基于城市信息模型（CIM）的未來城市場景迭代
——以數字產城CIM平臺為例

何海生 石琦 李蓉 張龍 邢廣良

（軟通動力信息技術（集團）股份有限公司，北京 100193）

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，當前城市建設已進入產城融合的數字產城時期，在高質量發(fā)展的時代要求下，數字產城建設已成為智慧城市建設的重要目標。為有效解決數字產城建設中的數據共享、業(yè)務協(xié)同、精準決策等痛難點問題，城市信息模型（city information modeling，CIM）受到廣泛關注。面向數字產城需求，CIM平臺集成了大場景GIS數據/技術、中小場景BIM數據/技術、物聯(lián)網IoT數據/技術等，為城市精細化治理與智慧化發(fā)展提供一套全要素的“三維空間數據底板”。根據中央相關部署，住房城鄉(xiāng)建設部自2018年起，在發(fā)展BIM的基礎上，聯(lián)合多部委共同推進CIM工作，先后在CIM基礎平臺的試點探索、政策研究、標準發(fā)布等方面開展了諸多探索。

一、CIM概述

基于國內在CIM領域的廣泛研究和應用，目前業(yè)內對于CIM的定義已形成共識。CIM是基于BIM、GIS、IoT等技術，將城市地上地下、室內室外、歷史現(xiàn)狀、未來發(fā)展趨勢等多維度的信息模型數據和城市感知數據有機整合，共同構建起城市的三維空間數據底板[1]。

CIM的核心對象是城市巨系統(tǒng)，包括物理對象、信息流/影響流、人類/組織三個層面。本質來講，CIM是城市三維信息的載體，在這種信息載體中，城市物理實體是主要的表達對象，而其他社會信息、感知信息等是通過與物理對象建立有效的關系，進而將多源的信息組合形成有機的信息綜合體。

此外，學界對于CIM的概念認知也在不斷拓展，如吳志強院士[2]將CIM的概念延伸為城市智能模型（city intelligent model），在城市信息模型的基礎上進一步提出了智能（Intelligent）的目標，不僅包括對城市數據進行采集、存儲和處理，還強調通過多維模型來對城市發(fā)展中出現(xiàn)的各種問題進行主動響應和處理，從而提高城市規(guī)劃、建設、管理決策的科學性。CIM技術的發(fā)展應與重大技術變化及影響人類未來的宏觀趨勢相連接，如5G、云計算、大數據、虛擬現(xiàn)實、人工智能等，提供更加精準、精密、精細的智能服務[2]。

對CIM概念的不同認知，也導致了CIM結構框架的不同定義。Stojanovski[3]認為，CIM框架由無數不可分割的街區(qū)組成，每個街區(qū)有專屬自己的屬性表和對應3D空間的坐標系，但忽略了城市內容更細致的信息結構。Xu等[4]的架構劃分更為精細和全面，將城市信息模型劃分為建筑、水體、運輸、基礎設施、MEP（Mechanical，Electrical&Plumbing）等多個模塊，框架的適用性更加廣闊。

二、智慧城市規(guī)建管需求分析

當前，我國城鎮(zhèn)化已步入中后期階段，傳統(tǒng)的城市規(guī)劃、建設和管理手段已經無法滿足信息化發(fā)展的要求，一些新出現(xiàn)的矛盾問題亟待通過智慧城市的技術手段加以支撐。這就要求智慧城市的解決方案具有更強的系統(tǒng)性、針對性和可操作性。從目前的地方實踐經驗來看，智慧城市規(guī)建管需求主要包括以下方面。

（一）促進規(guī)建管全流程順暢銜接

規(guī)劃編制、項目實施、運維管理之間的有效銜接是實現(xiàn)一張藍圖干到底的先決條件。為實現(xiàn)智慧城市規(guī)劃要素、管控內容的精準傳導，需構建包含現(xiàn)狀數據、規(guī)劃數據、工程建設項目數據、運維管理數據等維度數據的數字化譜系，以及全過程閉環(huán)的數字化管控規(guī)則體系，即基于平臺匯聚的多維度數據，以保障要素的高效傳導和流程的緊密銜接。

