城市信息模型（CIM）關(guān)鍵技術(shù)集成研究

陳 兵，王 港

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 管理學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

0 引言

CIM 可以被理解成三維信息化城市，是將最新的信息科技應(yīng)用于城市的各行各業(yè)之中，進(jìn)而用“數(shù)據(jù)”建造起集信息化、工業(yè)化于一體的新型城市，使用BIM、IOT、GIS 等高端技術(shù)使城市的各種因素處于協(xié)同發(fā)展的狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)許多學(xué)者研究了CIM 及其關(guān)鍵技術(shù)。張宏等人從CIM 的形成與發(fā)展，含義與組成剖析了CIM 智慧城市的發(fā)展情況與未來(lái)趨勢(shì)，分析CIM 的架構(gòu)，提出構(gòu)建CIM 的系統(tǒng)的幾點(diǎn)措施［1］。楊滔等人在CIM 建設(shè)的背景下分析了傳統(tǒng)的智慧城市與CIM 智慧城市區(qū)別在于城市本身的全息數(shù)字化并以雄安CIM 平臺(tái)為例生動(dòng)地演示了CIM 平臺(tái)的建設(shè)［2］。王寶令 等整合了城市信息模型（CIM）的定義，分析城市信息模型的架構(gòu)，城市信息模型是“BIM＋GIS＋I(xiàn)OT”的組成［3］。以上學(xué)者的分析，都顯示出當(dāng)前發(fā)展CIM 智慧城市的必要性。但CIM 建設(shè)是各種先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合體，即“集百家之所長(zhǎng)”，而不是某一種技術(shù)的單一發(fā)揮。比如BIM 可以精細(xì)設(shè)計(jì)城市中某一建筑的模型，可以檢查這一棟建筑某一個(gè)房間的管線碰撞，但當(dāng)以整座城市作為研究對(duì)象時(shí)，BIM 就顯得“力不從心”了，它既需要用到GIS 龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)，也需要物聯(lián)網(wǎng)實(shí)體模型以及其他技術(shù)的支持。本文的研究意義在于通過(guò)解構(gòu)CIM 的含義，分析CIM 的關(guān)鍵技術(shù)在智慧城市中的聯(lián)合應(yīng)用而非單一應(yīng)用，通過(guò)技術(shù)集成的視角理解智慧城市，為推動(dòng)CIM 智慧城市的建設(shè)提供建議。

1 城市信息模型（CIM）的含義和組成

CIM：在物聯(lián)網(wǎng)這座“物”的橋梁下將城市的基礎(chǔ)信息與BIM 具體項(xiàng)目模型相連接，建立起一個(gè)實(shí)時(shí)的、大規(guī)模的城市三維數(shù)據(jù)庫(kù)，與傳統(tǒng)的數(shù)字城市相比，在BIM 技術(shù)的幫助下，CIM 數(shù)據(jù)更加精細(xì)化，大至每一條城市道路、每一棟建筑物，小到建筑物內(nèi)部的每一根管線、每一扇門窗。CIM 的關(guān)鍵技術(shù)包括以下3 個(gè)：

（1）城市地理信息系統(tǒng)（GIS），包括建筑模型、模型信息、交通道路、發(fā)展規(guī)劃、繪圖和路線規(guī)劃等信息。

（2）建筑信息模型（BIM），其核心是三維模型所形成的數(shù)據(jù)庫(kù)，能通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、繪制模型、仿真實(shí)驗(yàn)等手段來(lái)模擬建筑的真實(shí)信息，包括建筑的設(shè)計(jì)信息、內(nèi)部構(gòu)造等?？梢詮馁|(zhì)量、進(jìn)度、成本和安全等方面對(duì)建筑進(jìn)行全過(guò)程跟蹤與協(xié)調(diào)。

（3）物聯(lián)網(wǎng)信息模型（IOT），物聯(lián)網(wǎng)涉及“物”的收集、儲(chǔ)存、集成、傳遞和處理，IOT 應(yīng)用在智慧城市的建設(shè)中是要建立允許智能設(shè)備互連、互相操作的服務(wù)實(shí)體模型。

2 城市信息模型（CIM）關(guān)鍵技術(shù)集成研究

CIM 平臺(tái)利用IOT 的信息傳感設(shè)備將BIM 建筑模型在3DGIS 的技術(shù)支持下，將城市連接起來(lái)形成一個(gè)巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)有著信息共享、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫(kù)借此來(lái)滿足城市運(yùn)行中的各種需求，以集約高效的協(xié)同管理模式進(jìn)行城市管理。在此過(guò)程中最為重要的就是三大關(guān)鍵技術(shù)BIM、GIS、IOT 的集成及聯(lián)合應(yīng)用，下面主要對(duì)三大關(guān)鍵技術(shù)集成及聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行研究。

