CIM论文 | 城市智能模型(CIM)的概念及发展
来源丨 《城市规划》期刊 2021年第45卷第4期
作者丨 吴志强 甘惟 臧伟 马春庆 周竣 何珍 周新刚
发布丨 CIM小编
城市智能模型(CIM)的概念及发展
本文字数：9519
【作者简介】
CIM概念缘起于2010年上海世博会的世博园区智能模型(campusintelligentmodel)。当时，针对上海世博园区256个场馆，提交到总规划师办公室的不同国家的设计方案及其采用的不同软件，造成无法合一的状况，作为上海世博园区的总规划师，笔者(吴志强)于2005年提出，所有提交的设计方案必须采用统一的BIM(buildinginformationmodel)标准，并由总规划师办公室提出研发可以承载单体建筑设计的CIM的计划。在担任上海世博园区总规划师期间，笔者(吴志强)提出的“城市是一个生命体(citybeing)，智慧的城市应当是可感知、可判断、可反应、可学习的”的观点，成为CIM研制的出发点①。
笔者团队(以下简称“团队”)于2006年底完成了第一个CIM平台的研制(详见下文4.1节)，并获得了上海市科委智能世博的科技立项。2007年初，上海世博园区智能模型平台进入了实际运行阶段，成为各国提交的上海世博园场馆方案的审批和检验平台。上海世博园区智能模型平台(CIM)，拥有以下几大功能：
(1)可以建立5.28k㎡园区规划范围内的所有自然要素的底板，包括河流、地质、表土质量、风流、风向、气候等；
2010年上海世博会后，上海世博园区智能模型平台的总体架构被扩展到上海城市和城区范围，加载了多个城市主管部门的要素。
“数字孪生”(digitaltwins)最早从工业生产领域产生②，而“数字孪生城市”(digitaltwinscity)的概念首次在雄安新区规划中提出，是将物理世界的数字化映射，通过将人、车、物、空间等城市数据全域覆盖，形成可视、可控、可管的数字孪生城市。数字孪生城市的应用研究有望取得突破，它能够建立一个与城市物理实体几乎一样的“城市数字孪生体”，打通物理城市和数字城市之间的实时连接和动态反馈，通过对统一数据的分析来跟踪识别城市动态变化，使城市规划与管理更加契合城市发展规律[2]。
相比于“数字孪生”的概念，本文提出的CIM有以下不同内涵。
随着建筑行业信息化逐步成熟，BIM(建筑信息模型)③、GIS(地理信息系统)④与IoT(物联网)⑤技术得到广泛应用，与之相关联的CIM成为社会各界多个领域的技术共识。根据各技术的建构逻辑及特点，CIM与上述三类技术的关系可描述为以下几点。
(1)实时联动的大数据库，包括：反映真实现状的数据，如遥感影像、行政区划、城市功能、基础设施、建设项目等；反映未来发展愿景的数据，如概念规划、国土空间规划、详细规划、专项规划等；反映发展动态过程的数据，如规划建设项目审批、实时监测数据等。
(2)以43项计算模块的创制构成CIM的核心，通过调用数据库中的数据，对园区日照、资源消耗、公共服务覆盖、交通可达、灾害风险等进行计算，及时发现并处理发展过程中的潜在问题，并通过大数据的智能模拟、迭代，优化城市规划设计方案。
(3)精准服务用户需求的应用端，将城市发展的痛点以及用户关切的问题与计算模块匹配，并将数据及计算结果直接呈现给用户，以满足不同主体在城市规划、建设和管理中的实际需要，推动城市生活走向更美好。
尽管CIM平台通常以软件的形式呈现，但是保障CIM系统研制、运行、迭代不只是由软件完成，软件技术无法独立构成CIM或发挥其价值，体现在：
(1)CIM系统的研发应由需求驱动，而非软件技术驱动。国内外CIM平台的研发反映出一个普遍的规律，即，设计者对城市需求的认知和理解能力，直接决定了平台的价值。由软件公司主导开发的CIM系统，往往由于和城市发展需求脱节而难见成效。因此，针对特定城市的CIM系统研制，其架构设计应由理解城市发展规律和城市人民需求的规划专业技术人员总领完成。以需求驱动CIM研制，在研发过程中将城市里的人放在首位，把握人的需求和渴望，在此基础上推动城市规划、设计、建设、管理过程的智能化[5]。
