基于城市信息模型的智慧城市架构体系研究

吴兵福 黄柯玮* 陈武佳 卢金赟 叶东伟

(广州市住房城乡建设行业监测与研究中心)

智慧城市的概念，起源于2008 年IBM 提出的智慧地球（Smart Planet）理念：通过将传感器嵌入到实体中进行感知，利用互联网通信技术让世界各地都能获取传感器感知信息，实现信息技术向物理世界的延伸[1]。智慧城市是智慧地球的具体应用之一，其核心在于，通过在城市中利用物联网、云计算、人工智能等新一代信息技术来建设智能的硬件设施，提高城市的运行管理效率[2]，同时拓展智慧城市的应用和服务，改善城市的人文和教育环境，提升城市“软实力”[3]。

由于技术发展的限制，传统的智慧城市建设，存在如下问题[4-5]：一是城市建设的协同性不足，规划、设计、建设、管理、运营全生命周期没有形成闭环，没有实现数据信息的互联互通，存在数据孤岛、信息烟囱等现象；二是城市建设的规范性不足，缺乏跨部门统一数字底座和相应的建设标准来支撑城市级的统筹建设管理；三是城市建设者的认识、实践等方面都达不到“智慧”的要求，对智慧城市缺乏系统性的认知。存在的以上问题严重阻碍了以数字化赋能智慧城市建设管理的进程。

随着技术的不断发展，城市信息模型，City Information Modeling（CIM）已经成为智慧城市领域的应用热点与研究前沿的新兴技术。CIM 是以建筑信息模型（BIM）、物联网（IoT）、地理信息系统（GIS）等技术为前提，在深度汇聚城市多维多尺度的基本信息数据和物联感知数据的基础上，构建起的城市信息综合展示和分析平台[6]，在国外通常被称为 Digital Twin（数字李生城市）、Virtual City（虚拟城市）或 Reality Modeling（现实建模）[7]，其发展主要体现在建设城市公共数字底座、建设自主可控平台、统一身份标识、仿真模拟等几个方面。CIM 平台是一个可实现跨部门协作、统筹城市建设工作的基础性平台，其在传统智慧城市建设所必须的物联网、大数据平台、共性技术赋能与应用支撑平台基础上，重点突出了如下特色，以解决传统智慧城市建设中存在的问题。一是信息汇聚功能，作为时空大数据平台，通过物联感知等设备采集汇聚了多源异构数据，推动时空基础数据等资源的共建共享，着力解决“数据孤岛”问题。二是强大的二次开发能力，CIM 平台以汇聚的数据为基础，开通二次开发的接口，统筹各类分平台建设，实现平台间的交互共享，着力解决平台建设缺乏统筹的问题。三是城市呈现和分析挖掘功能，构建了二三维一体化、地上地下一体化、室内室外一体化的城市结构化、全维度信息模型，可在数字空间刻画城市细节、呈现城市体征[8]，通过对建筑物及其组成部件全生命周期的跟踪，及时感知城市运行状态，深度挖掘城市运行规律，模拟推演城市的未来发展趋势，实现对风险及问题的早期预警和高效处置[9]，为提升城市建设的智慧化、精细化管理水平提供基础。四是强化了以数据要素驱动城市治理的理念，推动城市治理者的理念革新，从而推动城市的高效建设和治理。

可见，CIM 平台为智慧城市规划、设计、建设、管理、运营全生命周期一体化的融合贯通提供了统一的数字底座和规范支撑，基于CIM 平台搭建新型智慧城市框架体系，有助于提高城市建设管理各环节信息的准确性、业务的协同性和安全的可控性，提升了城市建设者的管理效率和决策水平，为数字赋能智慧城市提供了重要支撑，研究基于CIM的智慧城市建设框架体系是很有意义的。CIM 示意图如图1所示。

图1 CIM 示意图

1.基于CIM 的智慧城建总体架构

参照《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》[6]，CIM 平台总体架构包括设施层、数据层、服务层三大层次和标准规范体系、信息安全与运维保障体系两大体系。其中设施层应包括数据存储、传输、服务等信息化基础设施，和传感器等物联感知设备；数据层应至少包括时空基础、资源调查、规划管控、工程项目建设、物联感知和公共专题等数据资源；服务层是CIM 平台的核心，应提供包括数据汇聚与管理、数据查询与可视化、平台分析、平台运行与服务、平台开发接口等服务。标准规范体系旨在指导和统筹CIM平台的建设、管理和运营等过程；信息安全与运维保障体系旨在保障CIM 平台网络、应用及服务的稳定运行。