表1 GIS 與BIM 的數(shù)據(jù)差異

2.1 BIM 與GIS 集成研究

通過(guò)表1 比較數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)表達(dá)它們之間的差異，這是目前較為科學(xué)的研究方法［4］。BIM 技術(shù)主要應(yīng)用于單個(gè)項(xiàng)目建設(shè)的全過(guò)程開(kāi)發(fā)，從建筑設(shè)計(jì)、項(xiàng)目施工到項(xiàng)目的竣工驗(yàn)收和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)，單個(gè)項(xiàng)目的屬性信息可以精細(xì)到內(nèi)部構(gòu)件，由于3D 建模具有模型可視化程度高、項(xiàng)目建筑信息全面、可多人協(xié)同操作等諸多優(yōu)點(diǎn)。但BIM 技術(shù)仍存在一些固有的缺點(diǎn)：所建立的模型數(shù)據(jù)量大、3D 可視化預(yù)處理時(shí)間較長(zhǎng)、對(duì)服務(wù)器性能要求高等。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和應(yīng)用，GIS 技術(shù)已經(jīng)比較成熟，能夠很好地處理海量的大比例尺地形數(shù)據(jù)，計(jì)算效率高，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)于宏觀模型的顯示具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，將BIM 與GIS 技術(shù)相結(jié)合，可以同時(shí)顯示微觀和宏觀的數(shù)據(jù)，這將有助于提高系統(tǒng)的整體性能為工程可視化和管理提供更豐富、全面的信息［5］。兩者的結(jié)合可應(yīng)用到智慧城市的眾多領(lǐng)域，如：

（1）建立“BIM＋GIS”城市管理信息平臺(tái)。在BIM 三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS 地理信息庫(kù)等主要技術(shù)支持下，“BIM＋GIS”城市管理信息平臺(tái)可用于模型收集、模型審查、工程監(jiān)管等多個(gè)方面，可達(dá)到收集、設(shè)計(jì)、審核、監(jiān)管的全方位一體化建設(shè)。［6］

（2）城市道路建設(shè)。以GIS 海量的地形數(shù)據(jù)為優(yōu)勢(shì)，結(jié)合BIM 精細(xì)化的建模技術(shù)，可以建立完整而有序的城市交通道路模型，在城市交通道路規(guī)劃時(shí)，可以將當(dāng)前的設(shè)計(jì)融入原有道路系統(tǒng)中，根據(jù)交通客流量對(duì)改建道路進(jìn)行模擬仿真，檢測(cè)設(shè)計(jì)的合理性，并根據(jù)模擬仿真進(jìn)行模型優(yōu)化。另外可以在模型上標(biāo)明道路的詳細(xì)信息，包括：道路的名稱、設(shè)計(jì)單位、施工單位、設(shè)計(jì)年限、主要施工工藝、建筑材料等主要信息附于模型之內(nèi)以便道路維修以及改擴(kuò)建［7］。

2.2 BIM 與IOT 數(shù)據(jù)架構(gòu)與集成

如表2 所示，IOT 技術(shù)是BIM 模型與“物”這一關(guān)鍵實(shí)體相結(jié)合的橋梁。在城市建設(shè)的全生命周期中，由于各參建方具有高度的機(jī)動(dòng)性，因此對(duì)BIM 技術(shù)提出了很高的要求。BIM 技術(shù)是種虛擬技術(shù)，在建模、模擬等操作完成后，需要建設(shè)各方進(jìn)行聯(lián)動(dòng)實(shí)施，這時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就充當(dāng)起了“橋梁”角色：將虛擬與現(xiàn)實(shí)相連接，通過(guò)RFID 標(biāo)簽、二維碼、智能傳感器、定位裝置等手段，打通實(shí)體與數(shù)據(jù)間的接口，從而實(shí)施對(duì)城市建造全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)防并控制意外的發(fā)生［8］。IOT 技術(shù)與BIM 技術(shù)的集成，主要體現(xiàn)在將BIM 與IOT 的技術(shù)集成應(yīng)用于建設(shè)項(xiàng)目的質(zhì)量、進(jìn)度、安全控制方面。在進(jìn)度管理方面，無(wú)論是成片的建設(shè)項(xiàng)目還是單個(gè)建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目管理人員通過(guò)IOT 的智能傳感器與定位裝置、視頻監(jiān)控裝置等技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)管與控制，借助本項(xiàng)目前期BIM 建模時(shí)的項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)物資以及項(xiàng)目?jī)?nèi)部構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)籌管理，借此技術(shù)集成來(lái)對(duì)項(xiàng)目做出合理的規(guī)劃以及指揮。在質(zhì)量管理方面，管理人員借助BIM 模型的定位與IOT 的視頻監(jiān)控技術(shù)能夠全程監(jiān)控施工現(xiàn)場(chǎng)的人員、材料以及機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)情況［9］。對(duì)于建筑項(xiàng)目的安全管理，對(duì)建筑項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)存在的安全隱患可以借助BIM 模型與IOT 的定位技術(shù)，再加上RFID 標(biāo)簽和二維碼進(jìn)行輔助，能夠較為準(zhǔn)確地解決安全隱患。項(xiàng)目財(cái)產(chǎn)包括：建筑材料、建筑器械，以及重要放置資產(chǎn)的區(qū)域。管理人員可以通過(guò)對(duì)項(xiàng)目財(cái)產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的定 位與監(jiān)控，從而能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行有效的保護(hù)。

