CIM基础平台建设的前世今生和未来

CIM基础平台建设的前世今生和未来插图

CIM的起源

CIM是城市发展新方向

从上世纪 90 年代开始,中国的城市管理信息化领域引入了 GIS 技术作为基础工具,并以此提出了城市网格化管理的理念,缓解了城市管理粗放、公共领域缺少管理的局面,取得了良好的效果,极大推进了城市管理精细化和规范化。城市管理者们在城市网络基础上,将城市信息进行业务化分类,为城市信息的融合奠定了基础,并开始地理信息共享平台的探索与建设。
从 2010 年开始,城市信息化的概念也由“数字城市”向“智慧城市”升级,首先是 3DGIS 技术发展迅速,城市的空间表达由二维向三维化升级,通过 3DGIS 展现城市立体全貌,提供一个比二维地图更加精细的时空应用支撑。城市信息关联到精细的三维对象上,为多个行业提供了更加直观与精细的应用场景。在应用维度升级的同时,随着行业应用的深入和信息采集维度的丰富,行业应用逐步由单个应用向跨业务的综合应用发展,应急救援等需要整合多个行业信息的综合业务也可以快速构建,而支撑多行业综合应用的时空信息云平台也成为城市建设的新热点和新方向。
近年来,随着物联网、大数据技术的兴起,信息资产已经成为社会管理的核心,城市智慧化的管理愈发需要跨部门、跨领域的信息融合。无论在城市生活还是城市管理中,能够支撑信息融合与信息挖掘的技术也愈发重要,城市的规划、建设、运营都将基于新的信息技术,围绕信息的采集、融合和应用而呈现新的发展动力与发展模式。
 
CIM基础平台建设的前世今生和未来插图1
城市信息化发展
信息的实时性提高与智能化程度提升,都推动城市由物理世界向虚拟世界映射,数字驱动实体向着新的发展方向前进。城市信息化形成全要素采集、全专业建模、全生命周期管理、全空间数字化管理、全场景支撑的建设理念,城市信息模型(City Information Modeling,CIM) 的概念也正是在这样的行业发展中被提出。

CIM基础平台的政策来源与依据

2021年3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》第十六章中提出,“完善城市信息模型平台和运行管理服务平台,构建城市数据资源体系,推进城市数据大脑建设。探索建设数字孪生城市。”明确提出了数字城市建设中要重点发展城市信息模型平台与数字孪生城市,CIM建设成为国家城市治理体系和治理能力现代化的目标和方向之一。
国家各部委近年来也发布政策标准,引导城市信息模型平台的建设落地。
2019 年 9 月,住房和城乡建设部、工业和信息化部和中央网信办联合颁布《关于开展城市信息模型(CIM)基础平台建设的指导意见》,对 CIM 基础平台建设的定位、建设原则、建设目标、建设内容、运营维护和服务保障等工作进行了全方位的指导。
2020年3月,发改委发布了《加快培育新型消费实施方案》,将 CIM 定义为新一代信息基础设施建设,要推动城市信息模型(CIM)基础平台建设,支持城市规划建设管理多场景应用,促进城市基础设施数字化和城市建设数据汇聚。
2020 年 9 月,自然资源部发布了《市级国土空间总体规划编制指南(试行)》,在文中提出“……基于国土空间基础信息平台,探索建立城市信息模型(CIM)和城市时空感知系统,促进智慧规划和智慧城市建设,提高国土空间精治、共治、法治水平” 。
2020 年 9 月 27 日,住建部发布《城市信息模型(CIM)基础平台技术导则》作为行业 CIM 基础平台建设的技术依据。
2021 年 4 月,住建部分别就 CIM 基础平台建设中的数据加工、规划管理、工程报批、施工图审查、竣工验收备案等方面发布了相应标准规范的征求意见稿,对 CIM 平台建设提供了行业标准的参照与保障。