因此，为解决传统智慧城市建设中存在的问题，以信息网络基础设施建设、数据的汇聚共享为前提，基于CIM基础平台架构，构建以CIM 平台为中心、涵盖“规、设、建、管、运”的智慧城市架构体系，体系包括设施层、数据层、技术层、平台层、应用层、展示层、用户层，支撑城建工作的智慧化升级。重点聚焦智慧规划与设计、智慧建设项目管理、智慧住房管理、智慧城市更新、智慧基础设施建设等重点应用领域，如图2 所示。

图2 基于CIM 的智慧城建架构体系

2.CIM 平台赋能智慧城市“规设建管运”全生命周期研究

针对传统城建项目中“规设建管运”过程缺少联通的问题，基于CIM 平台的智慧城市架构体系以CIM 平台为核心，统筹“规设建管运”各个阶段的分平台建设，统筹数据在CIM 平台与分平台间、分平台之间的流转、交换、共享过程，深度赋能智慧城市建设的全生命周期。

2.1 CIM 平台赋能智慧规划与设计

规划与设计是城市建设的重要环节，随着我国城镇化进程的推进，城市规模越来越大，城市运行数据越来越多，传统的城市规划设计已无法满足未来城市的发展需求，存在城市基础信息缺失、建设用地规划无序、规划设计审批效率低下等问题。通过CIM 平台汇聚城市建成区的时空基础、规划管控等数据，可在很大程度上缓解城市基础信息缺失的问题。同时充分利用CIM 平台模拟仿真、可视化分析、三维模拟与信息全集成、二次开发支撑等平台能力，建设规划与设计过程的分平台，支撑城市体检、三维电子报批、规划方案智能审查、建设项目用地合规性智能审查、建筑设计方案智能审查等应用场景，解决规划无序、规划设计审批效率低下的问题。

以规划方案审查为例。在立项用地阶段，可将规划方案上传至CIM 平台，依托合规性智能审查模块，自动提取规划指标，与控制性详细规划、规划设计条件等标准控制条件对比，基于计算机语言构建的合规性审查规则和计算机智能审查技术，生成对比审查结果，给出项目总体规划、详细规划等方面的符合性审查建议，提高了审批效率，同时生成标准化、结构化的数据成果，为后续的设计、建设、管理、运营环节提供数据基础。利用CIM 平台实现规划方案智能审查流程如图3 所示。

图3 规划方案智能审查流程

又如设计方案智能审查技术，主要基于CIM 平台的数据治理与汇聚功能、电子报批技术、区块链电子证照安全共享技术，实现设计图纸的智能审查[10]。通过CIM 平台整合数据要素，形成完备的审查指标，为智能审批提供比对的标准和依据。在此基础上，通过电子报批技术上传CAD 设计图或BIM 模型，使用智能审查工具自动识别CAD 图，提取总用地面积、容积率、计容面积等数据，基于碰撞分析实现自动机审，提高审批效率。审查流程如图4 所示。

图4 设计方案智能审查流程

2.2 CIM 平台赋能智慧项目建设管理

在传统的项目建设环节，存在BIM 应用不够充分、施工单位不按施工图施工、施工过程可追溯性差、施工现场不安全不文明现象严重、施工质量监测依赖人工、参建各方协同性差、竣工验收材料造假和易丢失等问题。利用CIM 平台模拟仿真、物联设备接入、三维模型与信息全集成、二次开发支撑、可视化分析等功能，整合工程建设项目数据、施工图BIM 数据、现场物联感知数据，同时承接规划过程的数据，打造多个分平台，实现施工图三维数字化审查、施工安全监控、施工质量监测等应用场景，提升项目建设智慧化水平。

（1）加快推进BIM 应用

在传统的BIM 应用中，主要存在不足[7]包括：一是BIM 应用不够充分，多局限于单个阶段、单个项目；二是BIM 数据缺乏流转和应用，无法支撑应用场景的拓展。通过CIM 平台与BIM 模型的结合能有效解决上述问题。一方面，将BIM 模型上传至CIM 平台，利用CIM 平台的可视化分析功能，可实现对BIM 数据的统一展示和分析。另一方面，利用CIM 平台的二次开发功能，将BIM 数据用于支撑分平台建设和应用场景的拓展，从而支撑多项目、多阶段中的BIM 应用。

（2）施工图三维数字化智能审查

基于CIM 平台，结合BIM 三维技术应用建立施工图三维数字化审查系统。收集国家、省级、地方的主要标准规范，构建领域规则库、建筑消防知识图谱作为智能化审查的判断依据[7]。同时对上传的BIM 模型进行轻量化处理，构建建筑语义模型或BIM 数据集，智能审查模型对规范条文的符合程度，从而提高了施工图审查效率和精确性，确保BIM模型的规范性，并为CIM 平台提供精细化的建筑信息模型[11]。智能审查流程如图5 所示。