（二）建立全要素統(tǒng)一的“數據底板”

早期的智慧城市建設，主要集中在政府業(yè)務領域，缺乏對國土空間、城市全局、全要素資源的系統(tǒng)性頂層設計和綜合治理，缺乏統(tǒng)一的“數據底板”來支撐城市全局的管理及服務[5]。CIM平臺整合資源調查、規(guī)劃控制、工程建設、物聯(lián)感知、公共管理等各種類型的數據庫，促進了數據資產的全面管理及價值挖掘。

（三）以實施評估促進城市優(yōu)化

隨著城市規(guī)劃建設的開展，為實現(xiàn)規(guī)劃目標的有效傳導、實時反饋城市整體運行指標以及各項設施運轉情況，需要基于城市三維空間數據建立評估反饋機制，全過程跟蹤城市空間的發(fā)展和演變，通過實施評估促進城市空間形態(tài)、產業(yè)布局、公共服務等方面的優(yōu)化[6]。

三、數字產城CIM平臺構建

（一）總體架構

數字產城是在智慧城市新型城鎮(zhèn)化建設推動下形成的城市發(fā)展新載體，具有現(xiàn)代化城市功能，是產業(yè)的聚集地、人氣聚集地、資本融通區(qū)，在空間上使城市功能和產業(yè)功能完全融合。針對目前數字產城發(fā)展存在的問題，面向智慧城市規(guī)建管需求，本文提出基于CIM的產城“規(guī)投設建管營碳元”一體化平臺（圖1），包含產城規(guī)劃—投資—設計—建設—管理—運營—雙碳—元宇宙八大功能單元?；贑IM基礎平臺的核心能力，即空間建模－數字呈現(xiàn)－指標分析，數字產城CIM平臺的運行邏輯可分為以下三個步驟：

圖1 數字產城CIM平臺

（1）開展物理產城全要素、全過程、全空間數據資源的高效采集，包括現(xiàn)狀數據、規(guī)劃數據、建設數據、運維數據等；

（2）基于CIM平臺實現(xiàn)行業(yè)數據的關聯(lián)、融合、疊加計算、共享開放，以支撐形成數字產城；

（3）開展數字產城應用成效評估，并將評估結果反饋到城市規(guī)劃、建設、管理過程中，進而實現(xiàn)產城的科學規(guī)劃、高效建設和優(yōu)質運營，提升政府的管理軟實力，為新型智慧產城提供基礎支撐。

（二）“規(guī)投設建管營碳元”功能單元

依據新型智慧城市的規(guī)劃、建設、管理全流程，構建產城規(guī)劃—投資—設計—建設—管理—運營—雙碳—元宇宙八大功能單元，實現(xiàn)數字產城由實向虛，突破傳統(tǒng)產城治理的局限，促進線下物理城市與線上數字產城的深度融合。

1.BIM+孿生規(guī)劃

BIM技術起源于建筑行業(yè)，具備參數化設計、模擬仿真、可視化預警、協(xié)同操作等優(yōu)點；數字孿生則具有面向全域的精確映射、仿真模擬、虛擬交互、智能介入等特征，二者的有機結合能夠為規(guī)劃數字產城提供更科學、更合理的技術支持[7]。將BIM數據導入數字產城數字孿生建設平臺，基于三維信息模型以及可視化系統(tǒng)，推動工程項目的提前部署，以定性定量結合的方式進行模擬仿真假設分析和虛擬規(guī)劃，建立包含空間結構、用地布局、開發(fā)強度、道路交通、公共服務設施、市政基礎設施、綠地及開敞空間、景觀風貌、綜合防災、開發(fā)時序等方面的指標體系，對不同規(guī)劃方案進行指標動態(tài)評估，有利于避免不合理、不科學的產城規(guī)劃決策，進而保證產城開發(fā)綜合效益的最大化。

