鐵西新城CIM基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建研究

畢天平 周 菲 楊笑笑

(1.沈陽建筑大學(xué)管理學(xué)院，沈陽 110168; 2.沈陽建筑大學(xué)BIM工程研究中心，沈陽 110168)

引言

隨著信息化時(shí)代迅速發(fā)展，BIM開啟了AEC(Architecture Engineering and Construction)領(lǐng)域的第一個(gè)十年，由于BIM在大量信息流數(shù)據(jù)處理與管理等方面普遍存在不足，使得BIM技術(shù)與其他信息技術(shù)的結(jié)合[1]成為未來城市建設(shè)的引擎力量。在此背景下，城市信息模型(City Information Modeling，CIM)作為信息化手段為智慧城市建設(shè)提供數(shù)字底板。同時(shí)在國家政策引導(dǎo)下，關(guān)于CIM平臺(tái)研究與開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)審核后批準(zhǔn)列入住建部2019年科學(xué)技術(shù)計(jì)劃； 國家發(fā)改委在《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》中將CIM列為“鼓勵(lì)性”產(chǎn)業(yè)； 住建部提出條件允許的城市可在BIM的基礎(chǔ)上建立CIM； 工信部提到通過探索CIM平臺(tái)建設(shè)，可為智慧城市建設(shè)提供可復(fù)制、推廣的經(jīng)驗(yàn)； 通過在廣州、在雄安、南京、廈門、重慶等進(jìn)行試點(diǎn)研究及2020年住建部、工信部、網(wǎng)信辦關(guān)于開展CIM基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)的指導(dǎo)意見表明現(xiàn)階段我國已進(jìn)入CIM平臺(tái)初級(jí)建設(shè)階段。

隨之有關(guān)CIM會(huì)議、論壇峰會(huì)也不斷涌現(xiàn)，部分學(xué)者對(duì)于CIM這一概念進(jìn)行了闡述，同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士指出，BIM是單體，CIM是群體，BIM是CIM的細(xì)胞[2]，CIM是BIM的延伸； 日本宮城大學(xué)教授蒔苗耕司提出CIM指的是建造信息化模型(Building information modeling)，Lu Q 等人認(rèn)為將BIM使用在民用的基礎(chǔ)設(shè)施之中稱為CIM(civil information modeling)[3]； Javadnejad F等人提出CIM是對(duì)BIM概念的延伸，將建筑物(Building)擴(kuò)大到了城市(City)[4]。從城市建設(shè)框架方面，Stojanovski，T認(rèn)為CIM是BIM的類比也是GIS的三維擴(kuò)展延伸[5]； Xu等人認(rèn)為CIM的建立是由BIM+GIS的集成[6]。從城市基本數(shù)據(jù)融合方面，T．Nam 等認(rèn)為城市的基本要素是人、技術(shù)、組織[7]； 汪深等認(rèn)為是建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、地理信息三者數(shù)據(jù)疊加[8]； Lee， S. H.等人認(rèn)為CIM包括建筑物，路橋設(shè)施及地形[9]； 吳志強(qiáng)認(rèn)為是微觀BIM模型、宏觀地理空間數(shù)據(jù)(GSD)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合模式下的城市動(dòng)態(tài)信息的有機(jī)綜合體[10]，楊俊宴從靜、動(dòng)、顯、隱數(shù)據(jù)下提出CIM平臺(tái)建設(shè)[11]。許鎮(zhèn)、吳瑩瑩等學(xué)者通過閱讀大量文獻(xiàn)對(duì)CIM的發(fā)展過程—框架設(shè)計(jì)—數(shù)據(jù)融合及應(yīng)用做了系統(tǒng)梳理[12]。學(xué)者們大多圍繞城市建設(shè)基本要素進(jìn)行探討，雖然角度各異，但其基本理念一致，即對(duì)城市核心數(shù)據(jù)進(jìn)行整合運(yùn)用，提供智能化服務(wù)。