图5 施工图三维数字化智能审查流程

（3）智慧工地

基于CIM 平台，打造智慧工地统一监管平台。学者[12-13]认为智慧工地应包含大数据、大协同、碎片化应用等涵义，其整体架构应包含设施层、跨部门协同层、应用层。基于此，构建智慧工地的框架体系，以设施层中的物联感知设备、5G 通信设备高效收集施工现场人、机、料、法、环多维度数据，以CIM 平台为核心构建集混凝土追踪、智能检测、AI 识别等功能的建设工程智慧监管一体化平台、一套图流转工作平台、BIM 辅助审图等智慧监管与服务平台作为跨部门协同层，以实现“大数据、大协同”，通过应用层中PC端、移动端、显示大屏等方式进行视频监控、远程连线，对施工现场的起重机械、深基坑、高支模等重大危险源远程监控，实时预警和记录安全质量问题，实时监测扬尘、噪音等环境指标，提高施工过程的可追溯性，实现对工地的智慧化监管。同时，参建各方还能使用智慧工地平台手机端完成业务操作，做到协作无碍，快速响应。

2.3 CIM 平台赋能智慧住房管理

在传统的住房管理中，房屋交易、租赁、物业、房屋安全上都存在或多或少的问题。例如在房屋交易中，新建房的开发商无预售许可证销售，二手房房东伪造个人身份证或房屋产权证书[14]。这些问题，是源于房屋管理全过程不连贯，各个管理环节协同性较差，未及时响应居民的需求。智慧住房管理，旨在基于CIM 基础平台，涵盖房地产的开发、建设、销售、运营维护全过程，打造城市住房“一屏呈现”，整合优化房产业务流程，构建数据模型建设方案和业务应用解决方案，实现住房管理全过程全要素数字化、三维可视化表达，为市民提供更好的住房服务体验。

（1）整合智慧住房大数据

数据是智慧住房平台构建和房产应用的基础。通过收集已有平台中涉及房产全生命周期的多源异构数据，例如房产测绘、房产交易、房屋档案等数据，并经过数据源分析、加工整理、质量检查、坐标转换等步骤[15]，形成房屋信息数据库汇聚到CIM 平台，为基于CIM 的智慧住房管理平台的构建打下基础。流程如图6 所示。

图6 智慧住房大数据整理流程

（2）数字住房管理平台构建

以CIM 平台为基础底座，以房屋信息数据库为数据基础，打造数字住房管理平台，将包括房屋竣工备案、房屋预售许可和备案、房屋权属登记与交易、住房保障、房屋拆迁、房屋租赁、房屋物业、房屋安全管理的各个场景统一到管理平台上，为公众提供高质量的房产服务应用场景，打破住房交易中的信息差，有效解决住房管理和服务中遇到的种种问题。

2.4 CIM 平台赋能智慧城市更新

传统的城市更新过程，土地要素是重要的支撑因素，对产业升级转型的拉动作用有限，更新片区社区治理和服务水平有待提升[16]。智慧城市建设与城市更新有着密切的联系，城市更新是城市智慧化一种有效的方式，可以通过转变更新理念、促进数据要素流通、引入新产业、优化空间布局、改善基础设施等手段，以城市更新推动城市智慧化进程。

以CIM 平台赋能智慧城市更新，是通过在改造片区布设物联感知设备和其他智慧硬件设备采集数据，整合改造片区的土地、房屋、人口、市政设施、物联感知等数据至片区CIM 平台，将城市更新意向调查、数据摸查、标图建库、项目储备库、片区策划、实施方案、用地报批、实施计划、投资计划、项目立项、实施推进、监管巡查、资金拨付、征收补偿及安置回迁全过程形成闭环，支撑旧城、旧村、旧厂的智慧化改造进程，为改造片区的居民提供智慧化服务，实现城市更新过程决策的科学化、实施的规范化、监管的精细化。智慧城市更新如图7 所示。

图7 智慧城市更新

（1）推动片区改造过程智慧化

在片区更新改造过程中，利用CIM 平台快速获取片区更新范围内的土地、房屋、人口、经济、产业、公建配套及市政设施等基础信息，快速获取更新改造体量、改造空间需求、改造成本估算等基础数据。同时，通过面向居民的服务平台，征求居民改造意见，收集合理建议，提高城市更新决策水平，提高市民对片区建设的参与度，以此提升城市更新的效果和人民的满意度。

（2）打造智慧社区和园区

在社区园区环境中引入各类智能化设备和管理手段，应用物联网技术对各关键环节的资源进行感知、监测、分析、控制、整合，并在CIM 平台上集成展示，实现社区园区管理的智慧化，提升社区管理服务水平，推动园区产业的转型升级。例如：利用5G 强大的传输网络，将消防、温感等相关传感器信息即时在智慧社区平台上直观展示，根据监测阈值自动发现险情，自动识别城市异常状况，辅助确定应急救援决策。

