城市信息模型平台顶层设计与实践-CIM-读书笔记_bim sim gim

城市信息模型平台顶层设计与实践-CIM-读书笔记

1、地理空间框架

GB/T 30317—2013《地理空间框架基本规定》规定地理空间框架为：“地理信息数据及其采集、加工、交换、服务所涉及的政策、法规、标准、技术、设施、机制和人力资源的总称，由基础地理信息数据体系、目录与交换体系、公共服务体系、政策法规与标准体系和组织运行体系等构成。”

地理空间框架的构成

地理空间框架建设是“数字城市”建设的支撑体系与核心内容，其目的是为“数字城市”提供统一、权威的地理空间信息公共平台，实现城市信息资源的整合和共享，避免重复投入、重复建设。同时，地理空间框架还可用来解决定位基准、技术标准不统一导致的信息孤岛等问题，提升信息综合利用的水平和能力，推动城市信息化进程，以及为“数字城市”的发展打下坚实的基础。

2、智慧城市时空信息云平台

在既有数字城市地理空间框架的基础上，实现智慧时空基准、时空大数据、时空信息平台、集约云环境四个方面的提升，促使数字城市向智慧城市发展。

根据《智慧城市时空大数据与云平台建设技术大纲》的规定，时空基础设施建设内容包括时空基准、时空大数据、时空信息云平台、支撑环境。其中，时空大数据和时空信息云平台是智慧城市基础设施建设的核心内容。

随着数字城市地理空间框架转型升级为智慧城市时空基础设施，相应要实现“四个提升”，即空间基准提升为时空基准，基础地理信息数据库提升为时空大数据，地理信息公共平台提升为时空信息云平台，支撑环境由分散的服务器集群提升为集约的云环境。

时空基础设施与地理空间框架的构成与历史联系

数据摆渡，这个词语的概念源自于网络隔离和数据交换的场景和需求。不管是物理隔离、协议隔离、应用隔离还是逻辑隔离，最终目的都是为了保护内部核心数据的安全。而隔离之后，又必然会存在文件交换的需求。

摆渡的意思是，在没有道路的时候，坐船度过这片水域到达对岸。数据摆渡顾名思义，是指在没有物理连接的情况下，数据通过隔离部件从源端到达目的端。再通俗一点，就是通过具有存储介质的工具，将数据从源端电脑转移到目的端电脑。

传统的跨网数据摆渡方式经历了从人工U盘摆渡到光盘摆渡机，再到FTP、网闸等一些方式的过程，现在也出现了很多专业的跨网数据摆渡产品。

在当今的信息化时代，数据是企业的重要资产，如何有效地管理和传输数据，尤其是跨隔离网的大文件数据，是企业面临的一个挑战。跨隔离网文件摆渡是指在不同安全等级或网络环境的计算机之间传输文件的过程。

目前，市场上常见的跨隔离网文件摆渡的方式有以下四种：

1、移动介质拷贝

2、FTP

FTP是一种基于网络的文件传输协议，可以在不同计算机之间进行文件上传和下载。

3、网闸

网闸是一种专用的硬件设备，可以在不同安全等级或网络环境的计算机之间建立一个安全通道，实现文件传输。

4、企业网盘

现在也有不少网盘可以支持内外网的数据交换，但是网盘一般是面向办公文档类型的数据。

5、自研的内外网文件交换系统

内外网文件交换系统支持多种网络隔离架构下的跨网文件交换，支持多个隔离网之间的安全交换逻辑，同时支持审批，追溯原始文件，解决网络隔离条件下，网间数据安全收发、摆渡、共享的理想解决方案。

3、信息模型

GIM：地理空间信息模型

BIM：建筑信息模型

SIM：社会感知信息模型

目前，我国正在城市层面探索建设基于城市时空大数据的云平台，将城市相对宏观静态的地理空间信息模型(GIM)与相对微观静态的建筑信息模型(BIM)和城市动态运营的社会感知信息模型(SIM)有机集成，并在云地理信息系统技术环境下，构建多维度的城市信息模型，旨在实现新型数字孪生城市由单向到双向、由二维到三维、由静态到动态的转化，为城市的智慧空间治理提供时空大数据和空间分析技术支撑。

4、数字孪生城市 Digital Twin City

国际标准化组织将数字孪生定义为具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。

学术界则认为数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。

数字孪生城市是利用数字孪生技术对城市进行抽象建模，基于物理城市再造一个与之精准映射、匹配对应的虚拟城市，形成物理维度上的实体城市和信息维度上的虚拟城市同生共存、虚实交融的城市发展形态。