城市模型與系統(tǒng)本身存在著某種物質(zhì)、能量、信息交換的模式，包括地上、地下、室內(nèi)、室外等各類數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理可能不盡相同。與以往傳統(tǒng)城市模型建設(shè)如無人機(jī)傾斜攝影的城市三維建模方法優(yōu)化[13]、3dsmax在城市三維仿真建模[14]、基于CGA 規(guī)則建模方法[15]等存在不同。本文以實(shí)際案例進(jìn)行分析，以Skyline平臺(tái)為依托，融合BIM、GIS、IoT等數(shù)據(jù)探討城市模型構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)全空間、全過程、全要素的突破。與住建部CIM平臺(tái)相比較，雖然在定位和框架構(gòu)成上基本相近，但是仍缺少各部門領(lǐng)域的數(shù)據(jù)匯聚，以至于在CIM+應(yīng)用(如醫(yī)療衛(wèi)生、水務(wù)等方面)無法達(dá)到共享時(shí)空的全方位應(yīng)用。本文通過驗(yàn)證CIM平臺(tái)的可行性，為其他類似CIM基礎(chǔ)平臺(tái)的構(gòu)建提供可供借鑒的技術(shù)思路。

1 CIM構(gòu)建框架

1.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于沈陽鐵西區(qū)，總規(guī)劃面積484 km2，人口總數(shù)114萬，單體建筑成千棟，涉及專業(yè)較多，建設(shè)復(fù)雜且體量大，不僅要解決復(fù)雜構(gòu)建建模效率低、模型融合困難，還要解決建筑物三維模型加載快速顯示問題，以實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字城市場景的快速顯示、建筑物精細(xì)化展示及對(duì)城市信息資源的全面感知全面整合、挖掘、共享和協(xié)調(diào)[16]。

1.2 設(shè)計(jì)思路

CIM基礎(chǔ)平臺(tái)構(gòu)建可服務(wù)用戶包括政府、企業(yè)、個(gè)人等，構(gòu)建目標(biāo)為城市建設(shè)管理提供智能化服務(wù)，實(shí)現(xiàn)城市靜態(tài)動(dòng)態(tài)、地上地下、室內(nèi)外一體化的聯(lián)合感知，提升智慧城市信息服務(wù)模式。

因此，本文采用SOA(Service-Oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu))，以GIS數(shù)據(jù)庫、BIM模型庫等為根基，針對(duì)海量、碎片化數(shù)據(jù)采用分布式存儲(chǔ)方法，同時(shí)根據(jù)城市空間內(nèi)在關(guān)系，對(duì)其多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合形成的復(fù)雜系統(tǒng)。其體系主要分為四個(gè)層次，體系構(gòu)架如圖1所示。

數(shù)據(jù)層以鐵西新城三維實(shí)體模型、矢量數(shù)據(jù)、地形、遙感影像、視頻信息等作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。

數(shù)據(jù)采集層與存儲(chǔ)是為數(shù)據(jù)庫建立服務(wù)，通過二維碼、傳感器RFID標(biāo)簽，URL傳輸于爬蟲集群等進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，系統(tǒng)框架存儲(chǔ)相對(duì)于Oracle 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。本文以Hadoop 平臺(tái)的分布式文件系統(tǒng)(HDFS)作為文件存儲(chǔ)基礎(chǔ)，HBase數(shù)據(jù)庫來管理模型數(shù)據(jù)，更具備高效的空間數(shù)據(jù)管理和分布式計(jì)算能力。數(shù)據(jù)由 Flume 或腳本shell進(jìn)行采集，進(jìn)行source(源)、channel(通道)、sink(接收器)經(jīng)Spark streaming預(yù)處理之后輸入到 Kafka 消息隊(duì)列中，處理后輸出結(jié)果至Hbase數(shù)據(jù)庫中，或者搭設(shè) Hadoop 集群，Sqoop作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與HDFS之間的橋梁，通過Map分解，Reduce合并，在MapReduce框架下完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)處理層主要是采用“Plugin+Revit[17]”模式即以插件的形式載入到Revit 的附加模塊中建立BIM與GIS的交互方法，實(shí)現(xiàn)了Revit中BIM模型與3DGIS有效集成。Revit API 是基于.NET 運(yùn)行環(huán)境的，采用C#語言，通過將APIUI.dll.和API.dll兩個(gè)文件添加至API[18]，分別用來訪問DB和定制RevitUI 的接口，最終生成.dll加載到Revit中[19]。通過提供的數(shù)據(jù)處理服務(wù)接口，建立與上層數(shù)據(jù)的雙向鏈接[20]。如地形數(shù)據(jù)通過TerraGate平臺(tái)發(fā)布，以流的形式運(yùn)輸； 三維模型數(shù)據(jù)將其矢量化為二維數(shù)據(jù)，依靠模型流技術(shù)通過TerraExplorer Pro加載實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示，矢量數(shù)據(jù)主要以WFS和SFS 形式以Web服務(wù)發(fā)布。