2.5 CIM 平台赋能智慧基础设施建设

智慧城市基础设施主要包括信息网络设施、信息共享基础设施、市政基础设施三方面内容[17]。智慧基础设施的主要职责在于对物理世界的智能感知、对信息的传输以及对数据的计算分析。CIM 基础底座，基于信息网络设施、信息共享基础设施而构建，为市政智慧基础设施的建设，提供了一个规划统筹、数据共享、可视化分析、二次开发应用的平台，实现CIM 基础平台对市政基础设施的智慧化赋能行动。

（1）智能化市政基础设施建设

推进基于CIM 的智能化市政基础设施建设，即加快对涉及到民生安全、城市安全等方面的路、桥、水、电、气、地下管线基础设施的信息化、智慧化改造，通过在基础设施上布设传感器，打造智能化市政基础设施。以重要桥梁健康监测为例，通过倾角传感器、索力传感器、变形监测传感器、应变传感器、位移传感器及GPS 传感器等智能物联感知设备，可实时监测桥梁倾斜、形变等重要桥梁健康参数，并采用窄带物联网（NB-IoT）等多种通讯方式，实时上传健康数据至桥梁健康专业监测平台，并汇聚到CIM 平台，通过大数据分析，实现桥梁健康的自动监测、自动预警，为城市级的桥梁健康状态评估及市政基础设施维修提供科学决策依据。智慧市政基础设施（桥梁）健康监测如图8 所示。

图8 智慧市政基础设施（桥梁）健康监测

（2）CIM+城市交通智慧化建设

推动基于CIM 的城市交通设施智能化建设，即利用CIM 平台集成管理城市停车资源，实现停车资源共享；完善路侧单元智能设施建设，支撑“车路协同”、无人驾驶等多场景应用。打造基于CIM 的动态路网智能交通体系，即基于CIM 构建面向交通管理与公共服务的城市综合路网智能交通体系，统筹管理城市综合交通运行数据，实时管控、展示交通动态及静态信息，优化公众出行服务，提升全市交通智能监管水平。

2.6 小结

总而言之，通过CIM 平台形成系统的智慧城市框架体系，赋能智慧城市“规设建管运”全生命周期，实现“规设建管运”的一体化推进，一是能有效解决规划、设计、建设、管理、运营全生命周期由于没有融合贯通而导致的协同性不足问题，二是能有效解决缺乏跨部门统一数字底座导致规范性和支撑性不足的问题。

3.基于CIM 的智慧城建展望

尽管当前CIM 平台对智慧城市的发展起到重要的赋能作用，但仍存在推进机制不够完善、数据壁垒等问题，阻碍CIM 平台对“规设建管运”的统筹推进。为此，需要从如下两方面加以完善。

3.1 完善智慧城市推进机制

工作机制方面，在智慧城市建设实际工作推进过程中，应在规划、建设等各政府部门中形成齐抓共管、共同建设、共同开发、共同使用的开放式协作推进机制。社会参与方面，需要创新智慧城市的商业模式，探讨摸索出更多更易于操作的社会资本参与方式，形成智慧城市政企共建生态。人才保障方面，需要大量精通技术、业务、政策、金融和管理的综合性创新人才和团队，要逐步通过政、企、学、社联合，加强智慧城市人才培养体系的建设。效益评估方面，需要建立智慧城市的动态评价指标体系，从社会效益、经济效益等层面综合评估智慧城市的建设成效，查短补缺，以评促建，让智慧城市良性发展。

3.2 深入挖掘智慧城建数据资产价值

数据要素是驱动CIM 平台能力提升和智慧城市深度建设的基础，但在当前，政企数据共享互用机制还不完备，政务数据脱敏和商用机制尚不完善，存在一定的数据壁垒。为此，需要深入挖掘数据资产价值。一是需要加强数据安全防护，消除安全顾虑和责任风险，要推动数据安全应用规范标准和配套机制建设。二是有序开放行业数据，提升数据使用价值，研究制定数据共享办法，探索建立城建领域内跨部门、跨层级的数据共享协调机制，驱动数据价值的高阶应用。三是构建支撑数据汇聚的智能基础设施，加快建设与经济社会智能化发展需求相适应的基础设施体系。

4.结语

智慧城市是经济社会高质量发展的必由之路，CIM 平台是智慧城市建设管理的关键信息基础设施，探讨建立基于CIM 的智慧城市统一的架构体系非常有意义。未来，应以数据要素的互联互通为抓手，推进CIM 平台能力的深化及应用、产业的深入发展，通过建立完善的智慧城市建设产业链和生态链推动智慧城市建设的深入发展。