作用，就需要通過(guò)構(gòu)建CIM平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)導(dǎo)則（修訂版）》中，對(duì)CIM的定義是：以建筑信息模型、地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為基礎(chǔ)，整合城市地上、地下、室內(nèi)、室外、歷史、現(xiàn)狀、未來(lái)、多維、多尺度空間數(shù)據(jù)和物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，構(gòu)建起三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體[2]。如圖1所示，CIM平臺(tái)涉及的數(shù)據(jù)類型有：時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源調(diào)查數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控?cái)?shù)據(jù)、工程建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)[2]。

4國(guó)內(nèi)外的城市信息模型研究發(fā)展情況

4.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)城市信息模型的相關(guān)研究，比國(guó)內(nèi)開(kāi)始的要早。在20世紀(jì)90年代，美國(guó)學(xué)者DVGibson等人首次提出智慧城市的概念，以此指明未來(lái)城市發(fā)展的方向[3]。奧地利的GiffingerR等人，英國(guó)的Bal‐akrishnaC等人，以及歐洲一些國(guó)家的學(xué)者，對(duì)智慧城市的概念從不同角度做出了闡述[4]：瑞典的GILJ和美國(guó)的DUARTEJP等人[5]，共同提出了一種城市設(shè)計(jì)的空間模型。英國(guó)的THOMPSONEM等人[6]，圍繞數(shù)據(jù)的分析與整合展開(kāi)研究。日本學(xué)者ShinjiYamamura等人[7]，在智慧城市建設(shè)中的BIM和GIS融合技術(shù)。IzabellaV.Lokshina等人[8]研究將城市信息模型，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)融合技術(shù)應(yīng)用于智慧城市的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。他們提出，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠防止未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問(wèn)有關(guān)信息，以確保數(shù)據(jù)完整性和安全性。TodorStojanovski等人[9]研究CIM與城市化中的，街區(qū)、連接、地域、人與環(huán)境等要素之間的內(nèi)在聯(lián)系。HCMelo等人[10]將CIM概念應(yīng)用于污水管網(wǎng)治理（見(jiàn)圖2）。

4.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)CIM平臺(tái)建設(shè)尚處于起步階段，各級(jí)政府、學(xué)術(shù)組織、企事業(yè)單位等正積極探索試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、技術(shù)儲(chǔ)備、數(shù)據(jù)體系、平臺(tái)建設(shè)、平臺(tái)應(yīng)用等工作。我國(guó)對(duì)CIM基礎(chǔ)平臺(tái)的研究尚處于起步階段，相關(guān)技術(shù)和理論還在推進(jìn)和完善之中，全國(guó)已開(kāi)展了關(guān)于CIM基礎(chǔ)平臺(tái)的政策和試點(diǎn)項(xiàng)目。

4.2.1　政策的推動(dòng)

在CIM的發(fā)展中，國(guó)家政策層面積極推動(dòng)，政府對(duì)CIM的發(fā)展建設(shè)做出多方面的規(guī)劃，建立CIM試點(diǎn)城市和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。出臺(tái)的相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有：《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于開(kāi)展運(yùn)用建筑信息模型系統(tǒng)進(jìn)行工程建設(shè)項(xiàng)目審查審批和城市信息模型平臺(tái)建設(shè)試點(diǎn)工作的函》、《城市信息模型CIM基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)導(dǎo)則（修訂版）》、《關(guān)于開(kāi)展城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》、《關(guān)于加快推進(jìn)新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見(jiàn)》、《六項(xiàng)城市信息模型（CIM）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的征求意見(jiàn)稿》、《城市信息模型基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。通過(guò)出臺(tái)上述相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，我國(guó)建立了約30座CIM試點(diǎn)城市，并為CIM行業(yè)的發(fā)展制定技術(shù)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，將CIM放在“新城建”的首要位置。

