基于城市信息模型的智慧城市管理體系架構*

包 勝，謝為時，秦現(xiàn)德，馮佳偉

(1.浙江大學建筑工程學院，浙江 杭州 310058； 2.浙江交工集團股份有限公司設計院分公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

城市作為社會發(fā)展的政治、經(jīng)濟、科技、人文中心，對推動國家進步的戰(zhàn)略意義和主導作用越來越重要。據(jù)統(tǒng)計，2018年，全球城市化率平均已達55%，我國城市化率已達59.58%，北美、歐洲的一些發(fā)達國家城市化率更是達到了74%以上。預計到2050年，全球城市化率有望達68%[1]。但是，城鎮(zhèn)化發(fā)展速度過快，城鎮(zhèn)人口快速攀升，給城市傳統(tǒng)運行模式帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。各種“城市病”制約了城市發(fā)展，如低效的城市管理方式、擁堵的交通系統(tǒng)、難以發(fā)揮實效的城市應急系統(tǒng)、遠不完善的環(huán)境監(jiān)測體系等[2]。

智慧城市的出現(xiàn)給城市化進程帶來了新的動力，它是以實現(xiàn)智慧交通、智慧政務、智慧醫(yī)療、智慧環(huán)境、智慧經(jīng)濟和智慧生活等為目標，通過一系列先進軟硬件技術結(jié)合，將城市運行管理的大量信息進行整合分析，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，改善城市運行發(fā)展中各種問題的過程。它的出現(xiàn)給城市發(fā)展中遇到的問題提供了一體化解決方案，不僅促進了先進生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)化和生活方式的變革，同時也有利于解決城市化發(fā)展中的一系列“城市病”問題[3]。我國在智慧城市建設方面進行了積極的探索，但是由于環(huán)境及技術條件等限制，目前的智慧城市建設存在著許多問題：數(shù)據(jù)孤島和重復建設，缺乏頂層規(guī)劃，信息保護缺位，項目離散明顯等[4]。城市信息模型(city information modeling,CIM)可作為智慧城市數(shù)據(jù)及管理核心助力智慧城市更好更快發(fā)展，通過對城市層面各種實體及其時空狀態(tài)、交通、人文等信息的數(shù)字化描述和表達，利用通信、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、GIS、BIM等先進技術，對數(shù)據(jù)進行獲取、傳輸、存儲、挖掘及信息展示，將城市的時空波動集成到1個分析平臺中，實現(xiàn)現(xiàn)實和虛擬的實時交叉，進而優(yōu)化城市管理體系[5]。同時，城市信息模型通過不斷學習城市的時空信息，隨著時間的推移它必將變得更加智能，城市管理也將更加“智慧”[6]。

1 發(fā)展現(xiàn)狀概述

智慧城市概念引入我國后，由于其具有廣闊的應用前景以及政府的大力支持，在我國發(fā)展迅速。2008—2012年，智慧城市概念開始出現(xiàn)，該階段以行業(yè)應用驅(qū)動為主，主要實現(xiàn)行業(yè)應用的數(shù)字化和網(wǎng)絡化。2012—2015年，我國智慧城市建設興起，住房和城鄉(xiāng)建設部先后印發(fā)《國家智慧城市試點暫行管理辦法》和《國家智慧城市(區(qū)、鎮(zhèn))試點指標體系(試行)》等文件，共批準約300個城市(區(qū)、鎮(zhèn))開展了國家智慧城市試點[7]，該階段以新興技術驅(qū)動為主，實現(xiàn)了城鎮(zhèn)化加速和信息技術的全面應用。2016年至今，我國開啟“互聯(lián)網(wǎng)+”的新型智慧城市階段，從智慧城市模塊的碎片化推進步入融合互通的互聯(lián)網(wǎng)平臺搭建過程，該階段以數(shù)據(jù)驅(qū)動為主，注重以人為本，統(tǒng)籌集約?！丁笆濉眹倚畔⒒?guī)劃》將新型智慧城市作為十二大優(yōu)先行動計劃之一，從實施層面為新型智慧城市建設指明了方向和關鍵環(huán)節(jié)。2018年以來，我國又相繼發(fā)布了多項智慧城市領域的標準，促進智慧城市標準化實施。