(2)CIM是一项系统工程，在软件平台的研发之外，还应包括硬件设备、物理环境的建设，以及网络与外部感知系统三个重要组成部分(图2)。例如，目前已完成建设的青岛中德未来城CIM中枢，部署了包括控制中心、数据中心、能源中心和后台保障系统在内的一体化系统⑥，共同支撑CIM服务于园区主管领导的统筹指挥和资源调度，以及不同管理部门的协同工作。即便在断电情况下，CIM中枢仍可持续保障1个月的运行(图3)。将CIM作为一个软硬件联动、人机交互的系统工程来统筹设计，是CIM建设的必要前提。
城市规划依托智能技术可大规模感知城市、认知城市、发现城市规律，智能模型的发展，为城市规划提供了理想导向、问题导向以外的第三种规划思路：以城市规律导向编制城市规划[6]。团队自2006年创立了初代CIM以来，历经四代演进，逐步集成城市多要素动态感知、全生命周期联动、多系统智能更新、规划设计自主迭代等关键技术，形成集聚智慧支撑科学决策的城市中枢(citypivot)(表1)。从总体上看，CIM技术以模型驱动城市生命规律的大规模感知、判断、反应、学习，体现了融入永续理性思想的规划工具变革的发展路径[7]。
团队于2006年底完成的上海世博园区智能模型系统，是一种支持三维仿真可视化的园区决策与管理平台，即初代CIM。在2010年上海世博会的规划实践中，基于CIM平台完成了对上海世博会人流分布的预测，及对园区重大场馆规划布局方案的优化。当时的CIM设计目标，是建构一个针对园区大规模参观人流⑦分布的模拟、评价与优化平台(图4)。针对超大人流的安全压力，这种全信息智能模型开创了大规模人流分布预测应用于城市规划的先河，提前避免了事故风险，是城市规划领域成功应用智能规划技术的一项重要实践[8]。
第二代CIM系统于2012年完成研制。在前文提及的“城市中枢”概念中，以其构成要素“大脑”的决策与运营两大功能作为主要架构理念，开发了“智慧城镇数据平台系统CIM2.0”，或称“市长决策桌”。相比于初代CIM，CIM2.0版本承担了城市大脑的职能，即，以面向市长决策指挥为目标，通过更加人性化的交互形式，在一张“桌子”上实现了发展业绩、资源统筹、向上联络、意见汇聚、城市安全、日常管理、重大项目、案例剖析八大功能的统筹，完成了针对城市发展关键信息的监控预警和辅助决策(图5)⑧。
2015年以来，智能模型(intelligentmodel)的大规模导入推进了CIM的快速发展。其价值在于，决策者和规划师可以通过对复杂城市数据的计算来预判城市未来发展的情景，相比于在传统决策过程中依靠经验的方法，CIM更能够发挥科学辅助的作用，这一特征是城市规划、建设、运行、管理智能化转型的一个重要体现。团队于2016年在北京城市副中心总体城市设计工作中完成CIM3.0系统的原型研制。首次覆盖155k㎡规划范围的大规模城市三维场景(图6)，不仅可以在三维仿真模型中记录真实的城市时空数据，还可以针对设计方案即时获取任意区域的天气、人口成分、人流汇聚规模和速度、建筑高度、建筑材料等详细数据，实现对大规模多维度数据的精准预测[6]，辅助设计师对设计方案的评估与优化，为设计方案审核与城市发展决策提供平台支撑。该系统于2017年完成一期开发并发布。
团队于2020年为青岛中德未来城CIM4.0系统升级总体架构，完成了针对CBDB、计算模块以及智能诊断服务系统的优化：系统支持与园区物联网设备、后台系统的实时联动，通过应用系统为园区管理决策提供信息服务。以软件、硬件、环境、网络联动的模式建设CIM系统，破解了规划方案的因地制宜、实效模拟、安全评价等技术难题，初步实现了城市各系统的智能化[9]。
“新型基础设施建设”的概念在2018年中央经济工作会议中就已经提出，到2020年成为国家战略重点领域。笔者(吴志强)认为，“智能基建”是新基建的重要特征，核心宗旨在于关注人民生活，让城市生活更美好。新基建支撑美好生活的核心在于支撑城市建设、城市空间、城市生活，以及城市未来社会的智能化[13]。作为支撑城市空间治理的信息平台，CIM本身就是新基建的一个重要构成，而新基建也为CIM提供了“神经系统及其末梢”。未来CIM的发展融入国家新基建的总布局，针对“现有基础设施的智能化、未来智能技术的基础设施化”，在CIM系统中实现涵盖能源、水务、交通、物流等多个城市基础设施的智能升级，并为下一代信息基础设施提供新的平台、新的载体，促进经济创新发展，创造新的社会生活[14]。
