CIM平臺(tái)的多源數(shù)據(jù)處理研究分析

吳開(kāi)達(dá) 呂令聰 王振東 史益軍

（1.中建八局第二建設(shè)有限公司 山東省濟(jì)南市 250013 2.上海凱云建筑工程咨詢有限公司 上海市 201101）

1 簡(jiǎn)介

城市信息模型CIM（City Information Model）是中國(guó)學(xué)者提出的新一代信息技術(shù)，得到住建部、工信部、自然資源部、發(fā)改委、網(wǎng)信辦等多部門的大力支持和推廣。CIM是智慧城市的三維數(shù)字底板，是數(shù)字孿生城市的物理鏡像[1]。CIM平臺(tái)的本質(zhì)是集成，技術(shù)層面集成AI、BIM、GIS、IoT、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)的新一代信息技術(shù)[2]，數(shù)據(jù)層面集成“城市三維、建筑三維、城市和重要建筑設(shè)施設(shè)備及運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)”等成為的城市三維數(shù)字源，可作為城市管理的統(tǒng)一平臺(tái)來(lái)建設(shè)，將智慧城市的應(yīng)用場(chǎng)景植入CIM平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)城市管理一張藍(lán)圖管到底，提高城市綜合治理和精細(xì)化管理水平。

在CIM平臺(tái)中，BIM模型、GIS還有激光點(diǎn)云、圖像、視頻及多源傳感器數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)格式多樣，幾何精度不一致，還存在跨度大、數(shù)據(jù)不確定性等問(wèn)題。這就需要研究多層次通用空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，并建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合表達(dá)[3-5]。需要在既有空間坐標(biāo)框架、時(shí)間框架等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行擴(kuò)展，并結(jié)合對(duì)象類型、高程、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、時(shí)序信息等信息，建立不同類型、不同信息系統(tǒng)所需的信息資源統(tǒng)一的時(shí)空框架，做到空間定位、編碼一致并在城市信息模型中建立起有機(jī)聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)多源信息準(zhǔn)確集成與定位，滿足CIM系統(tǒng)信息資源共享與空間定位查詢的需要。同時(shí)，在數(shù)據(jù)層要建立多源數(shù)據(jù)接入服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，基于云平臺(tái)，構(gòu)建微服務(wù)架構(gòu)的跨行業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入服務(wù)。

本文以城市信息模型CIM為切入點(diǎn)，概述了CIM平臺(tái)構(gòu)建的難點(diǎn)在于多源數(shù)據(jù)的處理與分析。由于多源數(shù)據(jù)的多來(lái)源、多模態(tài)，需要新的Web開(kāi)發(fā)手段架構(gòu)CIM，實(shí)現(xiàn)CIM平臺(tái)數(shù)據(jù)的融合和集成。

2 基于CIM平臺(tái)的多源數(shù)據(jù)

2.1 多源數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

2.1.1 多來(lái)源

多來(lái)源，顧名思義，就是數(shù)據(jù)來(lái)源眾多。就CIM平臺(tái)而言，數(shù)據(jù)來(lái)源可以具體分為三大類，如圖1所示：一是城市基礎(chǔ)信息，主要包括建筑模型數(shù)據(jù)和信息、以及個(gè)體建筑（如寫(xiě)字樓）的信息，此外還有城市道路交通狀況和城市土地等信息。二是建筑內(nèi)部信息，即建筑物內(nèi)部重要的建筑結(jié)構(gòu)和建筑部件的信息，通常包括建筑物的建造年限，建筑材料的類型和功能，以及建筑物內(nèi)部的設(shè)備信息，此外還涉及建筑造價(jià)、運(yùn)維等信息。通過(guò)對(duì)前述信息的分析，再結(jié)合使用者權(quán)限進(jìn)行權(quán)限劃分，基于CIM平臺(tái)為用戶提供智能服務(wù)。三是物聯(lián)網(wǎng)信息，即通過(guò)信息化手段（如視頻監(jiān)控、信號(hào)燈）將人類活動(dòng)與建筑或者場(chǎng)所內(nèi)設(shè)施交互產(chǎn)生的信息加以處理，從而提升城市管理水平，解決如城市交通擁堵、以及區(qū)域內(nèi)火災(zāi)應(yīng)急防控等問(wèn)題。