2.投資分析模型

投資平衡是土地開發(fā)工程的重要內容，工程總體投入和收益分析是工程建設的基礎。投資分析是所有土地開發(fā)項目的關鍵任務之一，項目整體收益與發(fā)展依托于投資平衡分析。針對實際操作中項目投資平衡分析面臨的主要難點，依托數字產城CIM平臺建立土地投資分析模型。首先，通過靜態(tài)投資分析，進行土地資源評估，集成產城土地現(xiàn)狀、規(guī)劃、建設等各類數據，模擬評估可直接收儲土地以及需要調整規(guī)劃的土地；其次，進行項目成本分析，通過現(xiàn)狀數據評估拆遷房屋面積，快速測算項目和地塊的投入成本；最后，進行項目收入分析，在對周邊地價、地塊升值潛力等進行分析的基礎上，測算項目地塊出讓的預期收益，并給出土地出讓的建議價格。通過動態(tài)投資分析動態(tài)模擬項目和地塊的開發(fā)時序，結合地價變動，計算不同開發(fā)方案的投資平衡情況，為決策者提供動態(tài)精準的決策依據[8]。

3.產城空間設計

受限于傳播媒介、空間維度、空間轉換、表現(xiàn)方式等，傳統(tǒng)產城設計方式難以體現(xiàn)物質空間的復雜性，也難以體現(xiàn)人與信息空間的動態(tài)性。利用CIM技術，重構產城設計的三維表達形式，可實現(xiàn)虛擬沉浸式設計，支撐城市復雜空間多維度、層次化、立體化的設計、分析和表達，使人們更加透徹地理解產城空間[7]；通過整合多源信息并重塑項目周邊環(huán)境，使設計師能夠在可視化環(huán)境中進行交互設計，同時還可以對設計方案和項目環(huán)境之間的關系進行科學地驗證，讓方案中存在的問題提前暴露出來，進而在設計階段就能解決，助力打造更加精準且適應現(xiàn)實的產城空間設計方案。

4.建設全過程監(jiān)管

項目審批階段，CIM平臺可實現(xiàn)依據規(guī)范自動進行系統(tǒng)審查，直觀展示審查結果并智能化出具報告，有效解決傳統(tǒng)人工審查任務重、周期長、信息缺失等問題。項目施工階段，利用BIM+數字孿生技術中特有的時空特性對項目建設方案進行仿真模擬，可對項目的進度和質量、周期進行全面把控，這也是BIM技術應用最成熟的階段，例如在機電專業(yè)中對給排水、暖通、電氣等管線形成管線綜合、管線安裝定位等三維可視化模型，優(yōu)化設計方案[7]?？⒐を炇针A段，三維數字化竣工驗收可實現(xiàn)BIM模型與資料系統(tǒng)自動關聯(lián)。通過竣工BIM模型與設計BIM模型自動比對，快速定位并展示差異，輔助驗收備案審查。

5.智能化管控

產城管控質量和效率決定項目的實施效果、環(huán)境安全以及生命周期。工程交付后，導入設計施工數據CIM模型，建立時間與空間的數據庫，準確地展示建筑的整體面貌與細節(jié)。與此同時，CIM平臺利用IoT技術，在建筑物內外部空間以及城市空間中部署多種傳感器和監(jiān)控設備，采集建筑環(huán)境、設備運行、構件壓力和應變、城市空間環(huán)境、基礎設施運轉、視頻監(jiān)控、異常報警等數據，結合不同項目類型和管控階段，建立智能管控指標體系，并基于數字孿生模型進行智能分析和科學預測，指導產城運營[10]。