2018年，《河北雄安新区规划纲要》发布，该文件指出要在雄安新区推进BIM管理平台建设，平台将建立不同阶段的城市空间信息模型和循环迭代规则，采取GIS和BIM融合的数字技术记录新区成长的每一个瞬间，结合5G、物联网、人工智能等新型基础设施的建设，逐步建成一个与实体城市完全镜像的虚拟城市。

2020年，《国家发展改革委　中央网信办印发〈关于推进“上云用数赋智”行动　培育新经济发展实施方案〉的通知》（发改高技〔2020〕552号），首次指出数字孪生体是七大新一代数字技术之一，其他六种技术为大数据、人工智能、云计算、5G、物联网和区块链。

通过CIM平台汇聚数据、构建城市数据资源体系，这将为数字孪生城市建设奠定基础。

融合城市运营动态数据（比如人口普查、社会经济、能源消耗等）和虚拟3D城市信息模型是数字孪生城市的基础与核心，在此基础上虚拟城市与实体城市要建立全面实时的联系，从而实现对城市系统要素全生命周期的数字化记录、对城市状态的实时感知及对城市发展的智能干预和趋势预测。

随着城市数据大脑、城市运营管理平台、时空大数据云平台、国土空间基础信息平台等平台的建设，它们将以CIM平台为基础，有序对接互通，实现城市全域数据的汇聚应用、数字化映射和可视化运行，基于CIM平台的城市数字孪生体也将加快构建，助力形成“联动指挥、协同处置、科学决策”的城市智能化、数字化治理模式。

CIM 与数字孪生城市的关系

5、建筑信息模型

ISO12006—2：2015给出了房屋建筑信息概念模型，该模型是描述用户管理和利用建筑空间，在工程项目全生命周期过程中使用建造资源完成建造的过程。

用户活动和功能需求的文件编制构成了建造过程中所需信息的重要部分；

建造过程有四个主要阶段，即预设计阶段、设计阶段、生产阶段、维护阶段；

建造资源的组成可以是建筑产品、建设工具、建设代理和建设信息；

建筑实体可以满足用户行为和功能要求，它们可以聚合成建筑群。建筑实体由建筑构件组成，建筑构件可以构成建筑群的几个不同层次。

房屋建筑信息概念模型

我国国家标准GB/T 51235—2017《建筑信息模型施工应用标准》将其定义为：在建筑工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称。建筑信息模型应用示意图如下图：

建筑信息模型应用示意图

6、城市信息模型

通过BIM技术可以有效地实现建筑信息的集成，如果说城市是生命体，那么建筑就是构成生命组织的细胞，因此从BIM到CIM是从单个细胞到复杂生命体的转变。

相比过去的工程建设项目重点关注单体BIM应用，CIM更加强调城市系统整体，包括其空间与实体抽象、可视表达、计算分析、模拟预测和共享应用等。

CIM不但包括工程建设过程中的小尺度（项目级）的规划、建设（施工）和竣工BIM，而且还包括城市大尺度的资源与环境、建筑与设施数字孪生的模型，能够构建城市多尺度多维度立体数字底版，支撑城市能源、环境、交通、基础设施等系统；连接城市真实世界的传感网络，把握城市运行动态，为城市精细化、智能化管理提供支撑。

7、物联网

IBM首席执行官Samuel J.Palmisano提出了“智慧地球”设想，将信息传感设备安装到桥梁、铁路、电网等各种物体并连接网络，实现任何物体的数字化互联。

智慧城市借助物联网强大的监控功能，对城市的建筑与设施、资源与环境动态进行监测，还能动态汇聚城市规划、建设和管理信息，有机整合城市规划空间和运营等信息，可辅助城市规划管理部门开展城市资产统计测量、开发审批等业务。

智能电网将物联网应用于发电、配电和用户用电的环节，可实现对电能的优化配置，有效提高电能的利用率和电网运行的稳定性。

智能交通利用自动控制、传感技术实现对交通的实时指挥和控制，能够很好地减少交通拥堵，降低交通事故的伤亡率，减少汽车尾气排放。

智能物流借助RFID、GPS和互联网技术进行全自动智能配送及可视化管理，帮助企业优化采购、运输及存储环节，从而提高能源利用效率、减少废弃物排放。

此外，物联网技术在医疗管理、生态监控等领域也有较好的应用。

8、人工智能

机器学习与深度学习是人工智能的常用技术，它们可侦测识别城市空间现象，辅助城市设计与决策。使用多源数据与深度学习，可大规模快速识别土地性质，检测城市空间结构，如结合谷歌地图、街景数据与OpenStreetMap可准确描述与预测城市项目的土地使用类别。

在交通领域，人工智能模型可研究路径选择、通行时间、通勤特征等交通行为，提高交通规划的可持续性，如基于随机森林算法分类器，可根据出行特征与土地利用特征预测人们的出行目的，优化线网与土地布局。

