基于CIM智慧城市的规划

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引言

CIM(City Information Modeling，城市信息模型)，是通过城市信息数据建立三维城市空间模型和城市信息的有机综合体，行业内认为CIM是由BIM、GIS和IoT组成，从应用场景来看，CIM同时也与AI、大数据和云计算等技术紧密关联。

2020年住建部发布了《关于加快推进新型基础设施建设的指导意见》，鼓励各省市申报CIM试点并搭建平台，加快城市智慧化进程。但CIM的应用目前国内外仍未成熟，在城市规划过程中也存在诸多问题，特别是针对智慧城市领域的研究大多处在探索阶段。从各城市政府来看，现状分析、土地规划、城市规划和发展规划等各自为政，规划一致性无法得到保障，过程形成孤岛，无法真正实现高效规划协同，审批效率缓慢，成果的质量更是难以保障。急需创新规划工作方式和管理模式，将各自为政的多张图通过CIM集成为一张蓝图，基于它进行规划设计,提升规划审批效率和质量，对规划内容进行可视化预览和综合分析，通过城市物理建设、数字城市同步建设，推演规划、建设与管理的合理性，提升规划的科学性和前瞻性。

1 基于CIM智慧城市的规划现状

从现状来看，目前国际上和国内CIM大多仍停留在传统的BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)和GIS(Geo-Information system，地理信息系统)阶段，虽然美国、英国、澳大利亚、新加坡、日本等发达国家以及中国，从政府层面对CIM提出明确要求和政策指引，但应用方面还未成熟，大多还处在二维地理空间层次，只是部分地区开始应用三维模型、倾斜摄影测量数据、实景影像等，离真正基于CIM平台的智慧城市的规划长远目标相差还很遥远[1]。各国城市规划、土地规划和发展规划等各自为政的问题突出，同时还存在规划不一致、审批效率低、无法高效协同、规划成果质量差等诸多问题[2]。

CIM(BIM、GIS和IOT)与AI、大数据和云计算等技术在城市规划中的融合应用，建立智能规划应用模型，统一城市空间布局，通过仿真模拟和分析进行多方案比选、合规性比对、会商会审、同屏沟通、沙盘互动等，设计方案通过多个场景融合模拟和综合研判后优化规划[2]。将其作为研究对象将有示范和推广效应，推广到全国可带来显著的经济效益和社会效益。基于CIM智慧城市的规划，覆盖政务服务、城市治理、公共服务、产业经济等多个领域，既包括传统的城市建筑规划，同时也覆盖智慧城市的新型规划内容，如地下管网、基于网格或一网统管的城管设施等规划，并应用于城市生长、用地布局、资产配置、城市管廊、旅游和安防等三维虚拟展现。把创新规划、管理模式提升到日程上来，将各自为政的多张图通过智慧城市数字化手段集成为一张蓝图，基于该图进行规划设计、会议会审、并联审批等[2]，是目前提升规划审批效率和质量迫在眉睫的需求。

2 基于CIM智慧城市的规划

为了提高城市规划效率，加强城市管理水平，推进城市演进速度，应基于统一的CIM智慧城市规划平台，集成土地和城市规划等各方多规异构数据的控制线信息及其他相关要求、政策与依据，建立统一的城市三维体量模型，能够进行辅助规划决策、多规冲突检测、规划管理与监管等，打通规划、建设、管理的各阶段数据壁垒，解决传统模式下规划、建设、城市管理脱节的问题，将规划设计、建设、运维、市政管理进行有机融合[2]，管理需求在规划、建设阶段就予以落实，形成规建管一体化的有效业务闭环，对城市建设项目的诸多环节进行三维可视化辅助审批，提高规划审批并及时更新建筑及基础设施信息模型，为城市持续建设提供科学有效的决策依据，实现规建管一体化城市规划设计、建设与管理新模式，以及跨系统应用集成、跨部门信息共享，有效支撑数字孪生城市建设的决策分析[3]。

基于城市信息模型(CIM)在城市规划中的融合应用，最终建立CIM智慧城市规划平台，依托平台建立智慧城市的规划应用模型，统一城市空间等城市规划布局，内容包括通过仿真模拟和分析进行多方案比选、协调一致，通过多个场景的融合模拟，进行综合分析和研判，进一步制定智慧城市的规划方案，最终形成智能化规划平台。通过多源数据融合、实景三维建模、AI+大数据分析等技术赋能各类智慧城市的规划,提升城市规划水平，将有较好的示范和推广效应。基于CIM试点标杆将推广全国并带来显著的经济效益和社会效益。基于CIM智慧城市的规划，覆盖政务服务、城市治理、公共服务、产业经济等多个领域，即包括传统的城市建筑规划、城乡总体规划、环保规划，同时也覆盖智慧城市的新型规划内容，即地下管网规划、基于网格和一网统管的城管设施规划、基于人口流动的社区合理性规划等多个方面[1]。