CIM基础平台的建设思路

CIM基础平台的建设理念

1、CIM是空间智慧引导城市发展的切入点

CIM通过支撑构建数字化虚拟城市实现对物理城市的映射、监管、分析和模拟,是我国数字社会建设中数字驱动发展的建设理念的具体落地实现。
CIM建设的目标是实现物理城市的全数字与空间化。将城市全要素信息资源在三维虚拟城市空间中进行融合。通过多源传感器和持续勘测等技术手段,保持现实与虚拟的信息同步,可以近乎实时地在数字空间中反映现实世界的状态与变化,实现物理世界与数字虚拟世界的完全映射,构造出一个反映现实世界的数字空间。
CIM借助对空间对象的分析与挖掘能力,在数字空间中构建城市的信息化模型,通过空间技术对信息的分析、挖掘,能够在数字空间中对现实世界的状态发展、变化趋势、管理响应等进行判断与预测,从而能够准确地把握城市发展,指导制定城市运维管理政策与手段,减少现实中的试错成本,实现将数字成果映射到现实世界,再将数字成果反哺现实世界的双向驱动,达到城市数字驱动发展的战略目标。

2、CIM基础平台是三维数字空间城市信息有机融合的载体

 
传统的 GIS 技术支撑建设的数字城市,其城市信息管理粒度最大到城市的大型部件,在 BIM 信息引入后,城市信息管理的粒度从建筑整体延伸到了建筑构件,从而能够构建从城市宏观布局到微观部件的完整全面的城市信息框架,为城市精细化治理提供了数据基础。
住建部发行的《城市信息模型基础平台技术标准》中对CIM进行了明确的定义:城市信息模型,是以建筑信息模型(BIM)、数字孪生(Digital Twin)、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、历史现状未来多维信息模型数据和城市感知数据,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。
三维数字空间城市信息有机综合体,就是将 BIM 在建筑领域设计、施工、运营一体化的全生命周期管理的理念应用到城市中,将以 BIM 技术提供的城市微观信息与 GIS 技术为基础的城市宏观场景信息进行融合,并将城市交通、人群、资金等等动态信息进行结构化整合,形成一个能够同步反映城市完整现状,并且对城市发展进行预测与研究的信息巨系统。
 

城市现代化治理需要CIM的空间智慧服务

城市现代化治理中数字治理能力建设是核心和关键。数字治理能力是面向城市不同管理领域、管理模式和管理手段的信息化能力的全面升级,利用数字技术通过对城市信息的采集、存储、计算和程序,实现监控城市运行状态,预测城市发展动向,维护城市稳定运行。
城市数字治理能力的核心是城市空间数字化能力的构建。而 CIM 建设是城市空间数字化能力的基础支撑与具体实践。CIM 平台的总体建设目标,是通过构建城市基础设施数字化资源库,城市设施与业务建模,城市时空信息分析与挖掘能力,在统一的框架下实现城市信息共享互通,支撑城市跨部门、跨层级、跨区域的整理能力,为城市现代化治理提供城市空间的全面表达能力,城市信息挖掘的空间分析计算能力,提升城市治理的数字化水平,最终服务于城市现代化治理的总体目标。

CIM基础平台是城市新一代信息基础设施

CIM 目前重要的建设内容,是通过构建一个基于三维数字空间的现实城市数字化版本,成为连接城市现实世界与数字虚拟世界的桥梁。为城市提供全空间、全要素、全专业、全流程和全生命周期的城市数字化管理能力。这个数字化的版本,称为 CIM 基础平台,也是未来新一代信息基础设施。
CIM 基础平台通过 GIS+BIM 技术,能够打通城市宏观布局与微观构件之间的空间数据壁垒,实现室内个体空间信息统一,地上城市构造空间信息与地下资源空间信息关联,形成城市全空间数字化基础:
CIM 基础平台通过构建城市时空信息模型,能够对城市土地、建筑、设施等各类要素进行全面描述,能够在不同尺度不同级别下为各类要素提供适合计算与表达的信息形式,从而形成城市全要素数字化基础。
CIM 基础平台通过对城市规建管各类业务信息构建业务数据与分析模型,能够将全空间、全要素数据基础进行融合,为各类城市业务提供信息展现、计算、业务管理等全方面的支撑,从而实现城市全专业的管理能力。
CIM 基础平台通过建立数据标准、数据模型和业务模型,支撑城市业务成果信息的综合展现与计算,实现规划数据对建设数据的审查与约束,建设成果信息对城市运维的支撑,形成城市全流程数字管理能力。
CIM 基础平台通过构建数据融合与共享,将城市不同阶段的信息基于全空间基础进行融合,形成城市规划、建设、运营、管理整个生长过程的城市全生命周期信息管理能力。