圖1：CIM多源數(shù)據(jù)示意圖

2.1.2 多模態(tài)

多模態(tài)數(shù)據(jù)也可以理解為多維度數(shù)據(jù)，即針對(duì)同一個(gè)的對(duì)象，通過(guò)不同維度或視角而得到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隸屬于描述同一個(gè)對(duì)象，并且處于平行地位，而這些不同方式或領(lǐng)域得到的數(shù)據(jù)就稱為一個(gè)模態(tài)[6]。就CIM平臺(tái)數(shù)據(jù)而言，即城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、建筑物內(nèi)部信息和物聯(lián)網(wǎng)信息，為不同形態(tài)的數(shù)據(jù)形式，或者同種形態(tài)不同的格式。這些多模態(tài)的數(shù)據(jù)在CIM平臺(tái)中，主要來(lái)自于BIM模型、GIS、文本、圖片、音頻、視頻及多源傳感器數(shù)據(jù)等混合數(shù)據(jù)。一般來(lái)講，多模態(tài)數(shù)據(jù)由于形式眾多，具有很強(qiáng)的使用資質(zhì)。但數(shù)據(jù)可能分布在不同的系統(tǒng)或平臺(tái)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)過(guò)于混亂，包含結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時(shí)由于數(shù)據(jù)量巨大、數(shù)據(jù)質(zhì)量質(zhì)量參差不齊，使得多模態(tài)數(shù)據(jù)不能直接進(jìn)行處理。

2.2 數(shù)據(jù)融合與集成

數(shù)據(jù)融合(Data Fusion)也稱為信息融合(Information Fusion)，是對(duì)信息源所提供的關(guān)于某一環(huán)境特征的不完整信息加以綜合，以形成相對(duì)完整、一致的感知描述，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的識(shí)別和判斷功能。數(shù)據(jù)集成是將兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)集通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、結(jié)構(gòu)重組、語(yǔ)義匹配、尺度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)融合等有機(jī)和虛擬的組合，是在統(tǒng)一平臺(tái)上集成重要數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)消歧和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的過(guò)程，并將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一提供給用戶。

數(shù)據(jù)集成的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)交換，并且在交換過(guò)程中具備數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換的能力；當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，還需要解決各種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，例如用戶本地機(jī)房如何進(jìn)行數(shù)據(jù)上云，云上不同VPC內(nèi)的數(shù)據(jù)源如何進(jìn)行相互同步等。

可以說(shuō)，CIM平臺(tái)本質(zhì)上就是將各項(xiàng)專業(yè)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)在一個(gè)平臺(tái)內(nèi)部進(jìn)行統(tǒng)一的整合，在數(shù)據(jù)層面上達(dá)到高度融合，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的集成。因此，對(duì)于CIM平臺(tái)的構(gòu)建的重難點(diǎn)就在于如何將多源數(shù)據(jù)接入到平臺(tái)中。

3 基于CIM平臺(tái)的多源數(shù)據(jù)接入

由于CIM平臺(tái)的數(shù)據(jù)量巨大，并且來(lái)源眾多，格式不統(tǒng)一，因此針對(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)對(duì)CIM平臺(tái)海量數(shù)據(jù)的分布式管理。

3.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

CIM平臺(tái)存在大量的不同格式的數(shù)據(jù)，主要來(lái)自BIM的建模型信息，因此需要對(duì)BIM數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，包括BIM數(shù)據(jù)的輕量化和規(guī)范化。由于BIM模型信息的重點(diǎn)在于單體建筑信息，包括建筑結(jié)構(gòu)、建筑內(nèi)機(jī)電管線信息、建筑設(shè)備信息等，當(dāng)建模對(duì)象在尺度上達(dá)到園區(qū)級(jí)或城市級(jí)，CIM數(shù)據(jù)體量巨大，因此，有必要通過(guò)多種技術(shù)手段，比如部件成組、實(shí)例化存儲(chǔ)、渲染處理等，來(lái)實(shí)現(xiàn)BIM模型的輕量化和優(yōu)化，大幅度降低數(shù)據(jù)體量。