6.產城運營

產城運營是城市管理工作中至關重要的環(huán)節(jié)，處于城市規(guī)劃、建設、管理的末端，與人民生活密切聯(lián)系，具有公共服務的屬性，同時也是城市管理和社會建設矛盾集中體現(xiàn)的領域之一。在現(xiàn)有產城運營管理基礎上，全面升級政府基礎信息平臺，優(yōu)化運營監(jiān)管流程，通過CIM平臺打通用戶、企業(yè)、政府多方信息渠道，搭建可視化運營中心。一方面，通過對設施設備及運行狀態(tài)監(jiān)測形成可視化圖表，形成管理縱向滲透，真正實現(xiàn)一張圖管理模式；另一方面，通過收集用戶需求在平臺進行分析，便于管理者進行綜合決策，同時相關政府部門可以進行實時監(jiān)督，真正落實智慧化服務并精準滿足用戶需求。

7.產城雙碳

產城作為人類社會生產和經濟活動集中區(qū)域，當前我國產城碳排放量占總量的70%以上，是綠色低碳轉型的重要支柱，“去碳”成為產城建設的全新使命。基于綠色技術手段與設備實施運作過程的監(jiān)測，構建CIM產城綠色平臺，快速形成綠色發(fā)展的數據畫像以及時間線和效能線。碳排監(jiān)測模塊可根據研究基礎及可獲取指標，確定碳排監(jiān)測方向優(yōu)化碳排算法，實現(xiàn)規(guī)劃、建筑、市政、交通、綠地等方面的碳排監(jiān)測計算；碳中和綠色技術推演優(yōu)化模塊，利用積累的各類數據進行綠色技術的數字模型推演優(yōu)化，提供針對性、科學性、落地性的減碳方案[9]。

8.產城元宇宙

數字產城對CIM的要求超出三維信息綜合體的概念，更強調基于三維模型分析和模擬未來，并提高人機交互能力，實現(xiàn)城市全要素數字化和虛擬化、城市狀態(tài)實時化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化。打造基于CIM的產城元宇宙，以特定對象或業(yè)務為基礎，實現(xiàn)視頻虛實融合，VR、AR等數字空間與物理空間的互操作與雙向互動，既可以在數字空間對現(xiàn)實世界進行再現(xiàn)與影響，也可以在現(xiàn)實世界中進入虛擬空間，二者滿足實時、動態(tài)、自動、互動等屬性[10]。在此基礎上，結合計算機視覺、機器學習、知識圖譜等人工智能技術對城市數據進行深度學習，實現(xiàn)數字產城自我優(yōu)化運行，滿足產城管委會、企業(yè)、市民的按需、即時、精準的決策需求。

四、多層次的智慧城市場景迭代

在CIM平臺中，數據感知、數據融合、模型構建、知識獲取、人機交互等技術的應用都離不開場景的支撐，場景本身也為數據收集和機器學習提供了參照框架，以此來推動數據的重組，并搭建不同模型之間的參數聯(lián)系；數據的融合或模型的迭代又構成多層次場景的學習過程?；诖耍珻IM將城市要素抽象為數字知識，通過對數據感知、關聯(lián)構建、場景推理、執(zhí)行優(yōu)化等流程，使數字城市場景實現(xiàn)迭代優(yōu)化的閉環(huán)鏈路。根據CIM自我學習的過程，未來城市場景迭代可分為數據迭代—模型迭代—服務迭代三個層次[13]。

（一）數據迭代

城市本身作為復雜開放的巨系統(tǒng)，具有多維且復雜的構成元素。土地性質、空間功能、行業(yè)類別、使用人群、管理部門等都是構成城市場景的一個維度，不同維度的要素彼此交織形成了復雜的城市場景，如建設審批、金融投資、社區(qū)治理、文化營造、產業(yè)生產等。在很大程度上，城市場景的形成源于不同維度要素相互影響、相互流動的過程，并形成一個更加復雜、開放、模糊的知識體系。CIM在IoT技術和設備的基礎上，具有豐富全面且靈活的感知能力，能夠根據不同的城市場景，對現(xiàn)實生活中的人、事、物現(xiàn)象進行周期性收集，并將其轉化為多源異構數據，進而構成了CIM的原始數據及集合。但是，CIM的數據匯集不是簡單的堆積，它以空間場景為基礎，持續(xù)對數據進行關聯(lián)、分割和重組，最終形成了一種可以靈活組合的分布式數據庫結構，同時還可以將數據實體化、對象化、語義化，轉換為人們可以理解的數字要素，并對其進行深入的管理。這稱之為數據迭代或數據自我學習的第一個層次。