以上四個(gè)層次的數(shù)據(jù)框架可實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)通過面向服務(wù)架構(gòu)SOA技術(shù)(Service-Oriented Architecture)的結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)，將BIM模型輕量化處理[21]使得模型信息通過云+Web端快速推送到管理者，從而使得信息模型快而精細(xì)化展示，實(shí)現(xiàn)地上、地下一體化以滿足工程信息化需要；

(2)建立數(shù)據(jù)決策分析，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)一體化來進(jìn)行輿情監(jiān)控、預(yù)警監(jiān)測與問題定位等；

(3)平臺(tái)中鏈接IoT采集傳遞的實(shí)時(shí)狀況數(shù)據(jù)[22]建立互聯(lián)互通跨領(lǐng)域的交互信息，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外一體化管理，進(jìn)而為城市發(fā)展提供助力，為城市可視化管理供智能化服務(wù)。

2 城市多源數(shù)據(jù)與構(gòu)建融合

2.1 數(shù)據(jù)構(gòu)建與融合

圖1 總體框架

CIM數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)時(shí)變等特點(diǎn)，CIM基礎(chǔ)平臺(tái)研究處于初步探索階段，CIM數(shù)據(jù)整合還不完整，目前已獲得三維模型、地理信息、IoT數(shù)據(jù)，構(gòu)建與融合體系如圖2所示。

2.1.1 三維地形數(shù)據(jù)

使用Skyline軟件作為3DGIS的平臺(tái)，其中TerraExplorer 是主要進(jìn)行場景集成，TerraBuilder構(gòu)建.MPT 格式的三維地形數(shù)據(jù)，而TerraGate 主要進(jìn)行發(fā)布服務(wù)。Skyline所支持的地形數(shù)據(jù)是.MPT格式，作為平臺(tái)的三維底圖，用于展現(xiàn)宏觀的三維地形地貌信息。使用 Skyline 的 TerraBuilder 制作 MPT 文件需要正射影像圖和高程數(shù)據(jù)[23]。對(duì)于高程數(shù)字模型DEM，常見的兩種不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)和規(guī)則格網(wǎng)(Grid)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[24]，在地形骨架上疊加數(shù)字正射影像(DOM)及其他各矢量數(shù)據(jù)，利用TerraExplorer 加載通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化配準(zhǔn)進(jìn)行疊加處理完成三維地面模型的顯示[25]。

圖2 數(shù)據(jù)構(gòu)建與融合體系

2.1.2 三維空間數(shù)據(jù)