(感谢上海鲁班软件有限公司的杨宝明、戴文琪、邵君兰及其他工程技术人员对笔者团队CIM系统研制工作的参与和大力支持！)
注释:
①详见：从BIM到CIM—吴志强谈智慧城市.http://www.pinlue.com/article/2019/03/2304/378333461221.html。
②“数字孪生”的思想可以追溯到美国密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯(MichaelGrieves)命名的“信息镜像模型”(informationmirroringmodel)。数字孪生也被称为数字双胞胎或数字化映射，是指充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
③建筑信息模型，英文为buildinginformationmodel(BIM)。其概念由美国乔治亚理工大学教授查克·伊斯曼(ChuckEastma)于1975年提出并逐步发展，经欧特克、本特利(Autodesk、Bentley)等多家公司相关产品的推广，在全球范围内得到了广泛认可。其较公认的概念定义是美国国家BIM标准(NBIMS)的定义，由三部分组成：(1)BIM是一个设施(建设项目)物理和功能特性的数字表达；(2)BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；(3)在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。BIM技术的国产化正在成为我国建设行业信息化发展的一个重要趋势。
④地理信息系统，英文为geographicinformationsystem(GIS)。1963年，加拿大测量学家罗杰·汤姆林森(RogerTomlinson)首先提出了GIS术语，并建成世界上第一个GIS(加拿大地理信息系统CGIS)，用于自然资源的管理和规划。地理信息系统是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
⑤物联网，英文为internetofthings(IoT)。1995年比尔·盖茨在其所著《未来之路》中就提及了物联网。该技术由1999年美国麻省理工学院提出的网络无线射频识别(RFID)系统发展而来。物联网技术以“万物相连的互联网”为基本理念，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成一个巨大的网络，从而实现人、机、物的时空互联。
⑥青岛中德未来城CIM中枢总建筑面积337㎡，包括：(1)控制中心建筑面积192㎡，拥有包括72块屏幕构成的主屏幕，配备7个工位和1个主控制台，展示平台配置有触控屏和交互后台系统；(2)数据中心建筑面积113㎡，包括冷通道、列间空调、UPS、配电柜、监控安防、气体消防等设备，支持海量数据存储；(3)能源中心建筑面积32㎡，具备市电接入，并配备电池系统，可支持断电运行1个月；(4)后台保障系统，主要负责CIM中枢的安全维护。
⑦预测情景包括了园区日游客量达到40万、60万、80万、100万人次的情景。
⑧详见：黄辛，黄艾娇.同济推出世界首台“智能市长桌”.中国科学报，2014-10-23(6).http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/10/305918.shtm。
⑨AI2.0，即基于重大变化的信息新环境和发展新目标的新一代人工智能，主要包括大数据智能、互联网群体智能、跨媒体智能、人机混合增强智能、自主智能系统。
⑩城市“迷走神经系统”的构建与应用，反映在社会生活中的典型形式包括社交网络和虚拟社群、用户点对点的手机APP智能应用以及针对大量用户数据可以精准推送的智能服务等。
参考文献:
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