同時，全國各地積極響應中央決策部署，圍繞各省市特點，推動新型智慧城市建設加快實施，積累了大量有益經(jīng)驗，取得了較好的建設成績。北京市智慧城市建設經(jīng)歷了“數(shù)字北京” “智慧北京”階段，正邁向新型“智慧北京”。如今，北京以城市副中心為試點、以人為本、以宜居宜業(yè)為目標，圍繞市民生活、城市管理等方面展開新型智慧城市建設，并提出2025年建成全球新型智慧城市“標桿城市”。杭州的新型智慧城市建設主要以城市大腦為主，包括警務、交通、文旅、健康等11大系統(tǒng)和48個應用場景，日均數(shù)據(jù)可達8 000萬條以上，推動城市實現(xiàn)智慧化。上海提出全面推進城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型，利用技術驅(qū)動實現(xiàn)賦能、機制驅(qū)動實現(xiàn)重塑。深圳提出搶抓新基建的機遇，全面升級“數(shù)字政府”和智慧城市的基礎設施，同時利用AI、區(qū)塊鏈等技術，對深圳數(shù)字中心基礎支撐平臺進行全面升級，為智能化城市建設提供一個軟件和硬件的平臺支撐。同時，中國平安(P)、阿里巴巴(A)、騰訊(T)、華為(H)等多家高科技企業(yè)也加入智慧城市的軟硬件建設中。中國平安提出了總攬大局的全面方案，阿里巴巴注重城市商業(yè)，騰訊繼續(xù)推進社交和連接，而華為大力加強通信基礎設施建設，這4家科技巨頭引領著中國的“智慧城市之路”(PATH)[8]。目前，我國在東部沿海以及中西部地區(qū)形成了多個大型智慧城市集群(見圖1)，在智慧交通、智慧建筑、智慧生活、智慧經(jīng)濟、智慧能源、智慧安防、智慧政務等多個方面開展了特色智慧城市建設。

圖1 全國智慧城市建設基本概況

與此同時，CIM由于其諸多特點及其與智慧城市較大的融合性，近年來也得到了較快發(fā)展。中國信息通信研究院2019年發(fā)布的新型智慧城市發(fā)展研究報告中提出，CIM平臺崛起支撐虛實融合發(fā)展，CIM平臺或?qū)⒊蔀閿?shù)字空間中城市運行的“孿生體”，助力智慧城市建設[9]。住房和城鄉(xiāng)建設部啟動CIM平臺建設的試點工作，首批試點包括南京、北京城市副中心、廣州、廈門和雄安新區(qū)。2020年9月，國務院辦公廳發(fā)布關于以新業(yè)態(tài)新模式引領新型消費加快發(fā)展的意見[10]，提出推動CIM基礎平臺建設，支持城市規(guī)劃建設管理多場景應用，促進城市基礎設施數(shù)字化和城市建設數(shù)據(jù)匯聚。同期，住房和城鄉(xiāng)建設部辦公廳為指導各地開展CIM基礎平臺建設，總結(jié)試點工作經(jīng)驗做法，制定了《城市信息模型(CIM)基礎平臺技術導則》，推進城市信息模型標準化建設。