CIM基础平台生命力的“3-4-5”

如果说 CIM 基础平台是三维数字空间城市信息有机综合体,那么其必须要有健壮的机体、创新的思想和强大的能力。
BIM+GIS+IoT 3 项关键技术是组成 CIM 平台的基础能力,共同构造了 CIM 平台的健康机体;
信息集成、状态表达、管理方法和信息共享是城市数字治理的 4 个中心环节,也是 CIM 平台这一新事物中对理念、技术、模式创新的推进方向。
城市信息聚合、表达、服务、呈现与分析是城市数字治理的 5 项核心能力,是 CIM 基础平台强大能力的建设切入点。
“3-4-5”为 CIM 基础平台提供旺盛持续的生命力。
 
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CIM平台生命力的“3-4-5”

1、三项关键技术

BIM+GIS+IoT 是 CIM 平台建设的基础能力支撑。
GIS提供城市大尺度空间内的地形地貌、构造布局信息的管理与应用能力,BIM提供城市微观尺度下的部件与构件信息的构造与管理能力。通过 BIM+GIS,整合城市地上 / 地下、室 内 / 室外的空间数据体系,实现宏观 / 微观一体化的管理、展现与分析应用,结合 IoT 技术对城市信息的多维度实时采集,实现历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据和融合,最终构建起三维数字空间的城市信息有机综合体,并依此推动城市规划、建造、管理的新模式。

2、四项创新理念

CIM 平台是城市数字治理现代化管理理念的落地和创新。
城市信息集成创新,通过构建城市全生命周期的数据,记录与挖掘城市成长信息,形成跨行业、跨领域的城市信息集成新模式与新理念。
城市状态表达创新,通过构建城市全时空数据模型,让城市多维度信息能够在三维数字空间中进行融合,实现城市信息的新的表达形式。
城市管理方法创新,通过采集构建城市全要素、全专业数据,为城市搭建“建-管-养-运”的信息化模型与业务规则,实现城市数字化精确管控。
城市信息共享创新,通过采集城市运营全过程数据,支撑成果管理各项业务的开发与协同,促进城市支持信息的全面开放。

3、五项核心能力

在关键技术支撑和创新理念的指导下,CIM 形成聚合、表达、服务、呈现与分析 5 项核心能力,为城市数字孪生建设提供了基础和支撑:
全要素数字化表达能力:对城市空/天/地、室内/室外、 地上/地下的全要素采集、数字化建库,实现二三维一体化、时空一体化城市数字底板。
数据融合与建模能力:在城市全要素数字化基础上,以城市时空数据为主要索引,建立跨行业数据模型,实现城市全要素、全过程、一体化的时空数据体系。
可视化呈现能力:对城市全貌大场景到城市细节的一体化多级别渲染;提供空间分析、大数据分析、仿真结果等多主体可视化能力,支持大屏、网页、移动端等多种显示场景。
空间分析计算能力:是指基于城市三维模型,针对具体业务指标建立分析模型,进行空间数据相关计算、分析、展示的能力。
数据服务共享能力:基于 CIM 的全要素时空数据资源和跨行业建模与分析能力,以数据信息服务的方式提供各业务使用,支持更为精确全面的呈现和表达,更准确地实现动态监测、趋势预判等功能。
三项关键技术与四项创新理念,形成了 CIM 五项基础核心能力,支撑城市构建数字孪生,为城市管理数字化与智慧化提供持续的生命力。

