赋能智慧城市建设的城市信息模型( CIM) 的内涵及关键技术探究

CIM的提出源起于建筑信息模型 (Building Information Modeling，以下简称BIM) 。BIM将建筑物在设计、施工、建造、运维全生命周期的建筑信息集成整合至一个三维模型信息数据库中，方便信息共享，设计团队、施工单位、设施运营部门和业主等各方人员可以基于BIM进行协同工作。借鉴建筑尺度的这一模型，城市信息模型(CIM)被提出，用以实现城市规划、建设、运维管理全链条的信息管理，解决新型智慧城市建设中数据孤岛的困境，以数据驱动城市治理方式的革新。在概念上，BIM是基于工程项目的小场景模型，而CIM是在城市宏观领域的大场景模型。在BIM的基础上，CIM需要汇聚和管理时空基础地理信息，感知监测信息、公共专题数据、业务数据和三维模型等城市级别海量的多源异构信息，支撑城市在规划、建设、运维管理全生命周期各阶段的数据汇聚共享和业务协同管理。

2019年3月，住房和城乡建设部颁布的《工程建设项目业务协同平台技术标准》(CJJ/T296－2019)中首次公开提出了CIM。研究开始对CIM的定义和内涵进行探讨，比较统一的是，CIM要建立在城市级别的基础地理信息基础上，融合建筑物BIM模型以及基础设施等三维数字模型，表达和管理城市历史、现状、未来三维空间的综合模型。

从内涵上来理解，CIM既是模型，也是平台。2020年9月，住房和城乡建设部发布了《城市信息模型( CIM) 基础平台技术导则》，提出了“城市信息模型”和“城市信息模型基础平台”的定义，将CIM区分为“模型”和“平台”两层涵义。

(1) CIM表达的“孪生城市空间信息模型”

城市是复杂的巨系统，涉及人口、土地、基础设施等多种元素，CIM模型主要体现在CIM对于城市空间全要素高精度模型的表达，以及城市级别海量多源数据和各类模型的汇聚和融合技术上。从技术层面来看，CIM模型的本质是在云计算基础上实现“大场景的3DGIS数据+小场景的BIM数据+微观物联网IOT数据”的有机结合。从模型层面来看，CIM模型要表达三个维度: 空间维度、时间维度、感知维度。

图 1 城市信息模型表达的城市空间

图片来源于: 作者自绘

空间维度(Space) 。空间维中应包含物理空间、社会空间、属性空间以及基于空间位置链接的三类空间的耦合系统。其中，物理空间要包含地上、地下各类物理空间的数据模型，包括城市地下管线、综合管廊等地下空间的要素数据，也包含城市地质地形、时空基础数据等地表覆盖数据，以及建筑物、构筑物的三维模型、倾斜摄影等城市三维数据。社会空间要包含人、企业等社会空间的数据和模型。属性空间则附加于物理空间和社会空间之上，详细解构物理空间和社会空间的特点。最后，三类空间要基于统一的空间位置，彼此之间相互链接，才能形成一个有机的物理空间。

时间维度( Time) 。CIM要实现对城市历史、现状、未来的信息的综合，既体现城市历史的变迁，也要包含城市的现状实体，以及对于城市未来的规划。

感知维度( Sensitive) 。在新一代信息技术的影响下，传统的信息数据环境由低频向高频转变［7］，高频信息数据具有多维、异质、实时等特性，可以实现对于传统城市空间和时间维度的更加精准、实时、丰富的感知。由此，CIM模型也应充分考虑对于城市的感知维度，这其中包括人流、物流、信息流等表达社会空间与物理空间耦合轨迹的“流向”感知监测数据和模型; 也应包含新一代传感器对于城市各类实时状态的监测，例如温度感知、能耗监测等感知数据和模型。

( 2)CIM表达的“城市全生命周期管理平台”

CIM将城市全空间高精度的数据汇聚和融合至一个统一的平台，它是建构一个管理与城市空间相孪生的“信息空间”的基础平台。

CIM平台的底层首先要建立一个数据治理的平台，完成城市海量多源异构数据从汇聚、融合、处理、分发为一体的数据治理。这其中涉及到多种模型融合，模型轻量化，模型分类分级浏览等多项关键技术。其次，CIM平台将能够实现多场景模型的浏览与定位，使用户具有真实的视觉和地理体验感。CIM能够在宏观到微观多种空间场景，从室外到室内不同视觉场景，从二维到三维不同空间维度中无缝衔接、切换和浏览，并且借助BIM技术，将传统以GIS技术为支撑的地理空间信息平台，走向部件、构件乃至零件级的微观信息管理平台，建立一个真正全息、综合的智慧城市所必需的基础性平台。以上CIM的“平台”内涵可理解为CIM基础性平台，在此基础上可拓展丰富的“CIM+”应用，为各领域的智慧应用提供赋能。

图2 CIM基础平台表达的不同城市空间场景

图片来源: 素材来源于网络

CIM平台是智慧城市的基础性平台，其突出作用主要体现在，可推动城市规划、建设、管理全流程数据汇聚和融合，以及推动各部门业务协同上。具体来讲:

1) CIM有利于推动城市管理各行业的数据汇聚共享。CIM有能力表达从零构件、项目单体、社区到城市、区域多种场景下全要素的信息。各类信息以三维空间地理信息为纽带，在标准化的空间地址上实现信息的精确匹配和关联。各专业按照名称、计量、坐标等统一的标准交付至CIM，可实现多软件的格式共享、多领域的公开应用［8］，这将大大降低部门和行业之间信息共享的技术门槛。基于GIS、BIM、IOT的技术融合，汇聚各行业数据将赋能更精细化的城市管理应用，例如基于CIM中统一的空间地址，可实现人口普查、建筑信息模型有机融合便于人口管理; 基于 BIM 实现零构件信息、建筑材料和结构信息、和消防资源信息的空间匹配可便于消防作业快速制定救灾方案; 基于CIM实现人口轨迹、空间地址、人口普查等信息的匹配可有效服务于疫情防控中密切接触人口的筛选等。

2)CIM有助于推进城市规划、建设、运行、管理的业务协同。CIM的建立有助于打通信息和模型在城市管理各环节的横向和纵向流通。以CIM平台为桥梁，协同城市规划、交通、市政、建筑、道桥、园林、公共安全各领域，整合不同领域的规划、历史、现状的多源数据和信息，有助于构建全面的城市数据空间资产，构建全局联动和反馈的机制。以雄安CIM平台建设为例，雄安CIM平台建立了多规合一、多测合一、多管合一体系，重点解决了建设项目的多方审查、项目审批、城市建设监管等问题，推进多部门管理流程与制度统一，线上支持多部门联审、多专家论证［8］。目前，广州、南京等一些城市基于CIM平台探索基于BIM的报建智能审批，在立项用地规划许可、工程建设许可、施工许可、竣工验收四个阶段实现电子辅助审批，这一方面将极大的提升审批效率，同时有助于 BIM 模型在各个业务环节的流通和沉淀。