一文带您了解城市信息模型(CIM)的价值与应用

目前,中国正处于新型城镇化、工业现代化、农业现代化、信息化“四化同步”发展的关键时期,基于数字孪生城市理念的城市信息模型(CIM)与新型智慧城市,在城市规划设计、建设管理、运维治理等多个维度正在稳步推进,并逐步从概念和试点走向成果落地阶段,不断践行数字中国、智慧社会的国家发展战略。

一、BIM+GIS助力CIM发展
技术发展必然会引发社会分工的细化,设计与施工分离成了必然的趋势。文艺复兴时期,到工业革命时期,再到美国的专业划分中,图纸的内容都是与建筑设计相对的,并称为A-E(architecture-engineering,建筑学-专业工程),再加上C(construction,施工),就是美国业界常说的建筑业(A/E/C)。IT技术发展的年代,连接绘图和管理的中间软件Revit应运而生。至此,建筑设计和各专业设计真正放在一个平台,使BIM终于从概念走向前台。
GIS的出现,是源于人口普查、土地调查和自动制图。推动GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来,当属1982年IT商业化软件ESRI的Arc/info的出现。而国内GIS真正进入产业化阶段,是1991年ESRI等商业化软件进入国内,GIS软件与卫星遥感技术的集成,带来了空间信息分析的新模式和新方法等行业应用发展模式。随着BIM技术的发展,BIM+GIS+IoT构成的CIM技术应用在建设工程项目中的优势愈发凸显。这些应用为搭建数字孪生城市,实现规建管全流程管控奠定了坚实基础。
二、CIM的政策依据
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。
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△案例展示

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。

01

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。

02

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。

03

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”。

04

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。

05

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。
从CIM的产生及发展现状不难看出,我国城市发展与新技术相融合进入高质量发展阶段,建设方式有大规模增量建设转为质量提升改造和增量结构调整并重的新模式。这对其他行业,有着积极的参照作用。
三、CIM的核心思想
城市信息模型(City Information Modeling,CIM)的主流定义为:以城市信息数据为基数,以建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)、物联网(Internet of Thing,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,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。从概念不难看出,CIM是GIS与BIM的融合,外接传感器的包容性概念。

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自2020年9月,住房和城乡建设部办公厅陆续发布或公开征求意见的CIM相关行业标准共9项,其中标准类型涉及基础类标准2项、通用型标准3项、专用类标准4项。从推出时序来分析,行业标准的出台是快速回应各地建设平台和数据加工的技术性要求,解决项目实施落地过程中的难点问题。同时,也是在不断推进工作中逐步统一认识,共同谱写CIM基础平台标准体系图谱的过程。这其中《城市信息模型数据加工技术标准》当属对GIS与BIM数据解读最具有应用导向的篇章,该篇章详述了当前CIM数据应包含的内容范围、分级分类标准、多源异构数据加工处理方式,这些内容对于CIM平台建设具有硬性的要求。
CIM标准《城市信息模型数据加工技术标准》篇章,科学、条理、次序体现在了他的系统性分级体系与处理方法,使CIM数据具备统一规范的加工处理流程。依据住建部发布标准将三维数据对象从分类、分层、精度总结出CIM1-CIM7等级。城市空间尺度数据集中在CIM1-CIM3,以DEM、DOM、DLG、倾斜摄影数据为主。室内空间以及能源与工业领域的设备设施集中在CIM4-CIM7,以手工模型、BIM模型为主。根据应用需求,需要对各级CIM数据采用不同方式进行处理,除了基本的数据类型、精度、单体化、拓扑等工序,针对三维数据需要单独进行包括:多源异构的数据转换、轻量化、数据组织存储等流程,以达到快速加载显示的应用需求。
此外,若在三维可视化需求基础上扩大应用范围,如城市规、建、管,设备故障管理等深度业务应用,需进一步对相关业务数据进行梳理调研。

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四、CIM的导向意义
元宇宙等概念的出现,大多采取驻足观望在To C社交、游戏及泛娱乐等领域试水结果。线性资产结合GIS,形成了完整的建设到运维的完整闭环解决方案。密集资产管理,形成了以ERP、EAM等理论为基础的设备设施全生命周期解决方案。在CIM概念没有推出之前,企业信息化大多围绕业务流程优化、数据治理、上云等这些活动开展,也就是在一个接近饱和的存量市场,大多数信息化行为都是以完善为主。
CIM标准的出现使这一系列新概念落地成为可能。CIM倡导的信息模型是基于面向对象分析的基础上,如何更好的面向场景。它的基本思想是描述三个内容:对象、对象之间的关系、场景。CIM的有两个特点可以值得关注:跨学科、跨专业、跨组织、跨空间的统一数据分级体系,在复杂多样的应用中如何按照面向场景的数据/技术/方法的有序整合。
首先,统一数据分级体系在前面已经分析,从引导和借鉴的角度来看,当前企业需要做的既是参照CIM标准补充自己的三维数字底座,增加了三维数据的从宏观到微观的视野,降低业务门槛、企业交互成本、精准映射、模拟仿真、虚实交互、智能干预等典型特性加速推动企业应用创新发展。其次,如何面向场景进行整合,CIM是从多样化业务应用中总结六个共性特点,可以分为时间、空间、实体、人物、事件、现象,而“场景”则是大脑对这六个特点综合认知反映。通过这种方法,可以把城市这么一个复杂系统性工程进行“重构”和“再造”。

