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1、基于城市信息模型的新型智慧城市管理平台【摘要】自 2012 年我国开展智慧城市建设项目以来，各地智慧城市的建设如火如荼。然而，在实践过程中，现有的智慧城市建设模式仍然反映出许多不足之处，“数据孤岛”、“重复建设”等现象屡见不鲜。近年来，随着城市信息模型技术的诞生，这一结合了三维地理信息系统、建筑信息模型和物联网等多种先进技术的城市管理手段，将为智慧城市的建设注入新鲜的血液。从智慧城市和 CIM 技术的内涵出发，两线并行，形成一套基于 CIM 的智慧城市管理平台设计方案，并结合现存的智慧城市建设管理模式，对基于 CIM 的新型智慧城市建设的合作模式、内在逻辑、运行优势和建设目标进行细致讨论，最终
2、为我国“新型城镇化”建设提供一套切实可行的方案。【关键词】城市信息模型; 建筑信息模型; 智慧城市; 新型城镇化目 录1.引言32.智慧城市理论32.1.智慧城市的概念42.2.智慧城市的架构体系43.从智慧城市到新型智慧城市63.1.我国智慧城市的建设现状63.2.新型智慧城市64.CIM的体系架构74.1.CIM的基本概念74.2.CIM的核心技术84.3.CIM 技术的基本架构115.基于 CIM 的新型智慧城市125.1.平台基本架构125.2.CIM 平台的应用优势136.结语191. 引言截至 2016 年，中 国城市化率已经达到了 57. 4% ，并且预计在未来将持续增长，年复合
3、增长率超过 1% ，在 2050 年将有望超过 80% 。随着城市化进程加快，城市面临的问题也逐渐增多，如何在城市管理过程中解决日益严峻的种种挑战，成为了政府首要考虑的问题，包括人口、医疗、交通、环保和资源短缺等挑战。智慧城市的出现就是为了给城市发展中遇到 的问题提供一个一体化的解决方案。据统计，在投 资了智慧科技和基础设施的城市中，失业率可以降低 1. 0% ，GDP 增长率提高 0. 7% ; 投资智能电网、科技、基础设施会使得当地办公用房比例提高 2. 5% ; 并 且 每 提 高 20% 的 ICTs ( Information and Communication Technologi
4、es，信息通信技术) 设施，该城市的 GDP 增长会提高 1. 0%1。美国、欧洲和日 本等国作为城镇化水平相对较高的先进发达国家， 早已相继开始了智慧城市的相关研究，并取得了一 定的进展。2012 年，住房和城乡建设部第一次提出要建设“智慧中国”。后来，随着实践的不断深入，针对城市建设中出现的一系列问题，相关部门在2016年政府工作报告中指出要建设“新型智慧城市”，即通过一个一体化的综合平台来解决信息孤岛和重 复建设的问题，面向不同的使用对象和不同的城市文化，建立具有特色的因地制宜的功能设置。城市信息模型( City Information Modeling，CIM)就是这样一个集成的、融合
5、的、包容并蓄的管理平台。CIM 平台是三维地理信息 系 统 ( Three Dimensional Geographic Information System，3DGIS) 、建筑信息模型( Building Information Modeling，BIM)的融合，既可以存储城市规模的海量信息，又可以 作为云平台提供协同工作与数据调阅功能; 同时如果和物联网、大数据挖掘、云计算等技术结合起来， 还能提供满足城市发展需求的集成性管理系统。2. 智慧城市理论2.1. 智慧城市的概念智慧城市( Smart City) 概念首次提出是在 20 世纪90 年代6，它被用于形容城市发展过程中的科技化、创