三維空間實(shí)景數(shù)據(jù)的獲取采用無人機(jī)傾斜攝影，該技術(shù)不僅能夠真實(shí)地反映地物情況，獲取高精度建筑物紋理信息，還可以通過先進(jìn)的定位、融合、建模等技術(shù)，得到高分辨率的城市空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及3D建筑模型輪廓[26]。本文采用WGS1984坐標(biāo)系，比例精度為1∶500。根據(jù)既定路線參數(shù)從多個(gè)不同的角度同步進(jìn)行航拍，對(duì)于密集區(qū)域建筑建筑物重疊度可設(shè)計(jì)為80%～90%獲取傾斜影像，在測區(qū)布置控制點(diǎn)及檢核點(diǎn)，經(jīng)過外業(yè)測量、內(nèi)業(yè)處理、紋理映射等過程獲得三維實(shí)景模型[27-28]在航拍過程中要時(shí)刻注意蓄電量和畫面連續(xù)性，并及時(shí)做出調(diào)整。

2.1.3 地上地下建筑物模型

由于無人機(jī)拍攝的影像僅是3D輪廓，無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化，需要利用BIM模型來彌補(bǔ)這一缺陷成，解決三維室內(nèi)建筑模型的數(shù)據(jù)源問題。依據(jù)現(xiàn)有提供的地質(zhì)勘測及管線圖紙，利用Revit全系列軟件快速生成三維模型，完成管線、房屋、地質(zhì)等地上地下三維模型建設(shè)，為三維場景搭建提供支撐，在BIM單體模型建成后，要核對(duì)模型與實(shí)景得到的圖片所示是否一致，觀察其位置、尺寸、進(jìn)退層次關(guān)系等是否符合現(xiàn)狀[16]。

2.1.4 IoT數(shù)據(jù)

以IoT實(shí)時(shí)感知交通媒體數(shù)據(jù)為例，媒體數(shù)據(jù)自身沒有位置數(shù)據(jù)，由于成為城市建設(shè)中被管理對(duì)象而使它們的音頻、視頻、照片等賦予了位置數(shù)據(jù)，IoT通過射頻識(shí)別(RFID)、傳感器、激光掃描器等傳感設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)將獲取城市的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[29]，后端調(diào)用數(shù)據(jù)庫反饋到監(jiān)控屏幕，實(shí)現(xiàn)交通動(dòng)態(tài)監(jiān)管，可分析路況擁堵、判斷平均車速狀況，做好交通安全應(yīng)急準(zhǔn)備。

2.2 數(shù)據(jù)融合

CIM數(shù)據(jù)具有格式多樣與以往采用將BIM模型按照IFC標(biāo)準(zhǔn)組織數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)換成GIS可直接讀取的格式，雖轉(zhuǎn)換簡單但容易造成存在數(shù)據(jù)丟失。本文采用Visual C#.Net結(jié)合Revit API進(jìn)行編程，將Revit中BIM模型轉(zhuǎn)換成TerraExplorer Pro可接受的.X文件，可以進(jìn)一步解決信息錯(cuò)誤和丟失、幾何語義信息耦合度低、應(yīng)用拓展性差等問題，是Revit等軟件向3DGIS轉(zhuǎn)換常用的數(shù)據(jù)格式，進(jìn)行模型融合包含以下兩個(gè)部分：

(1)模型拆分

BIM模型針對(duì)實(shí)景快速無損格式轉(zhuǎn)換，包括幾何信息和屬性信息的轉(zhuǎn)換[30]，整體轉(zhuǎn)化可能會(huì)導(dǎo)致語義信息缺失現(xiàn)象。以管線為例通過對(duì)BIM模型拆分，按族進(jìn)行重構(gòu)，導(dǎo)出時(shí)需要進(jìn)行族顏色設(shè)置，并以.X文件形式本地存儲(chǔ)如YS管文件夾、YS井文件夾等。

(2)三維匹配

BIM坐標(biāo)系與GIS坐標(biāo)系是兩種不同的形式，GIS是地理空間坐標(biāo)系，BIM坐標(biāo)系是模型中各個(gè)構(gòu)件間的邏輯關(guān)系及空間位置的表達(dá)，實(shí)現(xiàn) BIM 模型向3DGIS的轉(zhuǎn)換，需進(jìn)行一系列參數(shù)配準(zhǔn)，以某一段YS管線模型為例對(duì)其高程、航偏角、旋轉(zhuǎn)角、方位、比例因子等信息進(jìn)行集成如表1所示，集成效果如圖3所示。