CIM基础平台的组成与定位

CIM的建设组成

CIM 是城市全空间、全周期、全场景的时空信息整合,并为城市规划、建设、管理提供智慧化服务的过程和结果的总称。其建设是一个长期不断迭代发展的过程,建设内容也包括核心能力的构建和应用服务体系的搭建推广。
CIM 的建设分为 CIM 基础平台和 CIM+ 应用体系两个部分。
 
CIM基础平台建设的前世今生和未来插图3
CIM的建设组成
CIM 基础平台(简称 CIM 平台)是 CIM 建设的基础与核心。CIM基础平台是城市全空间数据整合的载体,城市信息全场景呈现的基础支撑,是城市空间信息分析与挖掘的能力之源和城市全生命周期管理过程的信息循环底盘,为智慧城市与数字孪生城市提供全面的能力来源。
CIM+ 是 CIM 价值在城市生产、管理与城市生活中的延伸,在 CIM 基础平台之上,将城市全空间、全要素、全专业、全流程、全生命周期的数据管控与分析、服务能力,向城市各类业务开放,支撑智慧化能力在城市管理中全面落地,形成数字孪生城市,是 CIM 最终价值的体现。
在当前 CIM 平台建设中,需要基于 GIS 软件、BIM 软件和 IoT 信息源,在整体设计框架下,实现对各类空间数据进行对接、转换与建模,对 CIM 基础能力进行研发,和对外服务支撑能力的封装,在通用能力之上,还需要面向不同城市的需求,开发定制更有针对性的功能。
针对 CIM 平台试点快速推进,需要不断迭代升级尝试的需求,超图提出了 CIM 开发支撑平台的理念。基于SuperMap GIS对于空间数据处理、展现挖掘的能力,将 CIM 基础平台中的通用能力进行封装,能够支撑 CIM 平台开发者快速高效地搭建一套具有基础展现、指标计算能力的 CIM 基础平台,并且提供灵活的扩展性,能够为不同用户提供更多的定制服务和能力探索的支持。
 
CIM平台的整体技术框架如下:
 
CIM基础平台建设的前世今生和未来插图4
CIM平台的整体技术框架

CIM开发支撑平台

超图公司的 SuperMap CIM开发支撑平台,是在 GIS 丰富的数据功能和强大的三维空间能力之上,融合多源 BIM 信息与动态时空信息资源,为合作伙伴提供构建 CIM 基础平台空间数据建模、指标分析与数字呈现能力的基础框架。
SuperMap CIM开发支撑平台提供了城市全空间全要素数据资源池建设管理能力、城市数字化表达与城市指标智能化自动计算能力,可以全面支撑 CIM 基础平台建设和 CIM+ 应用。
CIM开发支撑平台的核心服务能力,主要包括:

1、城市信息模型时空数据库建设

CIM 开发支撑平台,依据行业标准规范,封装定制了全面的城市信息资源库,覆盖了从空间基础数据、规划管控数据、工程建设数据到城市调查数据、公共感知数据和物联感知数据的城市全要素数据框架,满足 CIM 基础平台搭建所需要的各类数据信息与数据模型构建需求,能够帮助用户构建 CIM 基础平台 数据库。并且借助SuperMap GIS 对二三维时空数据的兼容能力,提供了三维 BIM 数据的自动化解析与入库能力,实现城市三维数据模型的快速批量导入。
数据的全面兼容能力是构建 CIM 基础平台全数字化表达能力和数据融合与建模的基础,也是信息服务共享能力的核心内容,是 CIM 开发支撑平台的核心基础。

2、城市模型的空间管理、分析与计算能力

CIM 开发支撑平台将 GIS 对空间数据的兼容性,封装为针对城市模型数据的工具,能够提供空间模型数据的接入、编辑、融合、入库等技术能力,提供构建完整的城市信息数据管理流程与模块。
CIM 开发支撑平台的指标分析工具,将 GIS 空间分析功能针对城市信息模型进行封装,提供了自动化指标分析的技术流程与分析功能。CIM 开发支撑平台提供用地红线、容积率、建筑高度、地下建筑范围、总建筑面积、贴线率等刚性规则和贴线率、开敞度、可视域、天际线、道路高宽比等柔性规则的计算模型与自动化计算流程。支持 CIM 基础平台构建城市智慧管理与分析决策模块,并可以实现更多行业指标的建模与分析能力扩展。