6、新化和全球化进程。在 2009 年，随着 IBM 提出“智慧地球( Smarter Planet) ”的概念，“智慧城市 ( Smart City) ”再次进入了公众的视野，它被定义为以“建立一个由新工具、新技术支持的涵盖政府、市民和商业组织的新城市生态系统”为核心的技术方案。在学界，由于智慧城市涉及到一个相对较广的概念，需要多学科交叉理解，所以并没有形成统一的概念。一些学者试图从智慧城市的功能来定义它，指出智慧城市需实现智慧经济、智慧政府、智慧市民、智慧出行、智慧生活和智慧环境等要素，只有他们充分协同，相互促进才能够实现智慧城市的建 设7，8。另外一部分学者则倾向于从技术角度来解 释智慧城市
7、的概念，他们强调先进信息技术和固有城市组成部分的结合问题，数据的交流和信息的存储与利用是他们首要关心的问题9，10。但这两种定 义方式并不是完全脱离的，如果浏览后者的研究文献，不难发现他们所提出的信息存储平台并不是智慧城市概念的终点，最终这样的技术设计还是落实到了具体的功能上。综合来看，可以将智慧城市解释为以实现智慧经济、智慧政府、智慧市民、智慧出行、智慧环境和智慧生活为目标，通过相关的先进信息技术，着重解决数据交流和信息存储与利用等问题，改善城市化进程中的各种问题的过程。2.2. 智慧城市的架构体系智慧城市的结构体系在经过多年的研究发展后，基本形成了从下而上的四级体系，分别是: 感知层、传输
8、层、数据处理层和应用层( 表 1) 。193. 从智慧城市到新型智慧城市3.1. 我国智慧城市的建设现状对于智慧城市建设的探索，国内主要经历了三个阶段: 探索阶段( 2012 年11 月 2014 年3 月) 、规范阶段( 2014 年3 月 2015 年12 月) 和新型智慧城市阶段( 2015 年 12 月至今) 。自 2012 年智慧城市相关政策出台以来，我国智慧城市建设事业开展得如火如荼，2018 年全国智慧城市的市场规模预计将达到 6504 亿元人民币，截至2016 年 6 月，全国 95% 的副省级以上城市和超过76% 的地级城市，共五百余座，提出或正在建设智慧城市。3.2. 新型
9、智慧城市纵观目前我国的智慧城市建设情况，虽然总体态势良好，但是仍然面临着以下问题：数据孤岛和重复建设: 由于建设智慧城市的数据量非常大而且信息很繁杂，许多领域的信息需要融合起来，而实现数据融合又需要相关科技、资金的支持，其商业价值还暂不明朗，导致数据融合缺乏动力。这也进一步导致不同部门之间要对某些共同的应用内容或数据模型进行重复建设，浪费大量人力物力;缺乏顶层规划: 鉴于每个城市实际情况不一， 建设特色不同，城市的各个部门的战略规划也有差异，导致我国智慧城市发展缺乏统一的总体规划， 为日后实现智慧城市群及智慧中国造成了困难;信息保护缺位: 智慧城市的建设势必要求居民、政府和企业之间的信息互通。
10、对于如何保护数据和控制网络安全风险，相关的政策措施和研究创新还需进一步发展;项目离散明显: 由于各个城市和各个部门的发展规划比较分散，智慧城市不同项目之间的离散趋势明显，我国智慧城市发展水平存在内部差距大、两极分化严重的现象。为打通传统智慧城市中的“信息烟囱”、“数据孤岛”，实现城市数据采集、共享和利用，建立统一的城市“数据大脑”，“十三五规划”指出要“以基础设施智能化、公共服务便利化、社会治理精细化为重点，充分运用现代信息技术和大数据，建设一批新型示范性智慧城市”。2016 年 11 月 22 日，国家发展改革委、中央网信办、国家标准委联合发布的关于组织开展新型智慧城市评价工作务实推动新型智
11、慧城市健康快速发展的通知指出“新型智慧城市是以创新引领城市发展转型、全面推进新一代信息通信技术与新型城镇化发展战略、深度融合并提高城市治理能力现代化水平、实现城市可持续发展的新路径、新模式、新形态为目标，同时落实国家新型城镇化发展战略，提升人民群众幸福感和满意度，促进城市发展方式转型升级的系统工程”。4. CIM的体系架构4.1. CIM的基本概念CIM( City Information Modeling，城市信息模型)概念是对 BIM 相似概念的延展，实际是将 BIM 的作用对象从建筑物( Building) 扩大到了城市( City) 。总的来说，CIM 就是将 BIM 的应用从建筑上扩