随着国家提出大力推进“新基建”战略，带来5G、IoT等相关支撑技术的推广，CIM将为智慧城市和数字孪生城市创造出高性能、智能化、多方位的应用情景，使得基于CIM智慧城市的规划平台能发挥出更大价值。从整体来看，目前阶段CIM研究在国内外都处在初级阶段；从研究来看，CIM研究可分为框架设计、数据融合和可视化三个方面[4]。

1)框架统一：是CIM技术发展的前提基础，一个统一和协同的CIM框架是未来CIM领域大发展必不可少的指明灯。

2)数据融合：建立一个基于一体化的CIM融合大数据库，是CIM技术发展的关键，是数字孪生的血液。行业内基于融合数据的BIM和CIM集成在业界开展了一定程度的研究，但尚未形成成熟的模式，仍处于初级阶段。

3)可视化：将建筑信息和时空大数据通过计算机处理转化，渲染、AI、VR和AR先进技术直观有效地展现给客户，成为智慧城市特别是数字孪生城市必然发展趋势。

在城市规划方面，当前虽然很多智慧城市利用BIM和GIS系统可以实现三维建模，但基本上只涉及目标的外部特征，而多数不具备内部业务特质和多场景的功能，特别在国家大力提倡建设数字孪生智慧城市的大背景下，传统的城乡规划原有的二维地图或沙盘模型，正准备朝着三维、动态、全要素等方向发展。特别是很多传统的城市建设在智慧城市的规划上大多仍停留在二维平面，距离智能化还很遥远，三维空间、实景、可视化日益成为城市建设管理的重要抓手，也是发展新型智慧城市的关键内容。传统三维空间数据模型大都面向建筑专业领域，这些模型大部分针对单体数据类型，不具备多源异构数据能力，数据和软件的解耦程度不高，使得城市规划孤岛化、重复劳动等问题突出，针对多空间维度、多粒度对象统一语义表达等难题，需要建立更高水平的智慧城市级三维空间规划模型和平台。因此经过智能手段语义化技术进行业务属性和结构化提取，以及业务属性自动挂接的CIM平台，作为未来智慧城市规划的基础核心平台已成为发展趋势。

随着新型智慧测绘、规划模拟仿真、人工智能深度学习、物联网、大数据等技术的成熟运用，在建设物理城市的同时，基于数字空间构建一一映射的数字孪生城市，更有利于智慧城市的规划。除了三维渲染和立体视觉表现，还带有城市业务要素的关键属性信息，将城市三维模型从可视化阶段真正引入城市多源异构数据融合、空间计算，实现深度学习和价值挖掘，物理城市的数字表达从最初的二维平面到三维立体，到全要素、多场景、实时动态、结构化的发展，将有助于智慧城市的规划的智能化。最终政府将实现基于CIM智慧城市的全空间、全时空、全维度信息的数字孪生表达，具备实时、精准、立体、动态、协同等能力，全面整合基于CIM试点城市的城乡、市政管理、土地等多方的规划数据融合，充分利用城市设施本身和各类城市业务相关数据，集约统筹城市规划资源，优化城市管理水平和市民服务，确保智慧城市运行快捷和高效。在CIM数据基础上形成“一张整体蓝图”，为多规合一的动态监管提供自动化、智能化技术手段支撑，有效解决空间规划的冲突问题，使得智慧城市的规划支持决策系统更加高效，减少政府不同委办局的重复建设，提高资源利用率，优化智慧城市空间布局，促进城市科学规划、集约化建设，为智慧城市的规划赋能[2]。

通过建设城市级CIM基础业务平台，可把智慧城市的规划经验和资产通过平台固化下来，为其他城市规划赋能和分享经验。

基于CIM智慧城市的规划平台，应包括如下几个方面。

1)构建包括时空大数据信息的基础地理信息、城市建筑物信息和城市基础设施三维模型等的CIM平台基础数据库，汇聚多源异构城市数据，提高数据和模型精度。

2)接入IoT数据，通过城市物联感知体系，建立一个统一时空基准的房、人、物、事等多维数据库，形成智慧城市的三维空间数据底板。

3)平台具备城市多源数据整合能力、BIM等模型数据汇聚与融合、城市多场景模型定位查询、支撑CIM规划平台应用等基础功能。

4)把AI、物联网、大数据、AR和VR等新进技术融合应用，充分发挥CIM平台的规划智能化水平。

5)推动数字城市和物理城市同步规划和建设。

智慧城市规划过程中，CIM平台至少包括如下几个组件[5]。

1)CIM平台及展示系统：包括CIM平台引擎和3D渲染&三维演示展现系统；CIM平台是CIM数据的汇聚、融合、转换、关联、管理、共享、应用的核心引擎，是CIM城市规划平台建设的核心内容。