例如，廣州市CIM平臺（圖2）作為全國首個CIM基礎平臺，通過整合現(xiàn)狀三維數據和二維基礎數據，實現(xiàn)二維、三維數據的融合，統(tǒng)一構建數據庫，按照數據內容可分為基礎數據庫、城市現(xiàn)狀三維數據庫、BIM模型庫、城市規(guī)劃專題庫、城市建設專題庫、城市管理專題庫等。CIM平臺目前集成了智慧廣州時空信息云平臺、“多規(guī)合一”“四標四實”工程建設項目聯(lián)合審批等多源多格式的數據，已構建起全市域三維地形地貌和城市建筑物模型，形成全市“一張三維底圖”。

圖2 廣州市CIM基礎平臺

（二）模型迭代

在數據要素方面，無論是土地、建筑等物質和實體要素，還是人口、收入等社會經濟要素，都按照城市情景和知識體系，構建出了相應的模型，如BIM、交通模型、微氣候模型、產業(yè)鏈模型等。這些模型內部的計算規(guī)則以及相互間的聯(lián)動機制，既是基于數據中臺的分類系統(tǒng)，又是基于城市場景的邏輯架構。CIM本身作為各類模型的集大成者，根據不同城市場景的內在機制和專業(yè)性邏輯，可以將不同模型定制化地組合起來，從不同的維度共同模擬空間場景的功能運作，促進了數字化的場景建設。最終在應用過程中，模型的參數乃至范式被不斷地迭代，強化其精準預測真實場景的能力。這稱之為模型迭代，或模型自我學習的第二層次。

例如，廈門市CIM平臺通過建立地址語義庫（圖3），支持城市治理、公共安全等海量地址信息自動轉換、匹配及空間落圖，實現(xiàn)業(yè)務數據空間矢量化，并通過挖掘提取基礎信息中存在的運行規(guī)律及規(guī)則，進行數學建模以反映現(xiàn)實世界的變化規(guī)律，由此構建了人口、產業(yè)、公服、商業(yè)、交通、要素識別等7種算法模型庫、21種通用算法模型，具體如建設用地地均人口承載強度、城鎮(zhèn)功能指向承載能力、城鎮(zhèn)建設適宜性評價、公共服務設施距離、區(qū)位條件、交通網絡密度、綜合優(yōu)勢評價等。城市結合各自應用需求，不斷優(yōu)化算法模型，實現(xiàn)算法之間的自動迭代及知識更新，輔助進行管理決策。

圖3 廈門市CIM平臺管理模塊

（三）服務迭代

不同類型的模型經過反復迭代，通過對CIM系統(tǒng)中的感知機制、人機交互信息、虛擬環(huán)境等進行動態(tài)優(yōu)化，使系統(tǒng)的輸入和輸出達到一個穩(wěn)定的、易于理解的狀態(tài)。這些涌現(xiàn)的模型將演變?yōu)楫a品化的模塊，以微服務的方式，按照空間場景的需求，相互組合，提供數據描述、問題診斷、事件預測、行為決策、信息交換等共性的服務，并構建出數字化的空間場景，提供給人們進行操作交互的界面，于是CIM才有可能讓數字化的場景得到檢驗，進而適用于真實的人類活動。本質上，這是公共的知識模塊，可以在時空的框架下推動數據、模型、流程的快速再重組，從而建構了體系化的場景圖譜。這稱之為服務迭代或服務自我學習的第三層次。

