城市信息模型的文献综述

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1引言

CIM是由建筑信息模型（BuildingInformationModeling，简称BIM）、地理信息系统（GeographicIn‐formationSystem，简称GIS）、物联网（InternetofThings，简称IoT）等多技术融合而成的一项新技术。CIM能够帮助人们探寻城市发展运行规律，更好地助力智慧城市建设。

2城市信息模型提出的背景和意义

2021年末，我国城镇常住人口达到91425万人，比2020年末增加1205万人；乡村常住人口49835万人，减少1157万人。常住人口城镇化率为64.72%，比2020年末提高0.83个百分点。随着我国城市化率的持续提高，传统城市管理与运维模式已逐渐无法支撑城市扩张带来的精细化管理需求。当前政府各部门按照职能分工管理相应领域的模式，在部门之间凸显信息交互和业务协同的不适应性。为寻求更为先进的管理方式推动城市建设与管理朝着系统化、精细化、智能化的模式发展，城市信息模型（CityInformationModeling，简称CIM）技术应运而生，成为现今城市可持续发展的主要支撑技术[1]。此外随着科学技术的日新月异，大数据、云计算、区块链、人工智能、建筑信息模型、地理信息系统、物联网等技术逐渐成熟，从而为CIM技术的提出奠定理论基础，并提供技术支撑。CIM的提出正当其时，为城市运行提供智能决策方案，辅助决策者更高效地管理城市，为城镇居民提供更优质、便捷、美好的生活。CIM是通过众多技术融合形成的，是智慧城市建设的必由之路和科学技术发展的必然结果。这一概念的提出，标志着我国已加快信息化进程，推进智慧城市建设，逐步构建数字中国。

3城市信息模型基本概念的介绍

城市信息模型的本质是一座城市的数学模型，具有城市运行中各方面的信息。建立这一模型后，如何让其发挥作用，就需要通过构建CIM平台实现。《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则（修订版）》中，对CIM的定义是：以建筑信息模型、地理信息系统、物联网等技术为基础，整合城市地上、地下、室内、室外、历史、现状、未来、多维、多尺度空间数据和物联感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体[2]。如图1所示，CIM平台涉及的数据类型有：时空基础数据、资源调查数据、规划管控数据、工程建设项目数据、公共专题数据、物联感知数据[2]。

4国内外的城市信息模型研究发展情况

4.1国外研究现状

国外对城市信息模型的相关研究，比国内开始的要早。在20世纪90年代，美国学者DVGibson等人首次提出智慧城市的概念，以此指明未来城市发展的方向[3]。奥地利的GiffingerR等人，英国的Bal‐akrishnaC等人，以及欧洲一些国家的学者，对智慧城市的概念从不同角度做出了阐述[4]：瑞典的GILJ和美国的DUARTEJP等人[5]，共同提出了一种城市设计的空间模型。英国的THOMPSONEM等人[6]，围绕数据的分析与整合展开研究。日本学者ShinjiYamamura等人[7]，在智慧城市建设中的BIM和GIS融合技术。IzabellaV.Lokshina等人[8]研究将城市信息模型，物联网技术和区块链技术融合技术应用于智慧城市的系统设计中。他们提出，区块链技术能够防止未经授权的用户访问有关信息，以确保数据完整性和安全性。TodorStojanovski等人[9]研究CIM与城市化中的，街区、连接、地域、人与环境等要素之间的内在联系。HCMelo等人[10]将CIM概念应用于污水管网治理（见图2）。

4.2国内研究现状

我国CIM平台建设尚处于起步阶段，各级政府、学术组织、企事业单位等正积极探索试点经验、标准建设、技术储备、数据体系、平台建设、平台应用等工作。我国对CIM基础平台的研究尚处于起步阶段，相关技术和理论还在推进和完善之中，全国已开展了关于CIM基础平台的政策和试点项目。

4.2.1　政策的推动

在CIM的发展中，国家政策层面积极推动，政府对CIM的发展建设做出多方面的规划，建立CIM试点城市和相关行业标准规范。出台的相关文件和标准规范有：《住房城乡建设部关于开展运用建筑信息模型系统进行工程建设项目审查审批和城市信息模型平台建设试点工作的函》、《城市信息模型CIM基础平台技术导则（修订版）》、《关于开展城市信息模型（CIM）基础平台建设的指导意见》、《关于加快推进新型城市基础设施建设的意见》、《六项城市信息模型（CIM）行业标准的征求意见稿》、《城市信息模型基础平台技术标准》等。通过出台上述相关文件和标准规范，我国建立了约30座CIM试点城市，并为CIM行业的发展制定技术指导标准，将CIM放在“新城建”的首要位置。