2)CIM融合大数据库：包括CIM一张图和融合的CIM大数据库，CIM一张图实现多种类型城市CIM数据的浏览、查询、定位、统计等，功能包括二维和三维地图基本配置、数据浏览、数据查询、数据统计分析、图层配置、二三维数据联动渲染展示等功能。CIM大数据库包括时空大数据、城市设施数据、政府数据、市民参与数据、互联网数据等。

3)CIM数据采集系统：汇聚并处理来自智能传感器、APP终端等多渠道海量数据。

4)CIM云平台：由于CIM处理海量数据的能力需求，需要部署在分布式处理的云平台架构上，并具有海量并发处理的算力。

5)CIM规划平台的AI引擎：用于通过系列算法来训练CIM智慧城市的规划模型。

6)CIM规划设计系统：实现规划设计模拟化辅助编制、参数化、规划审核审批、规划业务相关功能(指标分析、通视分析、限高分析、日照分析、规划管控等)；城市设计辅助相关功能，以CIM数据为基础，通过智能化手段辅助实现更加动态和仿真的城市设计(包括方案优选、多维度分析、动态景观设计分析、视廊通道分析等)，改变传统城市设计的方法，在二维分析基础上，实现基于三维的多规合一相关辅助动态多维分析功能(包括项目选址分析、控制线分析、项目生成策划等功能)。

3 基于CIM智慧城市的规划手段

采用现代化智能手段融合传统城市规划，实地访谈调查，结合CIM试点城市现状，整理出智慧城市的规划智能化先进指标，并进行细分和对比，找出与传统规划的区别和优势，以便确定研究的基准线并拟定合理的研究目标。

方法包括通过智能传感器和App终端自动化数据采集，通过线上和线下多渠道访谈调研，归纳规划业务场景并确定CIM智慧城市的规划需求和功能点，通过敏捷开发方法快速迭代，关键点如下。

1)智能化调研：新型传感器等智能化设备多渠道数据自动采集，互联网/APP在线调研，对政府各委办局开展多维度调研及相关多业务条线访谈，获取多源新型城市大数据。

2)敏捷的平台开发：基于CIM试点城市具有的自身定位和需求，明确智慧城市的规划场景，从而明确CIM规划平台功能，并采用敏捷开发方法进行定制开发。

3)融合数据智能分析：汇聚时空大数据、城市设施数据、政府政务数据、企业数据、市民参与数据、互联网数据等多渠道数据，并通过AI算法进行融合分析。

4)AI算法增效：用人工智能、机器学习、深度学习、卷积神经网络等算法进行数据增强，包括数据类型扩充、数据质量提升、降噪和AI模型训练参数调优等方面，并针对智慧城市的规划进行AI模拟仿真。

内容详细阐述包括如下四个方面。

第一，开展基于智慧城市的规划CIM智慧城市的规划平台分析与应用模型构建。通过接入的城市各部门的公共基础数据，对与当地经济社会发展规划、城市空间规划、土地利用总体规划和专项规划相关的城市运行数据进行分析，建立大数据分析模型并结合各部门相关业务建立大数据应用模型，为后续任务提供智慧城市的规划数据融合的大数据挖掘支持。

第二，开展基于CIM的城市规划智能检测、仿真推演与辅助决策系统开发。在数据分析和应用模型基础上，针对规划、建设、国土等部门的相关规划编制和实施，提供跨部门规划冲突智能检测、规划仿真推演和规划辅助决策的系统支持。该任务为后续任务提供智慧城市的规划的原型系统支撑。

第三，从住房城乡建设部组织的国家智慧城市试点城市(区、县、镇)范围内选择具有典型代表意义的地区开展应用示范，示范方向主要包括两个：一是新城新区智慧化城市规划应用示范，二是旧城改造和棚户区改造智慧社区应用示范。该任务为前任务提供有关研究模型、技术和系统的验证性应用示范，选定城市规划的领域，包括城市建筑规划、地下管网规划、基于网格和一网统管的城管规划、基于人口流动的社区合理性规划等。

第四，在对有关研究和示范的总结基础上，完成基于智慧城市的规划CIM智慧城市的规划平台的标准规范研究。

4 基于CIM智慧城市的规划创新点

4.1 多种智能设备和技术融合应用

有别于传统城市规划，基于CIM智慧城市的规划融合了AI、大数据、AR、VR等技术，通过敏捷的定制开发方法，并通过新型智能传感器、APP终端软件进行数据采集，通过大数据建模和人工智能算法分析，提高城市规划效率并使得城市智能化规划水平提升到很高水平。