3、多样的城市数字化呈现能力

基于 SuperMap GIS 二三维一体化的技术能力,CIM 开发支撑平台能够提供门户系统快速搭建,实现对各类城市模型的一体化展现与渲染能力。CIM 开发支撑平台提供一套定制化、可扩展的电子沙盘框架,支持VR/AR/MR等更多的三维交互体验。
电子沙盘框架基于 GPU 和体模型表达等不同的先进技术优势,对三维空间对象应用场景更加直观、易用性强,提高信息利用价值。提供了基于游戏引擎的对象渲染能力,支持 CIM 平台提供高仿真的展示结果。
城市数字化呈现能力,是 CIM 基础平台可视化呈现能力与全要素数字化表达能力的实现,也是 CIM 开发支撑平台为 CIM 开发提供的快速构建成果的强大工具。

CIM基础平台

基于 CIM 开发支撑平台搭建的 CIM 基础平台,通过为城市建造、城市安全、城市市政和城市体检等当前重点的 CIM 应用领域提供更有针对性的空间信息智慧服务能力,逐步形成城市数字化底盘框架,并完善业务空间建模、指标审核、空间表达的空间服务能力和服务流程,最终形成可以支撑更多业务领域应用的城市数字化治理空间信息基础设施。
CIM 基础平台作为一个完整的信息平台系统,应当具有完善的平台运维管理和安全保证的功能,此外,平台的核心能力主要包括:

1、空间建模:城市治理的基本功

城市信息模型是将城市多源信息基于空间进行再组织,进而能够实现对城市建设、运行和管理的数字洞察与预测分析。因此,如何将多业务信息、多格式数据在统一的空间尺度下进行融合,构建表达城市状态的信息模型,就成为了城市数字治理的基础。
CIM 基础平台提供了城市信息建模的功能流程与数据模板。基于对空间数据的兼容能力,实现对城市空间与业务信息的融合与建模,逐步构建并完善城市各类对象、业务、行为的模型库,是城市可视化呈现与城市智慧化分析决策的基础。

2、数字呈现:城市治理的多样表达

城市信息模型是城市多源异构信息的空间融合与再构,通过空间关系和业务信息的建模,不但是城市设施等静态信息的空间数字化表达,也是对城市交通等城市动态信息的空间数字化表达,更是通过建模分析,能够实现对城市未来发展的数字化表达。
因此,CIM 基础平台需要能够提供覆盖全区域、功能完善、模式齐全的数字可视化呈现界面,不但能够在高仿真虚拟空间中展现城市的物理空间,并且能够以多种模式展现城市的运行动态,并且对城市的发展和变化也可以以直观的方式进行展现,能够让专业人员和城市公众一起对城市信息进行全面了解,增强城市治理的参与度。
 
CIM基础平台建设的前世今生和未来插图5
城市电子沙盘

3、指标分析:城市治理的价值导向

对城市各类业务和行为进行指标设置和指标计算分析,是城市管理者和运维者对城市运行状态的解读和分析,代表着城市管理者和运维者对城市的判断和预测,是城市治理价值观的具体表现。
CIM 基础平台的核心能力也是对城市业务进行指标建模与指标分析流程与服务的构建,实现对城市各类业务信息的计算模型和判断阈值,实现通过指标的计算评估,形成对城市状态的测算与掌握,为城市治理提供更加准确的数字化的决策依据。
因此,CIM 基础平台的分析能力不是对不同信息来源的简单统计与计算,它对原始信息进行业务解析后的数据模型进行挖掘与分析,是面向城市治理需求对城市信息的重组,代表着城市管理的理念与对城市发展的推进方向。这就要求 CIM 基础平台能够拥有完备的全面的空间建模、数据解析、数据编辑与空间分析能力,保证城市信息的一致和分析计算结果的正确。
 