12、展开来22，到达了市政、城市规划和道桥等建筑业全领 域，将模型的规模从单个建筑或者一个项目群放大到了整个城市。香港科技大学 Jack C P Cheng 等人在 CIM 技术的综述文章中就将 CIM 定义为：“BIM 技术在非构筑物类设施项目中的应用23”。实际上，类似于 BIM，CIM 的定义实际有三重涵义:模型涵义: CIM 是包含城市所有设施物理特性和相关信息的数字模型;平台涵义: CIM 是一个可以存储、提取、更新和修改所有城市相关信息的数字化平台，相关部门可以在 CIM 平台上实现数据的共享和信息的传递， CIM 应该在城市化的全过程中发挥作用;行为涵义: CIM 是指将城市各种信息
13、收集、整理、存储并在规划、设计、分析、运维中提供决策支持的过程。4.2. CIM的核心技术CIM 作为一个可以存储、提取、更新和修改所有城市相关信息的数字化平台，需要完成数据采集、数据存储、协同平台、信息传递等多项功能。而要实现这些功能，就不仅仅是 BIM 技术单独作用可以达到的了，CIM 的核心技术涉及物联网( IoT) 、GIS、BIM 及其集成技术，他们分别在不同的阶段发挥作用，物联网是数据采集阶段的主要手段，通过城市中成百上千的感知系统来提取底层数据，为模型的建立服务; GIS 和 BIM 则在数据存储中产生作用，通过 GIS 和 BIM 的集成，形成一个可视化的信息存储、提取、交流平
14、台，是技术架构的重中之重，也是智慧城市等相关城市管理理念发展的技术需求。4.2.1. GIS 在 CIM 中的应用GIS( Geographic Information System，地理信息系统) 被定义为可以通过空间或地理坐标来处理数据的信息系统24，可以抓取、储存、修改、分析、管理和展示所有地理信息，GIS 中的信息可以用于城市规划、气象防灾、农业管理、统计分析、交通出行等多个方面。GIS 的定义可以分为两个部分，外在来说GIS 是一个城市的数字模型，内在来说 GIS 是承载了城市大量信息数据的平台。当把 GIS 作为一个软硬件支持下建立的城市数字模型来分析，从建模的角度来说，由于 GI
15、S 软件的通用 语 言 是 CityGML ( City Geography Markup Language) ，它有以下几个特点: ( 1 ) 采用绝对坐标系; ( 2 ) CityGML 的几何表达方式是边界描述 ( Boundary epresentation，B-ep) 。即当描述一个几何体的时候，这种几何表达方式是通过分别描述几何体的每个面来实现的。通俗的讲，GIS 的三维模型是面状的，而不是体状的，故而 GIS 不可以存储建筑物内部构件的具体信息; ( 3) 作为语义丰富的数据标准，CityGML 能够支持城市对象从 LoD0- LoD4( LoD 层级涵义如图 1 ) 共五个层次的细节建模25。这里可以理解为，当不断放大 GIS 模型的时候，模型能够自动载入更细节的信息，但是当不需 要细部信息的时候，模型又能以较为轻量的模式运 行。这个特点对于大规模的城市级信息存储有着至关重要的作用，也直接决定了 GIS 在 CIM 系统中作为基本载体。图 1 CityGML 语义特点当把 GIS 看作是承载了城市大量信息数据的集中体时，GIS 的信息又分为了几个不同的层级: 地形图影像图地下空间电子地图地名地址 框架要素经济人文信息( 图 2 ) 。其中地形图、影像图和地下空间共同构成了 GIS 的地理模型，而电子地图、地名地址、框架要素