4.2.2　技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前，CIM的研究領(lǐng)域主要包含以下方面：多技術(shù)融合、數(shù)據(jù)處理、信息安全、平臺(tái)構(gòu)建等。在多技術(shù)融合方面，華中科技大學(xué)的XunXu[11]等人為解決三維數(shù)字城市模型語(yǔ)義屬性的目標(biāo)問(wèn)題，提出了一種BIM與GIS技術(shù)集成的框架，如OpenStreetMaps等，分析得到關(guān)鍵技術(shù)集成研究無(wú)論現(xiàn)在還是未來(lái)對(duì)CIM都有重要的推動(dòng)作用。在數(shù)據(jù)處理方面，韓冬辰[12]等人指出“建筑逆向工程技術(shù)”在數(shù)字孿生建筑中的重要性，并具體分析各種逆向技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為建筑建成信息的獲取提供理論和技術(shù)支持。吳開(kāi)達(dá)[13]等人指出針對(duì)CIM平臺(tái)的多源數(shù)據(jù)接入，首先應(yīng)制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將海量數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化，然后通過(guò)微服務(wù)架構(gòu)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式管理。在信息安全方面，胡丹[14]等人提出了基于CIM平臺(tái)的大數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)安全框架，以數(shù)據(jù)分類分級(jí)為基礎(chǔ)，依據(jù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)周期與數(shù)據(jù)治理安全域的時(shí)空維度，構(gòu)建數(shù)據(jù)安全流轉(zhuǎn)體系，從而解決數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、跨網(wǎng)跨平臺(tái)交換和共享的安全問(wèn)題。在“平臺(tái)構(gòu)建”方面，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部信息中心的提出CIM平臺(tái)的建構(gòu)依據(jù)兩種驅(qū)動(dòng)原則，一是以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為主，二是以業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)或場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)為主。韓雯雯等人[15]構(gòu)建了基于人居環(huán)境理論的數(shù)據(jù)框架體系，搭建支持融合可用的CIM數(shù)據(jù)空間組織，探索操作性強(qiáng)的CIM數(shù)據(jù)采集更新方法。

4.2.3　建設(shè)的落地

自2012年國(guó)家級(jí)智慧城市試點(diǎn)工作啟動(dòng)以來(lái)，全國(guó)近百個(gè)城市推進(jìn)智慧城市建設(shè)。自2018年我國(guó)CIM行業(yè)正式進(jìn)入到建設(shè)階段以來(lái)，CIM相關(guān)工程建設(shè)已迎來(lái)飛速發(fā)展。2019年~2021年招標(biāo)項(xiàng)目呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，截至2021年9月9日，我國(guó)CIM相關(guān)招標(biāo)項(xiàng)目就已達(dá)到72個(gè)，是2020年整年數(shù)據(jù)的兩倍[1]。由此，CIM基礎(chǔ)平臺(tái)是業(yè)內(nèi)當(dāng)前乃至未來(lái)一段時(shí)期的建設(shè)和發(fā)展重點(diǎn)，是城市規(guī)劃、建設(shè)、管理新的手段和發(fā)力點(diǎn)。目前，我國(guó)城市信息模型（CIM）已經(jīng)在工程項(xiàng)目智能建造、數(shù)字孿生港口、智慧園區(qū)、老舊小區(qū)改造、CIM平臺(tái)[1]等方面進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，并取得了較好的效果。國(guó)內(nèi)的城市信息模型研究發(fā)展情況如圖3所示

4.3城市信息模型的搭建

城市信息模型的搭建大體上可分為三個(gè)階段：前期，數(shù)據(jù)收集；中期，數(shù)據(jù)融合；后期，平臺(tái)呈現(xiàn)。在搭建模型時(shí)，同時(shí)還要考慮數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，采用不同的技術(shù)針對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。建立基于HadoopSpatial框架的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制。基于統(tǒng)一的語(yǔ)義數(shù)據(jù)資源目錄體系，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、輕量化和融合等階段，形成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫(kù)。CIM平臺(tái)的建構(gòu)有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)原則，即數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和業(yè)務(wù)場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)。CIM平臺(tái)可以通過(guò)三方面進(jìn)行建構(gòu)，即分布式的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)體系，多尺度空間單元與實(shí)體單元的動(dòng)態(tài)語(yǔ)義識(shí)別體系，安全可靠且友好便捷的人機(jī)交互與防護(hù)系統(tǒng)。同時(shí)，數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也尤為重要，通過(guò)分析各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)安全流轉(zhuǎn)情況，建立數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。運(yùn)用圖形引擎多層次實(shí)時(shí)渲染呈現(xiàn)數(shù)字孿生體的能力，真實(shí)展現(xiàn)城市樣貌、自然環(huán)境、實(shí)時(shí)交通等各種場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體、大數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、應(yīng)用場(chǎng)景等可視化，實(shí)現(xiàn)多終端一體化展示，滿足不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景需求。