CIM基础平台建设的前世今生和未来插图6
用地控高分析

“CIM+”应用

CIM 建设,是以CIM基础平台为基础支撑城市各业务领域的智慧化应用,实现城市治理的智慧化全面落地。通过 CIM 基础平台的支撑,实现城市领域治理空间化与智慧化的业务应用,都属于“CIM+”应用。
“CIM+”包括城市建设、城市管理、城市体检、城市安全、住房、管线、交通、水务、规划、自然资源、工地管理、绿色建筑、社区管理、医疗卫生、应急指挥等领域的应用。
应用通过 CIM 基础平台获取城市信息模型的服务支撑,实现对业务指标的计算与分析能力支持,实现对业务信息在三维空间的直观表达。
“CIM+”的应用推进也是要配合 CIM 基础平台的建设周期。首先应当是在城市城建设管理领域的示范应用推广,通过城市建设领域,逐步完善整个城市的三维模型基础,构建 CIM 基础平台的数字底盘。在此基础上将推动城市各行业、各部门的信息共享,构建根据专业和丰富的城市信息模型,提升整个城市治理的数字化与智慧化水平。

CIM的未来发展

CIM基础平台建设的两级路径

CIM 基础平台的建设,是在 CIM 开发支撑平台之上,分期分批地逐步完善平台资源与服务能力,通过城市规建领域的应用,逐步构建城市三维数据空间框架,再逐步实现城市动态数据的接入,将 CIM 基础平台的服务能力向更多领域扩展。
首先构建 CIM 基础平台对城市数字化建模呈现与规建指标分析的能力。以工程建设项目审批制度改革为契机,推进 CIM 平台在工程建设项目审批管理系统的交互,支撑工程建设项目 BIM 报建及计算机辅助审批。提升城市管理信息化、数字化、智能化水平。逐步完善城市数字化模型体系,并形成符合城市治理需要的指标设定与分析决策的技术路线。
积极推动 CIM 基础平台为城市治理各领域提供的分析决策能力。将 CIM 基础平台作为城市基础性、开放性的信息平台,推动城市各行业、各部门的数据共享和业务协同,逐步深化 CIM 基础平台在其他各行业领域的应用,提升 CIM 基础平台中模型分析的专业性与准确性,提高数字化模型在规则设计与管理决策中的可靠度,真正将数字治理变成城市治理现代化的核心。

基于CIM开发支撑平台的全数字化资产

 
基于 CIM 开发支撑平台构建城市全数字资产,是通过 CIM 开发支撑平台,构建 CIM 平台的数据融合能力,通过对城市建设管理领域的示范应用,逐步将城市从规划、建设、施工等多个环节进行交互,构建城市全空间、全要素的统一数据模型, 形成城市数字化资产,并形成数字资产可视化呈现、数据更新、数据分析挖掘能力。为下一步 CIM 平台的服务搭建基础。

基于CIM开发支撑平台的全场景贯通

基于 CIM 开发支撑平台提供城市各业务应用场景全面贯通,是通过 CIM 开发支撑平台的服务能力,向各业务应用场景提供一体化的信息资源服务和空间能力服务,使得不同业务的应用能基于统一的时空数据模型构建业务模型进行分析、挖掘功能实现, 在不同业务中实现一致的信息精度与时效性,获得统一的城市管理结果,贯通城市管理的全业务场景。

基于CIM开发支撑平台的双向驱动

基于 CIM 开发支撑平台的双向驱动,是通过 CIM 开发支撑平台的搭建数据采集更新能力和业务数据建模与指标分析能力,构建城市管理的检验与分析框架,为城市建设发展、运营管理、安全应急等全面管理业务提供计算、统计与分析判断的工具。形成城市信息持续采集迭代增强,并对城市管理业务提供决策管理依据与标准的双向驱动能力。

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文章名称:CIM基础平台建设的前世今生和未来

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