我國智慧城市建設已取得較大進展，在實現(xiàn)智慧化的同時為人民帶來了實實在在的好處。但由于城市與城市之間發(fā)展水平和信息化程度千差萬別，智慧城市建設特點也各有不同(見表1)，如何在保證各地個性化和創(chuàng)新性的同時，建立統(tǒng)一應用標準及實現(xiàn)方法，解決智慧城市建設中存在的諸多問題，是接下來需要重點研究的問題。筆者研究了智慧城市和CIM技術的內(nèi)涵，對基于CIM的新型智慧城市建設的合作模式、內(nèi)在邏輯、運行優(yōu)勢和建設目標進行了細致討論[11]。本文是對先前研究的進一步深入，提出基于CIM的智慧城市管理體系架構，將CIM平臺作為核心數(shù)據(jù)及管理平臺，連接智慧城市應用全過程，實現(xiàn)城市管理體系的標準化、系統(tǒng)化提升。

表1 各類智慧城市建設特點

2 管理體系設計

CIM由于具有覆蓋性廣、信息性強、可視化等特點，能夠?qū)ΜF(xiàn)實世界用數(shù)字化手段實現(xiàn)充分描述，在智慧城市治理方面有顯著的優(yōu)越性?；诖耍疚脑O計基于CIM的智慧城市管理體系架構。

2.1 城市數(shù)據(jù)的層級體系

城市運行的智慧化實現(xiàn)，核心在于各項數(shù)據(jù)的管理，CIM通過對城市數(shù)據(jù)的收集、傳輸、存儲、分析、應用等一系列過程[12-16]，實現(xiàn)城市智慧化管理的目標。本文提出城市數(shù)據(jù)管理的結(jié)構體系(見表2)，主要包括4個層面：感知傳輸層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)分析層和服務應用層。以此為基礎構建城市數(shù)據(jù)管理的基本框架，對數(shù)據(jù)進行常規(guī)化管理。

表2 城市數(shù)據(jù)的層級體系

2.2 智慧城市管理體系

智慧城市作為城市治理體系的一種創(chuàng)新性方案，它的根本目標是解決城市運行中存在的一系列問題，把城市化對環(huán)境、居民生活方式和城市治理的影響降到最低[17]；它的本質(zhì)是物聯(lián)網(wǎng)概念的一種應用，利用萬物互聯(lián)助力城市治理；它的發(fā)展方向是一種社會系統(tǒng)和結(jié)構的改變，虛擬空間和物理空間更加緊密地結(jié)合在一起[18]。它借助虛擬數(shù)字城市的表現(xiàn)來對物理空間城市進行管理，而CIM就是一種很好的城市虛擬空間的表現(xiàn)。通過對各類城市數(shù)據(jù)的管理，CIM平臺在集成三維城市模型信息的同時，也為城市數(shù)據(jù)分析處理提供了良好的接口，并且能夠傳遞支持決策的上層信息?？梢哉f，CIM平臺既是數(shù)字城市的實現(xiàn)，又是打造智慧城市的基礎?；趯χ腔鄢鞘泄芾淼睦斫猓岢鲆韵麦w系架構(見圖2)。

圖2 智慧城市管理體系架構

城市運行數(shù)據(jù)首先經(jīng)過傳感器傳輸(IOT)、個人輸入(移動端)、部門數(shù)據(jù)接入(政府、企業(yè))等多種渠道進行收集，然后利用5G技術等多種通信技術構成穩(wěn)定的傳輸網(wǎng)絡，根據(jù)數(shù)據(jù)自身特點，考慮BIM，GIS模型及傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲特性，結(jié)合云存儲和智能壓縮算法等技術，對數(shù)據(jù)進行合理存儲，數(shù)據(jù)價值通過云計算、大數(shù)據(jù)等技術進行深度挖掘，服務于后期應用。數(shù)據(jù)收集以應用為導向，形成數(shù)據(jù)管理閉環(huán)；數(shù)據(jù)存儲則考慮數(shù)據(jù)類別、屬性及后期應用點，多種數(shù)據(jù)交叉融合，構建以應用目標為導向的存儲體系；3D CIM作為智慧城市實現(xiàn)的核心，既是智慧城市信息承載平臺，又是管理應用中心，數(shù)據(jù)的收集、存儲、分析及決策全過程都基于它開展；服務應用面向政府、企業(yè)、公眾進行不同權限設置，通過設立算法服務平臺和大規(guī)模計算平臺，加大社會參與度，各應用端創(chuàng)新性地開發(fā)多種應用，充分調(diào)動社會積極性，提高應用質(zhì)量和效率?；贑IM的智慧城市管理體系具有諸多優(yōu)勢，數(shù)據(jù)管理閉環(huán)，信息資源充分利用，社會企業(yè)及公眾積極參與，各端的創(chuàng)新性被有效調(diào)動，智慧城市管理更加富有活力，管理決策更加有理可依，實現(xiàn)了城市管理的良性循環(huán)。