4.4BIM、GIS、IoT技術(shù)在城市信息模型中的應(yīng)用

上述城市信息模型的搭建過(guò)程離不開(kāi)BIM，GIS和IoT技術(shù)的相互融合。BIM為城市信息模型提供建筑物全生命周期中的所有信息，可以在GIS的基礎(chǔ)上豐富建筑物內(nèi)部的信息，使得模型更加精細(xì)，更加逼真。GIS技術(shù)為BIM模型提供了三維地理空間坐標(biāo)，使得BIM模型更好地對(duì)應(yīng)真實(shí)物理世界中的建筑實(shí)體，同時(shí)BIM又可以很好地彌補(bǔ)GIS中建筑及基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)部信息的缺失。因此，GIS是BIM的宏觀基礎(chǔ)，而B(niǎo)IM相當(dāng)于GIS的微觀呈現(xiàn)。IoT技術(shù)通過(guò)各種物聯(lián)感知手段，收集城市中的各種信息，并匯聚到模型當(dāng)中，使得模型不再是靜態(tài)的，而是時(shí)刻處在變化之中，實(shí)時(shí)反應(yīng)整座城市的運(yùn)行情況。構(gòu)建CIM平臺(tái)離不開(kāi)BIM、GIS、IoT三大技術(shù)的融合。CIM平臺(tái)可為城市治理提供智慧化解決方案并輔助政府決策，最終惠及城市居民，提升人民幸福感。

4.5城市信息模型的實(shí)際運(yùn)行情況

近年來(lái)，我國(guó)CIM平臺(tái)的建設(shè)如火如荼，成果顯著。從技術(shù)層面分析，模型運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。擁有PB級(jí)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)的模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、索引、計(jì)算能力。從行政管理層面分析，診斷與識(shí)別城市發(fā)展運(yùn)行中面臨的問(wèn)題，為制定和優(yōu)化相關(guān)政策提供輔助參考依據(jù)，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)合理的決策，為城市管理者提供智慧化決策平臺(tái)。促進(jìn)城市治理水平智能化、科學(xué)化、高效化、精細(xì)化。從居民角度分析，受到居民的大力支持，提升居民生活品質(zhì)，為居民提供更加便捷、高效、智能的生活。

5總結(jié)與展望

CIM技術(shù)對(duì)智慧城市的建設(shè)具有里程碑式的意義和作用，并且已經(jīng)在一些城市取得了實(shí)踐成果，但是仍然存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，例如，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、信息安全、平臺(tái)架構(gòu)優(yōu)化等。因此，CIM還有很多研究要點(diǎn)待開(kāi)發(fā)。當(dāng)前已經(jīng)解決了CIM“從無(wú)到有”的問(wèn)題，接下來(lái)要更加側(cè)重“從有到優(yōu)”的問(wèn)題，逐步完善優(yōu)化CIM及其平臺(tái)性能，更好地助力實(shí)現(xiàn)“智慧城市”。

參考文獻(xiàn)

[1]王永海，王宏偉，于靜，吳志強(qiáng)，陳順清，王洋，丁利，王保森，趙渺希，婁東軍，鄭鵬，周子璐，楊焰文，喬長(zhǎng)江，吳元欣.城市信息模型（CIM）平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2022（7）：62-66.

[2]城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)導(dǎo)則（修訂版）[S].北京：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2021.

作者:孫晴 任啟航 杜伊帆 韓涵 單位:西安建筑科技大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院 西安建筑科技大學(xué) 中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司