表1 管線模型導(dǎo)入Skyline參數(shù)設(shè)置

圖3 BIM+GIS集成效果

3 CIM平臺(tái)特色

數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)部署與發(fā)布與模型融合完成后，可基于COM協(xié)議組件，利用Visual Studio 2016開發(fā)工具和腳本語言結(jié)和TerraExplorer Pro API 提供的 ActiveX 組件，開發(fā)三維 GIS 應(yīng)用系統(tǒng)[31]，從而實(shí)現(xiàn)地上地下、靜態(tài)動(dòng)態(tài)、室內(nèi)外一體化。

(1)地上、地下一體化

CIM平臺(tái)的可視化技術(shù)形象再現(xiàn)城市地上建筑物、地形地質(zhì)、地下空間管線等模型復(fù)雜分布以及相應(yīng)的空間關(guān)系，可有效解決地上與地下建筑物碰撞問題。通過對(duì)管線查詢測量可為規(guī)劃建設(shè)提供幫助，除此外在進(jìn)行路面開挖過程中，可減少施工中安全隱患問題。如圖4所示。

圖4 地上地下一體化

(2)室內(nèi)、室外一體化

采用多細(xì)節(jié)等級(jí)(LOD)技術(shù)，能夠承載海量精細(xì)三維模型的多視角展示和城市三維場景的交互式瀏覽。提供了縮放、漫游、視角切換等常用的三維交互功能，通過駕駛模擬，可以查看道路周圍狀況； 工作人員在廊內(nèi)進(jìn)行巡檢瀏覽，查看管廊內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行情況，并及時(shí)將發(fā)現(xiàn)的問題利用移動(dòng)終端拍照反饋給維修人員如圖5所示，可滿足不同的巡查需求。

圖5 室內(nèi)外一體化

(3)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)一體化

IoT數(shù)據(jù)的接入賦予CIM平臺(tái)對(duì)交通領(lǐng)域更為精細(xì)化的管理。通過攝像頭捕捉路口來往車輛，對(duì)其數(shù)量用N={ n|n1，n2，n3……，nt-2，nt-1，nt}進(jìn)行描述，表示該路口從第1個(gè)時(shí)間段的數(shù)量n1到第t個(gè)時(shí)間段的數(shù)量nt，可以看出數(shù)據(jù)隨時(shí)間推移不斷變化，將獲取的數(shù)據(jù)存入CIM數(shù)據(jù)庫中，通過后端調(diào)取數(shù)據(jù)庫視屏經(jīng)過坐標(biāo)矯正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)管，可以判斷該時(shí)間段路口狀況，如圖6所示。

針對(duì)擁堵地區(qū)，可以合理調(diào)整路口信號(hào)時(shí)間，保證交通網(wǎng)的安全運(yùn)行，舒緩交通壓力從而完善對(duì)交通的精細(xì)化管理。

圖6 靜態(tài)動(dòng)態(tài)一體化

4 結(jié)語及展望

CIM平臺(tái)模型是城市眾多元素的綜合體，是智慧城市應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文通過闡述CIM平臺(tái)構(gòu)建方法，總結(jié)了模型構(gòu)建過程中的主要事項(xiàng)，從數(shù)據(jù)采集整合到運(yùn)用信息技術(shù)的分析處理，不僅涉及地上地下、室內(nèi)室外、交通等數(shù)據(jù)，還對(duì)BIM向GIS的格式轉(zhuǎn)換及平臺(tái)應(yīng)用做了論述。依據(jù)CIM模型的可擴(kuò)展性、可模擬性、可展示性等優(yōu)點(diǎn)可有效避免“數(shù)據(jù)孤島”的問題，為類似項(xiàng)目建設(shè)提供一定的參考方案。