基于CIM的智慧城市管理體系架構涉及范圍廣，應用程度深，各方溝通協(xié)調(diào)難度大。因此，要構建智慧城市管理體系，提高CIM應用效果，以下各模塊內(nèi)容是關鍵。

1)可視化3D城市模型 將BIM+GIS的各類屬性信息集成為3D城市模型，為用戶提供數(shù)字城市的三維可視化界面，可以直觀地呈現(xiàn)城市狀態(tài)，方便用戶進行信息查詢、城市管理，也可以進行虛擬漫游、方案展示、決策優(yōu)化以及預演訓練等(見圖3)。充分利用其可視化特點，對功能應用前后效果進行可視化對比分析，用更直觀的方式對數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行展示，使得管理決策更加高效。

圖3 可視化3D城市模型應用示意

2)數(shù)據(jù)收集體系 包括完善的數(shù)據(jù)收集內(nèi)容及方式。如何更好地安置傳感器，保證數(shù)據(jù)有效性，在確定這些問題前應對各行業(yè)目前的數(shù)據(jù)收集現(xiàn)狀進行調(diào)研分析，在現(xiàn)有基礎上分析其特點與不足，建立以服務應用為導向的數(shù)據(jù)收集體系，以政府為中心[19]、各企業(yè)為輔助的數(shù)據(jù)收集統(tǒng)一管理模式，減少數(shù)據(jù)重復收集，讓數(shù)據(jù)收集恰到好處。

3)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡 將城市數(shù)據(jù)高效安全地傳輸至城市數(shù)據(jù)資源庫。5G網(wǎng)絡作為未來數(shù)據(jù)收集的主陣地，釆集的大數(shù)據(jù)可以運用實時流式，處理涉及數(shù)據(jù)的聚合，數(shù)據(jù)的處理和展現(xiàn)能夠在秒級或者毫秒級得到響應，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸[20]。5G技術與多種先進網(wǎng)絡通信技術相結(jié)合，組成CIM體系的神經(jīng)網(wǎng)絡，為智慧城市系統(tǒng)管理實現(xiàn)提供充分保障。

4)城市數(shù)據(jù)資源庫 在保證數(shù)據(jù)庫各方面特性的條件下做到數(shù)據(jù)充分應用，為用戶提供適用數(shù)據(jù)資源。以CIM為基礎，包含經(jīng)濟、人口等附加信息，結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫運行方式，匯集政府、企業(yè)、公眾等多源數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一歸集、管理和共享開放，針對不同對象開放不同權限，提高數(shù)據(jù)可用性。支持數(shù)據(jù)的快速提取和有效拓展，并具備完善的數(shù)據(jù)安全保障機制。

5)算法服務平臺 為用戶提供開放算法、主流計算機學習框架、算法管理以及人工智能創(chuàng)新等服務。該算法服務平臺面向公眾、企業(yè)、政府有條件開放，各用戶端依靠先進的計算機技術，可有針對性地利用相關數(shù)據(jù)，開發(fā)具體應用算法。算法服務平臺為上層應用提供基礎技術支持，通過資源共享，發(fā)動全社會的創(chuàng)新思維，創(chuàng)造出更有效的服務。