例如，中新天津生態(tài)城CIM平臺強調應用至上，基于日常事務和管理業(yè)務的需要，開發(fā)建設了九大智慧應用系統(tǒng)，包括城市規(guī)劃系統(tǒng)、BIM報建系統(tǒng)、智能土地儲備管理系統(tǒng)、智慧建設信息系統(tǒng)、智慧房屋管理系統(tǒng)、地下管線管理系統(tǒng)、綠色建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)、智慧工地管理系統(tǒng)、海綿城市管控系統(tǒng)，實現(xiàn)建設業(yè)務全覆蓋，極大地提高了生態(tài)城規(guī)劃建設管理的效能和精細化水平。以綠色建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)為例，可以對生態(tài)城城區(qū)及綠色建筑進行動態(tài)展示，直觀察看能耗、構件屬性以及綠建技術等情況，綜合反映建筑能耗運行水平，實現(xiàn)實時監(jiān)控及預警。

三大場景迭代的數據、模型、服務模塊不斷流動，形成了支撐各種創(chuàng)新應用的平臺，涵蓋宏觀和微觀兩個層面。從這個角度來看，場景迭代是CIM技術的推動力，也是CIM進行人工智能學習的起點和終點。場景是一種具有“目標意識”的概念，首先通過人工輸入，然后在CIM平臺上不斷地重組數據、模型、流程，同時又不斷地生成數字化的場景，推動數據、模型以及流程的再重組，形成了多層次的場景迭代，從而建構起一個將抽象和具體、微觀和宏觀、過去和未來聯(lián)系起來的體系化的知識圖譜。

五、雙向貫通的場景應用與反饋

CIM平臺的多層次場景迭代本身是一個循環(huán)往復的過程，通過數據與技術的輸入、重組、學習、再重組等步驟，產生新的數字化場景并建構體系化知識圖譜，在此過程中要素并非單向流動的，而是雙向交互流通的?；谶@種屬性，CIM平臺不僅可以為智慧城市的規(guī)劃—建設—管理—運維全過程提供相應技術支持，其數據分析及模型推演成果還可以反饋到城市前期的分析、規(guī)劃、設計階段，從而實現(xiàn)CIM技術對于產城頂層設計的支撐（圖4）。

圖4 各級管控要素傳導示意圖

以雄安新區(qū)為例，針對城市規(guī)劃、建設、管理、運營全生命周期，雄安CIM以指標體系為抓手，構建了“城市—組團—單元—地塊—建筑—部件”的傳導機制。這屬于規(guī)劃和建設階段的層層傳遞邏輯，保證了戰(zhàn)略目標能最終落實到建設實施中。而在管理運營方面，由微觀部件層面上收集到的信息，通過一步一步地向上傳導，匯聚到建筑設施乃至控規(guī)地塊，再傳遞到控規(guī)單元、專項管理單元，最終到組團乃至城市，進而輔助判斷不同層級的城市管理和運行情況[14]。自上而下和自下而上兩種傳導過程構成了閉環(huán)，也實時進行交互影響，一方面，保證了從戰(zhàn)略目標到建設實施的統(tǒng)一性；另一方面，輔助城市規(guī)劃、設計、審查等的技術決策，以滿足城市的動態(tài)性與復雜性，提高城市精細化管理程度。

六、結束語

CIM技術的出現(xiàn)與推廣將對數字產城的城市化與信息化的深度融合提供強大支持，對提高產城管理水平與社會治理水平具有重要意義，并最終將為產城的高質量發(fā)展帶來新的動力。本文面向智慧城市的規(guī)建管需求，構建了基于CIM的產城“規(guī)投設建管營碳元”一體化平臺，對線下的物理城市進行全要素、全過程、全空間的數據資源采集，通過數據融合及模型互動感知形成線上的數字產城，對數字產城進行指標評估并反饋評估結果，助力產城科學規(guī)劃、高效建設和優(yōu)質運營。

CIM平臺作為數字產城的“三維空間數據底板”和新型操作平臺，在本文看來，并不只是一個簡單的模型或技術的集合，還將產城感知、數據融合、模型互動、服務支撐、場景圖譜等功能模塊融合在一起，以場景迭代為驅動力，利用人工智能等技術，對數據結構和模型生成進行實時優(yōu)化，為產城的建設和發(fā)展提供一個虛擬仿真環(huán)境，并最終反向驅動數字產城的頂層設計。