城市信息模型的文獻綜述

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

1引言

CIM是由建筑信息模型（BuildingInformationModeling，簡稱BIM）、地理信息系統(tǒng)（GeographicIn‐formationSystem，簡稱GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（InternetofThings，簡稱IoT）等多技術(shù)融合而成的一項新技術(shù)。CIM能夠幫助人們探尋城市發(fā)展運行規(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，我國城鎮(zhèn)常住人口達到91425萬人，比2020年末增加1205萬人；鄉(xiāng)村常住人口49835萬人，減少1157萬人。常住人口城鎮(zhèn)化率為64.72%，比2020年末提高0.83個百分點。隨著我國城市化率的持續(xù)提高，傳統(tǒng)城市管理與運維模式已逐漸無法支撐城市擴張帶來的精細化管理需求。當(dāng)前政府各部門按照職能分工管理相應(yīng)領(lǐng)域的模式，在部門之間凸顯信息交互和業(yè)務(wù)協(xié)同的不適應(yīng)性。為尋求更為先進的管理方式推動城市建設(shè)與管理朝著系統(tǒng)化、精細化、智能化的模式發(fā)展，城市信息模型（CityInformationModeling，簡稱CIM）技術(shù)應(yīng)運而生，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，為城市運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)志著我國已加快信息化進程，推進智慧城市建設(shè)，逐步構(gòu)建數(shù)字中國。

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，就需要通過構(gòu)建CIM平臺實現(xiàn)。《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則（修訂版）》中，對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、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綜合體[2]。如圖1所示，CIM平臺涉及的數(shù)據(jù)類型有：時空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源調(diào)查數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控數(shù)據(jù)、工程建設(shè)項目數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)[2]。

4國內(nèi)外的城市信息模型研究發(fā)展情況

4.1國外研究現(xiàn)狀

國外對城市信息模型的相關(guān)研究，比國內(nèi)開始的要早。在20世紀(jì)90年代，美國學(xué)者DVGibson等人首次提出智慧城市的概念，以此指明未來城市發(fā)展的方向[3]。奧地利的GiffingerR等人，英國的Bal‐akrishnaC等人，以及歐洲一些國家的學(xué)者，對智慧城市的概念從不同角度做出了闡述[4]：瑞典的GILJ和美國的DUARTEJP等人[5]，共同提出了一種城市設(shè)計的空間模型。英國的THOMPSONEM等人[6]，圍繞數(shù)據(jù)的分析與整合展開研究。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（見圖2）。

4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國CIM平臺建設(shè)尚處于起步階段，各級政府、學(xué)術(shù)組織、企事業(yè)單位等正積極探索試點經(jīng)驗、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、技術(shù)儲備、數(shù)據(jù)體系、平臺建設(shè)、平臺應(yīng)用等工作。我國對CIM基礎(chǔ)平臺的研究尚處于起步階段，相關(guān)技術(shù)和理論還在推進和完善之中，全國已開展了關(guān)于CIM基礎(chǔ)平臺的政策和試點項目。