此外，BIM建模軟件尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，不同建模軟件的數(shù)據(jù)格式不同、文件結(jié)構(gòu)不同，加之建模軟件種類繁多，導(dǎo)致難以采用統(tǒng)一的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)模型信息共享。而且BIM建模軟件大多不對(duì)外公開(kāi)其數(shù)據(jù)格式、文件結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致BIM與GIS對(duì)接存在壁壘。目前，要想獲取包括材質(zhì)、幾何尺寸、屬性等在內(nèi)的完整BIM信息，通常采用的方法是基于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換工具或插件，將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠跟GIS對(duì)接的數(shù)據(jù)格式，但是轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)變形、丟失等問(wèn)題，需要大量的人工補(bǔ)正工作，這造成了模型可用性、易用性低下，效率低下等問(wèn)題。因此，有必要制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、導(dǎo)則等，對(duì)BIM數(shù)據(jù)的開(kāi)放性、BIM數(shù)據(jù)的格式規(guī)范提出要求。

3.2 微服務(wù)架構(gòu)

2012年，微服務(wù)架構(gòu)（Micro service Architecture）作為一種新興的架構(gòu)概念而出現(xiàn)（圖2）。它能夠加快移動(dòng)應(yīng)用程序和Web系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)程，旨在通過(guò)將功能分解到各個(gè)離散的服務(wù)中以實(shí)現(xiàn)對(duì)解決方案的解耦[7,8]。在2015年時(shí)，微服務(wù)結(jié)構(gòu)被人們廣泛接受，它通過(guò)將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)或功能分解到多個(gè)微服務(wù)中，而這些微服務(wù)都可以相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行而不受影響，從而降低了系統(tǒng)的耦合性，同時(shí)還提供了更加靈活的服務(wù)支持。此外，微服務(wù)架構(gòu)在將單個(gè)的應(yīng)用程序和服務(wù)拆分為多個(gè)微服務(wù)時(shí)，擴(kuò)展的是單個(gè)的組件而不是整個(gè)應(yīng)用程序堆棧，從而滿足附物等級(jí)協(xié)議。

圖2：微服務(wù)架構(gòu)理念示意圖

微服務(wù)架構(gòu)與傳統(tǒng)的單體式架構(gòu)開(kāi)發(fā)對(duì)比，它的每個(gè)獨(dú)立的服務(wù)能夠更加自主方便的進(jìn)行開(kāi)發(fā)、測(cè)試和部署，在后續(xù)的不同場(chǎng)景應(yīng)用中針對(duì)不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)能更為針對(duì)性的提供解決方案，不像單體架構(gòu)將所有問(wèn)題統(tǒng)一集中解決，從而使得業(yè)務(wù)處理更加簡(jiǎn)單，同時(shí)還保證了系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的最優(yōu)化和多元化。此外，由于微服務(wù)架構(gòu)的分布式管理，非常強(qiáng)調(diào)每個(gè)服務(wù)模塊的隔離性，通常不依賴其他服務(wù)，當(dāng)系統(tǒng)后期需要增加某個(gè)功能或需要對(duì)某個(gè)服務(wù)模塊進(jìn)行修改時(shí)，微服務(wù)架構(gòu)能夠?qū)⒛硞€(gè)服務(wù)模塊單獨(dú)的剝離出來(lái)重寫(xiě)，或者增加新的技術(shù)和語(yǔ)言框架，然后單獨(dú)部署，不影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。這大大減少客戶端與服務(wù)間的往來(lái)，從而進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的質(zhì)量以及效率。

4 結(jié)語(yǔ)

CIM平臺(tái)的數(shù)據(jù)具有多來(lái)源、多模態(tài)的特點(diǎn)，對(duì)于這樣的數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)一定的技術(shù)手段在數(shù)據(jù)接入CIM平臺(tái)進(jìn)行一定的輕量化和規(guī)范化，然后通過(guò)微服務(wù)架構(gòu)將大量數(shù)據(jù)拆分為獨(dú)立的平行的微服務(wù)模塊，從而能更好的達(dá)到數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)集成，最終實(shí)現(xiàn)CIM平臺(tái)更高效、更高質(zhì)的管理。