6)大規(guī)模計算平臺 為各平臺及用戶端提供充足的計算能力。立足于云計算技術，通過大規(guī)模分布式計算內(nèi)核將計算、存儲、網(wǎng)絡變成統(tǒng)一的計算服務，保證平臺有足夠的計算能力，并在此基礎上提供云數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)處理、分布式中間件服務等。由于CIM的數(shù)據(jù)特征，其對計算能力的要求非常高，因此，如何更有效地利用云計算等相關技術進行計算能力的分配整合也很重要。

7)服務應用平臺 為不同服務應用端提供信息處理結(jié)果。政府單獨進行應用有其不可避免的局限性，因此，企業(yè)作為社會創(chuàng)新主體以及公眾作為最終服務對象[21]，都應該參與到服務應用平臺的搭建中，針對各自存在的不同問題提出不同的思路，全民參與共建智慧城市。同時，服務應用平臺應以全民為基礎，平臺為核心，連接交通、政務、經(jīng)濟、教育等服務場景，實現(xiàn)全場景智慧化(見圖4)。

圖4 服務應用平臺示意

3 數(shù)據(jù)管理研究

CIM的本質(zhì)是城市數(shù)據(jù)的集成，因此基于CIM的智慧城市管理關鍵在于對數(shù)據(jù)的管理。由于城市數(shù)據(jù)具有涉及范圍廣、類型多、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)結(jié)構復雜等諸多特點，對數(shù)據(jù)進行合理有效的管理具有重要意義，本章提出城市數(shù)據(jù)管理過程中的重難點問題并探討了相關解決方案。

3.1 數(shù)據(jù)獲取與傳輸

隨著城市基礎設施建設的完善與物聯(lián)網(wǎng)的普及，所能采集的信息越來越多，因此必須要做好數(shù)據(jù)采集管理。對數(shù)據(jù)獲取過程進行精細化管理，根據(jù)類別提出傳感器傳輸、個人輸入、部門數(shù)據(jù)接入等多種信息獲取方式，確保數(shù)據(jù)獲取效率及準確性，是保證后期數(shù)據(jù)有效性的關鍵。同時，為提高城市管理效率，需要對數(shù)據(jù)保持較好的更新效果，這就對信息傳遞的效率和穩(wěn)定性提出了很高的要求。目前建設5G網(wǎng)絡作為4G網(wǎng)絡的發(fā)展和延伸，具有高寬帶、低延時、低功耗、覆蓋范圍廣、熱點高容量等特性[22]，結(jié)合廣電網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和其他專網(wǎng)等，可有效確保信息傳遞的質(zhì)量。CIM模型直接與各類傳感器一一對接，并且對各種收集數(shù)據(jù)直觀表現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)據(jù)收集管理過程的有效優(yōu)化，最終實現(xiàn)對城市自動、實時、全面透徹的感知。

3.2 數(shù)據(jù)存儲

城市運行產(chǎn)生巨大數(shù)據(jù)，需要建立合適的數(shù)據(jù)庫對它們進行合理存儲。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺由于其數(shù)據(jù)存儲特性較強，層間關系復雜，導致它的表達能力較差，數(shù)據(jù)存儲過程較為繁瑣。海量數(shù)據(jù)的急速增長直接導致大數(shù)據(jù)存儲成本過高以及快速檢索、信息提取自動化程度較低等問題。CIM作為現(xiàn)實世界的直接映射，依據(jù)其良好的空間及物體屬性存儲功能，能直接對城市管理產(chǎn)生的諸多信息進行直接映射表達，在初步存儲階段弱化其邏輯管理特性，在后期應用中進行細致化存儲。針對部分大數(shù)據(jù)種類多、存儲困難等問題，可建立CIM與傳統(tǒng)關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫[23]的邏輯聯(lián)系，讓存儲過程更具有針對性，結(jié)合云存儲與智能壓縮算法等技術，使得數(shù)據(jù)存儲過程更加直觀便捷。