表2 BIM 與IOT 的數(shù)據(jù)架構(gòu)

2.3 GIS 與IOT 的數(shù)據(jù)架構(gòu)與集成

如表3 所示，“GIS＋I(xiàn)OT”的技術(shù)集成，運(yùn)用GIS 強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)與IOT 的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)組成綜合運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，也就是地理信息平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)結(jié)合運(yùn)用。在CIM 智慧城市建設(shè)中，通過(guò)GIS 對(duì)地圖的超強(qiáng)控制功能將城市內(nèi)的各個(gè)項(xiàng)目、各個(gè)部位設(shè)施的地理屬性進(jìn)行網(wǎng)格化管理，通過(guò)IOT 的連接形成空間化的城市模型展示系統(tǒng)，主要作用是精確定位，有效查詢城市人口信息，城市房屋查詢。準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)該技術(shù)還有很大的開(kāi)發(fā)空間，針對(duì)本次新型冠狀病毒防治，“GIS 與IOT” 的技術(shù)集成應(yīng)用在控制和監(jiān)測(cè)人口流動(dòng)方面會(huì)有極大的作用。

表3 GIS 與IOT 數(shù)據(jù)架構(gòu)

2.4 當(dāng)前CIM 關(guān)鍵技術(shù)的基本架構(gòu)及研究重點(diǎn)

當(dāng)前關(guān)于CIM 的研究還處于基礎(chǔ)階段，主要從框架設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)融合及可視化進(jìn)行研究。一是框架設(shè)計(jì)，框架設(shè)計(jì)分為建筑模塊、基礎(chǔ)設(shè)施模塊、交通模塊、水體模塊、MEP 模塊五大模塊。二是數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)融合是一個(gè)難點(diǎn)，怎樣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。三是可視化，主要是將BIM 數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)全景可視化。CIM 的實(shí)現(xiàn)要靠基本架構(gòu)指導(dǎo)（見(jiàn)表4），根據(jù)基本架構(gòu)實(shí)現(xiàn)CIM 平臺(tái)的建立，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的先進(jìn)技術(shù)，最終形成 “大場(chǎng)景3DGIS＋小場(chǎng)景BIM＋微觀IOT 數(shù)據(jù)”的局面。［2］

表4 基本架構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

CIM 建設(shè)是21 世紀(jì)城市化建設(shè)勢(shì)不可擋的潮流，通過(guò)對(duì)CIM 關(guān)鍵技術(shù)的集成研究，得出以下結(jié)論：①智慧城市的建設(shè)關(guān)鍵在于技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用而并非某一種技術(shù)發(fā)揮作用，而隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，新興技術(shù)不斷涌現(xiàn)，5G 建設(shè)，大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，各種技術(shù)集成以及聯(lián)合應(yīng)用將成為建設(shè)智慧城市的核心力量。②一套完整的CIM 體系是服務(wù)于城市的全生命周期，是從工程規(guī)劃、建設(shè)到項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段的全過(guò)程，在城市建設(shè)前期研究與規(guī)劃階段，運(yùn)用CIM 平臺(tái)將預(yù)覽規(guī)劃成果，來(lái)優(yōu)化城市空間布局，促進(jìn)城市科學(xué)規(guī)劃、高效建設(shè)。在國(guó)家政策的指引下，雄安新區(qū)作為探索中國(guó)城市高質(zhì)量發(fā)展新模式的前行者，是目前國(guó)內(nèi)最成熟的CIM 智慧城市應(yīng)用案例，從建設(shè)規(guī)劃階段便開(kāi)始搭建以CIM 為核心的大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)“數(shù)字孿生”平臺(tái)技術(shù)，借助關(guān)鍵技術(shù)的集成應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)用CIM 模型建設(shè)打造孿生城市和智能城市［10-11］。但目前我國(guó)的CIM 建設(shè)還處在基礎(chǔ)研究階段，僅在城市建設(shè)中的某個(gè)特定階段能夠熟練運(yùn)用，全過(guò)程完整運(yùn)用還缺少一些經(jīng)驗(yàn)。在數(shù)據(jù)互通、隱私保護(hù)、圖像大儲(chǔ)存技術(shù)以及制定統(tǒng)一的CIM 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等方面還需要加大研究力度，來(lái)推動(dòng)CIM 智慧城市的發(fā)展。誠(chéng)望本文在CIM 技術(shù)集成研究方面能夠推動(dòng)智慧城市的發(fā)展。