4.2.1　政策的推動

在CIM的發(fā)展中，國家政策層面積極推動，政府對CIM的發(fā)展建設(shè)做出多方面的規(guī)劃，建立CIM試點城市和相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。出臺的相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有：《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于開展運用建筑信息模型系統(tǒng)進行工程建設(shè)項目審查審批和城市信息模型平臺建設(shè)試點工作的函》、《城市信息模型CIM基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則（修訂版）》、《關(guān)于開展城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺建設(shè)的指導(dǎo)意見》、《關(guān)于加快推進新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》、《六項城市信息模型（CIM）行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿》、《城市信息模型基礎(chǔ)平臺技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等。通過出臺上述相關(guān)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，我國建立了約30座CIM試點城市，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)字城市模型語義屬性的目標(biāo)問題，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)集成研究無論現(xiàn)在還是未來對CIM都有重要的推動作用。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，為建筑建成信息的獲取提供理論和技術(shù)支持。吳開達[13]等人指出針對CIM平臺的多源數(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)進行規(guī)范化，然后通過微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)平臺，實現(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平臺的大數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)安全框架，以數(shù)據(jù)分類分級為基礎(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)跨平臺交換和共享的安全問題。在“平臺構(gòu)建”方面，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部信息中心的提出CIM平臺的建構(gòu)依據(jù)兩種驅(qū)動原則，一是以數(shù)據(jù)驅(qū)動為主，二是以業(yè)務(wù)驅(qū)動或場景驅(qū)動為主。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年國家級智慧城市試點工作啟動以來，全國近百個城市推進智慧城市建設(shè)。自2018年我國CIM行業(yè)正式進入到建設(shè)階段以來，CIM相關(guān)工程建設(shè)已迎來飛速發(fā)展。2019年~2021年招標(biāo)項目呈現(xiàn)逐年增長趨勢，截至2021年9月9日，我國CIM相關(guān)招標(biāo)項目就已達到72個，是2020年整年數(shù)據(jù)的兩倍[1]。由此，CIM基礎(chǔ)平臺是業(yè)內(nèi)當(dāng)前乃至未來一段時期的建設(shè)和發(fā)展重點，是城市規(guī)劃、建設(shè)、管理新的手段和發(fā)力點。目前，我國城市信息模型（CIM）已經(jīng)在工程項目智能建造、數(shù)字孿生港口、智慧園區(qū)、老舊小區(qū)改造、CIM平臺[1]等方面進行了實踐應(yīng)用，并取得了較好的效果。國內(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階段：前期，數(shù)據(jù)收集；中期，數(shù)據(jù)融合；后期，平臺呈現(xiàn)。在搭建模型時，同時還要考慮數(shù)據(jù)安全問題，采用不同的技術(shù)針對不同類型的數(shù)據(jù)進行采集。建立基于HadoopSpatial框架的分布式數(shù)據(jù)存儲機制。基于統(tǒng)一的語義數(shù)據(jù)資源目錄體系，經(jīng)過數(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。CIM平臺的建構(gòu)有兩個驅(qū)動原則，即數(shù)據(jù)驅(qū)動和業(yè)務(wù)場景驅(qū)動。CIM平臺可以通過三方面進行建構(gòu)，即分布式的開放網(wǎng)絡(luò)體系，多尺度空間單元與實體單元的動態(tài)語義識別體系，安全可靠且友好便捷的人機交互與防護系統(tǒng)。同時，數(shù)據(jù)安全問題也尤為重要，通過分析各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)安全流轉(zhuǎn)情況，建立數(shù)據(jù)安全風(fēng)險評估模型。運用圖形引擎多層次實時渲染呈現(xiàn)數(shù)字孿生體的能力，真實展現(xiàn)城市樣貌、自然環(huán)境、實時交通等各種場景，實現(xiàn)三維實體、大數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、應(yīng)用場景等可視化，實現(xiàn)多終端一體化展示，滿足不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景需求。

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程離不開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，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模型更好地對應(yīng)真實物理世界中的建筑實體，同時BIM又可以很好地彌補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BIM相當(dāng)于GIS的微觀呈現(xiàn)。IoT技術(shù)通過各種物聯(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，而是時刻處在變化之中，實時反應(yīng)整座城市的運行情況。構(gòu)建CIM平臺離不開BIM、GIS、IoT三大技術(shù)的融合。CIM平臺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城市信息模型的實際運行情況

近年來，我國CIM平臺的建設(shè)如火如荼，成果顯著。從技術(shù)層面分析，模型運行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能。擁有PB級數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫的模型數(shù)據(jù)存儲、索引、計算能力。從行政管理層面分析，診斷與識別城市發(fā)展運行中面臨的問題，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。促進城市治理水平智能化、科學(xué)化、高效化、精細化。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踐成果，但是仍然存在諸多技術(shù)難點，例如，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、信息安全、平臺架構(gòu)優(yōu)化等。因此，CIM還有很多研究要點待開發(fā)。當(dāng)前已經(jīng)解決了CIM“從無到有”的問題，接下來要更加側(cè)重“從有到優(yōu)”的問題，逐步完善優(yōu)化CIM及其平臺性能，更好地助力實現(xiàn)“智慧城市”。

參考文獻

[1]王永海，王宏偉，于靜，吳志強，陳順清，王洋，丁利，王保森，趙渺希，婁東軍，鄭鵬，周子璐，楊焰文，喬長江，吳元欣.城市信息模型（CIM）平臺關(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)計研究總院 西安建筑科技大學(xué) 中國電子工程設(shè)計院有限公司