3.3 數(shù)據(jù)交互

城市數(shù)據(jù)涉及范圍廣、種類多，包括靜態(tài)和動態(tài)、實時和歷史、幾何和語義、宏觀和微觀等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段各類數(shù)據(jù)應用局限于其自身，未形成有效聯(lián)系，由此造成了數(shù)據(jù)重復收集、數(shù)據(jù)孤島等現(xiàn)象，產(chǎn)生了大量的人力物力浪費。同時，CIM的存儲需要一定的標準，后期的分析也會對數(shù)據(jù)交互提出更高的要求。智慧城市管理需要打通數(shù)據(jù)交互障礙，使各類數(shù)據(jù)在多種應用層面實現(xiàn)有效互聯(lián)互通，做好異構、多源、多模態(tài)數(shù)據(jù)的交互處理。BIM與GIS之間的數(shù)據(jù)互通已有許多學者進行了研究并取得了一定的成果[24]，但是多種核心技術之間數(shù)據(jù)交互途徑仍舊缺乏，嚴重阻礙了城市數(shù)據(jù)的建設。因此，統(tǒng)一數(shù)據(jù)應用標準，保證多種技術數(shù)據(jù)之間傳遞信息的完整性、有效性，使得各類數(shù)據(jù)能夠有效互通，是智慧城市建設的重要基礎(見圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)標準應用示意

3.4 數(shù)據(jù)挖掘

數(shù)據(jù)挖掘是大數(shù)據(jù)分析中實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的核心步驟，主要包括對海量、多源大數(shù)據(jù)進行處理和分析，自動發(fā)現(xiàn)和提取隱含的模式、規(guī)則和知識，通過可視化并融合為易于人類理解的方式進行展現(xiàn)[25]?，F(xiàn)階段，機器學習、深度學習等數(shù)據(jù)挖掘方法快速發(fā)展，匹配大數(shù)據(jù)資源的豐富性，兩者互相促進，在計算機視覺技術[26]、自然語言處理[27]方面已有很廣泛的應用。同時，它們能實現(xiàn)的分類任務和預測任務在龐大的城市數(shù)據(jù)中，也有著豐富的應用場景和組合方式。針對多種多樣的城市數(shù)據(jù)及不同的應用場景，應在充分分析數(shù)據(jù)特點的基礎上，為每類應用任務設計適合其特點的一整套數(shù)據(jù)分析方法，實現(xiàn)因地制宜。通過對底層數(shù)據(jù)的挖掘分析，得到支持城市管理的信息結(jié)果，實現(xiàn)城市智慧化管理。

4 結(jié)語

智慧城市如果形容為一個面，其中的交通、經(jīng)濟、政務就好像構成該面的一條條線，而每一條線又由一個個具體應用點組成。國內(nèi)在智慧城市建設中進行了積極的探索，但目前應用及研究多集中于具體某個點或某條線上，未能真正做到城市多層次的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。要想鋪好智慧城市這個面，關鍵問題是確立面的核心，之后各個點和線的應用就可以接入，將智慧城市應用系統(tǒng)化、一體化，最后通過對這個面的不斷完善，達到城市智慧化管理的目的。這個核心就以是CIM，它和各個應用領域都能較好的融合，加上其獨有的可視化、與現(xiàn)實一一對應等多種特性，能夠作為數(shù)據(jù)及管理核心提升智慧城市的管理水平。但是，由于智慧城市管理體系構建涉及內(nèi)容廣，溝通協(xié)調(diào)難度大，有很多核心問題有待進一步解決。要在發(fā)展現(xiàn)有各應用點及相關技術的同時，進一步探索CIM與智慧城市各層面應用的聯(lián)系性和適用性，盡快解決其突出問題，構建CIM基礎管理平臺，促進智慧城市更好更快發(fā)展。