还可协助车辆调度、智慧提醒路况、预测交通流量、控制交通信号，以减少拥堵与污染，实现可持续最优通行。

物联网技术提供了城市建设与运行的动态感知数据，云计算与边缘计算提供了城市数据分布式计算分析的算力，人工智能为人们利用众多城市数据实现特定领域决策分析和应用提供了技术手段。

物联网、大数据、云计算和人工智能等技术不断发展进步，这些技术支撑着CIM平台的建设和应用，使城市具有智能协同、资源共享、互联互通、全面感知的特点，推动城市管理向智能化、信息化方向发展。

9、CIM 框架

笔者提出的CIM概念框架如下图所示，笔者认为CIM包括社会实体、物理实体、城市空间、信息实体、过程（协作）和监测感知六个部分，这也基本明确了城市信息模型的范围边界。

CIM 概念框架

在城市规划、建设和管理运营等需求驱动下，社会实体管理和利用城市空间与物理实体；社会实体以不同角色参与规划建设和管理全周期过程，即以工程建设项目为单元开展规划、建设和管理运营的协作过程；社会实体采用物联网技术对建筑与设施、资源与环境、现状与空间进行监测感知，以把握城市运行状态。社会实体、城市空间、物理实体、过程、事件等及相关关系数字孪生形成了信息实体，共存于城市信息模型中。

1、CIM 概念

2020年9月住房和城乡建设部发布的《城市信息模型(CIM)基础平台技术导则》提出了一个CIM定义，即CIM是“以建筑信息模型(BIM)、地理信息系统(GIS)、物联网(IoT)等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据，构建三维数字空间的城市信息有机综合体”

这个概念只是从数据角度基本明确了CIM内容和边界，即CIM数据包括时空基础数据、资源调查数据、规划管控数据、工程建设项目数据、公共专题数据和物联感知数据六大门类，其表明CIM边界与上图 CIM 概念框架 中的框架范围基本吻合。

城市信息模型的构成和特征

2、CIM 分类

考虑到CIM需完整地描述结构复杂的城市系统，以领域扩展思路对CIM采用面分类法进行扩展，包含成果、进程、资源、特性和应用五大维度。其中成果包括按功能分建筑物、按形态分建筑物、按功能分建筑空间、按形态分建筑空间、BIM元素、工作成果、模型内容7种分类，前6种引用GB/T 51269—2017附录A.0.1～A.0.6的分类，模型内容参考GB/T 13923—2022《基础地理信息要素分类与代码》和CJJ 157—2010《城市三维建模技术规范》分类；

进程包括工程建设项目阶段、行为、专业领域、采集方式4种分类，前3种引用GB/T 51269—2017附录A.0.7～A.0.9的分类，采集方式参考《测绘标准体系》；

资源包括建筑产品、组织角色、工具、信息4种分类，引用GB/T 51269—2017附录A.0.10～A.0.13的分类；

特性包括材质、属性、用地类型3种分类，前2种引用GB/T 51269—2017附录A.0.14～A.0.15的分类，用地类型引用自然资源部《国土空间调查、规划、用途管制用地用海分类指南（试行）》的用地分类代码；应用包括行业1种分类。CIM分类图如下图：

CIM 分类图

CIM分类可在符合现行国家标准GB/T 7027—2002《信息分类和编码的基本原则与方法》的规定下，依据可扩延性、兼容性和综合实用性原则进行扩展，扩展分类时，相关标准中已规定的类目和编码保持不变。

3、CIM 分级

CIM分级是指所表达的物理实体几何尺度及其信息精细度的区分，要兼顾现有地理信息、建筑模型的分级。城市三维模型分级、CityGML分级和BIM分级对比见下图：

城市三维模型分级、CityGML 分级和BIM分级对比

整合城市三维模型分级、CityGML 分级和BIM分级后的7级 CIM 分类

由上整合分类后的级别可知：

CIM分为地表模型、框架模型、标准模型、精细模型、功能级模型、构件级模型、零件级模型7级，其中：

(1) 地表模型：二维矢量或三维符号：

1级模型是根据实体对象的基本轮廓和高度生成的三维符号，即地表模型，可采用GIS数据生成；

(2) 框架模型：白模：

2级模型是表达实体三维框架和表面的框架模型，实体边长大于10m（含10m）时应细化建模，表现为无表面纹理的“白模”，可采用倾斜摄影和卫星遥感等方式组合建模；

(3) 标准模型：带有材质的粗模/仅带有材质的整体精模

3级模型是表达实体三维框架、外表面的标准模型，实体边长大于2m（含2m）时应细化建模&#