基于CIM，接入手机信令数据，分析人口分时空聚散变化等指标，识别不同时间段、不同区域的人口变化，动态监测人口聚散，识别区域高峰时段，以数据分析为量化依据得到人口分布的时空特征规律，为优化区域空间布局、调整产业结构、重大项目选址及公共服务设施规划建设提供量化依据，为智慧城市的规划提供决策支持。

4.2 基于CIM城市规划仿真模拟

基于CIM在数字孪生空间实现合并、叠加，解决其中的规划冲突，统一空间边界，形成规划管控的“一张蓝图”，以此为基础进行规划评估、多方协同、动态优化与实施监督。通过对各种规划方案及结果进行模拟仿真及可视化展示，实现方案的优化和遴选。通过3D渲染和三维动态模拟仿真等手段可灵活预演规划效果，提前发现规划问题和设计缺陷，避免重大损失，并可通过可预测或预先展现出未来城市建筑的样貌，根据人口分布、环境及生态、地下管网密度等多维度综合考量整个区域设计的合理性，避免规划片面性。通过人工智能在CIM平台的应用主动学习融合的规划数据，通过数字孪生城市进行大规模仿真、推演、预测，分析未来城市运行中可能遇到的瓶颈问题与社会风险，帮助规划师迭代升级设计方案。

4.3 基于CIM的规划辅助决策技术

研究基于CIM的规划决策支持模型、规划实施评估模型等，为重大项目规划选址、规划实施情况评估提供决策支持。不仅能实现常规的合规性检验，例如容积率、建筑密度、绿地率、日照分析、天际线分析、控告分析、坡度分析等，还可实现交通通达性分析、生态承载力分析、人居环境分析、投资成本分析、发展空间分析等。结合政府行政审批改革，对接多规合一平台、联合审批平台、规划业务平台、时空云平台等系统，融合BIM、GIS数据和IoT数据，实现规划编制、审批服务，提供二三维一体、地上地下一体的规划地块可视化、规划设计模拟可视化等，使得CIM为政府提供有利于智慧城市的规划的决策参考，促进城市的发展和智慧化转型[1]。

5 结语

基于CIM智慧城市的规划平台设计理论和经验，能够从智慧城市规划的角度帮助当地政府真正推进智慧化的城市，为全国城镇化进程起到推波助澜的作用。根据国家和住建部号召，把CIM智慧城市标杆试点推向全国，推动数字城市和物理城市同步规划和建设；以信息数字化的新型城市基础设施建设为抓手，促进城市建设智慧化升级，提升城市市政基础设施功能，带动城市管理理念和管理模式创新，提升城市治理效能，以带来显著的经济效益和社会效益。

基于人工智能应用于城市规划采用神经网络推演、模拟方案、方案比较等方式，从而形成科学、全面、协同、集约、生态友好的规划编制方案。同时，依托于一套统一的CIM智慧城市的规划机制，统筹国土、规划、发改、环保等部门的现有智能化成果资源，对各种规划方案提供三维方案审批核查、竣工审查、视域审查、规划推演和模型分析等功能，以及为规划方案审查和决策提供三维、全景、全要素的可视化全新界面[2]。同时，可实现包括城市总体规划、控制性详细规划、各专项规划、设计方案的渲染展示，广泛应用于智慧城市不同场景[6]。基于统一的CIM智慧城市的规划平台，将重大项目、土地资源、社会经济、环境保护等涉及政策及空间要求的信息要素叠加，实现智慧城市的规划信息互通和数据共享。以智能化促进各职能部门在规划、设计、实施、管理过程中及时沟通和协同工作，提高综合规划效能。

在城市建设项目的设计阶段，利用基于CIM智慧城市的规划平台，构建还原设计方案周边三维全景环境，一方面可以在渲染可视化的环境中进行交互，另一方面可以充分考虑智慧城市的规划设计方案和已有周边环境的融合或相互影响，让原来到施工阶段才能暴露出来的缺陷提前暴露在虚拟化设计过程中，方便规划设计人员及时针对这些缺点进行方案优化。利用CIM平台中对象具有的时空特性，将施工方案和计划内容进行模拟对比分析，研判智慧城市各专项规划与总体规划、具体的详细规划的传导落实情况，分析施工进度和计划的可行性、科学性、合理性，反向纠正智慧城市的规划过程中的不合理性。在实现城市规划的同时，同步规划建设基于数字孪生的智慧城市。