4.2.2　技术的发展

当前，CIM的研究领域主要包含以下方面：多技术融合、数据处理、信息安全、平台构建等。在多技术融合方面，华中科技大学的XunXu[11]等人为解决三维数字城市模型语义属性的目标问题，提出了一种BIM与GIS技术集成的框架，如OpenStreetMaps等，分析得到关键技术集成研究无论现在还是未来对CIM都有重要的推动作用。在数据处理方面，韩冬辰[12]等人指出“建筑逆向工程技术”在数字孪生建筑中的重要性，并具体分析各种逆向技术的优缺点，为建筑建成信息的获取提供理论和技术支持。吴开达[13]等人指出针对CIM平台的多源数据接入，首先应制定标准规范，将海量数据进行规范化，然后通过微服务架构开发平台，实现数据的分布式管理。在信息安全方面，胡丹[14]等人提出了基于CIM平台的大数据流转安全框架，以数据分类分级为基础，依据数据流转周期与数据治理安全域的时空维度，构建数据安全流转体系，从而解决数据多源异构、跨网跨平台交换和共享的安全问题。在“平台构建”方面，住房和城乡建设部信息中心的提出CIM平台的建构依据两种驱动原则，一是以数据驱动为主，二是以业务驱动或场景驱动为主。韩雯雯等人[15]构建了基于人居环境理论的数据框架体系，搭建支持融合可用的CIM数据空间组织，探索操作性强的CIM数据采集更新方法。

4.2.3　建设的落地

自2012年国家级智慧城市试点工作启动以来，全国近百个城市推进智慧城市建设。自2018年我国CIM行业正式进入到建设阶段以来，CIM相关工程建设已迎来飞速发展。2019年~2021年招标项目呈现逐年增长趋势，截至2021年9月9日，我国CIM相关招标项目就已达到72个，是2020年整年数据的两倍[1]。由此，CIM基础平台是业内当前乃至未来一段时期的建设和发展重点，是城市规划、建设、管理新的手段和发力点。目前，我国城市信息模型（CIM）已经在工程项目智能建造、数字孪生港口、智慧园区、老旧小区改造、CIM平台[1]等方面进行了实践应用，并取得了较好的效果。国内的城市信息模型研究发展情况如图3所示

4.3城市信息模型的搭建

城市信息模型的搭建大体上可分为三个阶段：前期，数据收集；中期，数据融合；后期，平台呈现。在搭建模型时，同时还要考虑数据安全问题，采用不同的技术针对不同类型的数据进行采集。建立基于HadoopSpatial框架的分布式数据存储机制。基于统一的语义数据资源目录体系，经过数据抽取、清洗、转换、轻量化和融合等阶段，形成标准化的数据库。CIM平台的建构有两个驱动原则，即数据驱动和业务场景驱动。CIM平台可以通过三方面进行建构，即分布式的开放网络体系，多尺度空间单元与实体单元的动态语义识别体系，安全可靠且友好便捷的人机交互与防护系统。同时，数据安全问题也尤为重要，通过分析各环节数据安全流转情况，建立数据安全风险评估模型。运用图形引擎多层次实时渲染呈现数字孪生体的能力，真实展现城市样貌、自然环境、实时交通等各种场景，实现三维实体、大数据、业务逻辑、应用场景等可视化，实现多终端一体化展示，满足不同业务和应用场景需求。

4.4BIM、GIS、IoT技术在城市信息模型中的应用

上述城市信息模型的搭建过程离不开BIM，GIS和IoT技术的相互融合。BIM为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的基础上丰富建筑物内部的信息，使得模型更加精细，更加逼真。GIS技术为BIM模型提供了三维地理空间坐标，使得BIM模型更好地对应真实物理世界中的建筑实体，同时BIM又可以很好地弥补GIS中建筑及基础设施内部信息的缺失。因此，GIS是BIM的宏观基础，而BIM相当于GIS的微观呈现。IoT技术通过各种物联感知手段，收集城市中的各种信息，并汇聚到模型当中，使得模型不再是静态的，而是时刻处在变化之中，实时反应整座城市的运行情况。构建CIM平台离不开BIM、GIS、IoT三大技术的融合。CIM平台可为城市治理提供智慧化解决方案并辅助政府决策，最终惠及城市居民，提升人民幸福感。

4.5城市信息模型的实际运行情况

近年来，我国CIM平台的建设如火如荼，成果显著。从技术层面分析，模型运行稳定，能够实现相应的功能。拥有PB级数字孪生数据库的模型数据存储、索引、计算能力。从行政管理层面分析，诊断与识别城市发展运行中面临的问题，为制定和优化相关政策提供辅助参考依据，为城市的可持续发展提供科学合理的决策，为城市管理者提供智慧化决策平台。促进城市治理水平智能化、科学化、高效化、精细化。从居民角度分析，受到居民的大力支持，提升居民生活品质，为居民提供更加便捷、高效、智能的生活。

5总结与展望

CIM技术对智慧城市的建设具有里程碑式的意义和作用，并且已经在一些城市取得了实践成果，但是仍然存在诸多技术难点，例如，多源异构数据融合、信息安全、平台架构优化等。因此，CIM还有很多研究要点待开发。当前已经解决了CIM“从无到有”的问题，接下来要更加侧重“从有到优”的问题，逐步完善优化CIM及其平台性能，更好地助力实现“智慧城市”。

参考文献

[1]王永海，王宏伟，于静，吴志强，陈顺清，王洋，丁利，王保森，赵渺希，娄东军，郑鹏，周子璐，杨焰文，乔长江，吴元欣.城市信息模型（CIM）平台关键技术研究与应用[J].建设科技，2022（7）：62-66.

[2]城市信息模型（CIM）基础平台技术导则（修订版）[S].北京：住房和城乡建设部，2021.

作者:孙晴 任启航 杜伊帆 韩涵 单位:西安建筑科技大学设计研究总院 西安建筑科技大学 中国电子工程设计院有限公司