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下面主要分析CIM标准提出的分级体系对设备管理分级体系具有参考借鉴作用。复杂设备是一个基于设备结构/功能拆分的通用组。设备分级最高等级是设备系统(单体设备),向下细分等级取决于设备单元的复杂程度和用途。参考CIM标准,设备管理可以分成三个等级即可,设备系统、子系统、可维修维护零部件。

具体管理内容如下:

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设备系统-CIM5

  • 三维模型粒度:设备单体、压缩机、截断阀、常减压、延迟焦化…
  • 业务数据粒度:单机统计。单机智能监控、停机次数、故障次数、维修成本…
  • 结合方法论:EAM、工业监控、RCM、Hazop、空间管理…
  • 结合存量系统:工程项目管理、ERP、Maximo、SCADA、视频监控…

设备子系统-CIM6

  • 三维模型粒度:设备功能组件。传动系统、执行机构、蒸馏塔、焦化塔…
  • 业务数据粒度:功能组件统计。功能组件故障次数、维修方法、维修成本…
  • 结合方法论:EAM、工业监控、 故障诊断、维护保养、维修空间…
  • 结合存量系统:更新改造项目管理、ERP、Maximo、SCADA、仿真…

可维修维护零部件-CIM7

  • 三维数据粒度:设备功能零部件。皮带齿轮、电机、冷凝器、控制阀…
  • 业务数据粒度:可维修维护零部件统计。零部件库存盘点、备件计划…
  • 结合方法论:资产管理、库存管理、计划管理、供应商管理…
  • 结合存量系统:资产系统、采购系统、ERP、Maximo、仿真…
五、CIM的应用现状
随着CIM标准推出,产业市场瞬间风起云涌,基于CIM理论的三维平台仿佛成了智慧城市、智慧园区产业的标配。产业风口上升期,必然泥沙俱下、良莠不齐,透过项目还是可以看到应用上的本质区别。下图介绍的是一个市场上能够代表CIM内涵的典型产品样例,不是单一的使用简化模型局限于页面美术效果的产品。此CIM产品不仅体现出了城市空间范围内清晰的分级概念,契合了城市管理的标准化功能,更体现出了多源异构数据融合与海量数据处理的能力,这些是CIM产品能够赋能智慧城市与智慧园区的基本产品能力。
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一文带您了解城市信息模型(CIM)的价值与应用插图8

典型CIM产品

六、CIM的未来展望
CIM加速了数字化转型在城市与园区行业的落地,使得以数字孪生为内核的产业趋势清晰成为赛道可见的产业风口,清晰勾勒出城市与企业以三维时空数字底座为基础的高可靠平台建设为切入点的实施路径。短期内会出现数字大屏过热的现象,但是深入走下去必定以承载高效、安全可靠、联通共享、协同灵活为标准,以满足城市、企业和百姓应用发展需求为出发点,聚焦互联网、大数据、数字孪生技术,在虚实融合的仿真场景中,实时掌握城市与企业生产经营状况,形成高效智能的管理。同时综合考虑到各行业领域,以安全效益和经济效益为核心的AR、AI、仿真等三维强相关应用势必会陆续进场。

简而言之:

1)在城市三维时空数字底座的基础上叠加城市基础设施三维数据,构建基于数字底座的三维高可靠平台,为未来衍生迭代各种智慧应用提供基础保障。 

2)实现城市数字化升级,并快速向智慧化转型,使得决策者能够实时掌控所辖范围的安全状态、仿真模拟、应急资源分布、并做出相应的决策指令,促进城市产业化升级,带动强相关的AR、AI、仿真、5G等产业应用。

3)为城市以外的其他行业提供极具价值的参考借鉴意义,在企业数字底座的基础上叠加与设备设施三维数据,构建基于企业新一代的时空数字底座,为未来衍生迭代各种智慧应用提供基础保障。 

4)CIM是会持续发展的产物,需要随着BIM、数字孪生、元宇宙等技术和实践的发展不断迭代更新。


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