CIM论文 │ 基于CIM平台的城市系统仿真研究——以中芬低碳生态示范城南京市南部新城为例
来源丨 《中国建设信息化》2023.16
基于CIM平台的城市系统仿真研究
——以中芬低碳生态示范城南京市南部新城为例
万碧玉 马蓉 杜青峰 马云桥 何非 杨锋
【摘要】南京市南部新城是南京市重要的新城区之一，本文主要运用基于CIM平台的城市系统仿真（CSS：City System Simulation）技术对南部新城的规划建设进行深入研究和探索，通过对城市的CIM数据搭建分析，提出了一些科学、合理的城市规划和数据治理方法，总结了基于CIM平台的城市仿真模型的应用前景和未来的研究方向。
【关键词】CIM；城市仿真；南部新城；规划建设
【基金资助】1.国家科技部重点研发计划：国家质量基础设施体系专项，城市可持续发展国际标准研究（一期）。任务名称：智慧城市基础设施领域国际标准研究；课题编号：2021YFF0601602。
2.国家科技部重点研发计划：“一带一路”共建国家绿色建筑技术和标准研发与应用。任务名称：绿色建筑评价认证国际合作机制研究。项目编号：2020YFE0200300。
3.南京市南部新城基于CIM平台的数字孪生城市建设研究服务。
【中图分类号】TU984；TP311.1
【文献标识码】A
随着经济的发展，城市化进程加速，城市规划和管理的问题越来越受到人们的重视。CIM（City Information Modeling）的核心技术涉及BIM、3DGIS、IoT及其集成技术，他们分别在不同的阶段发挥作用，其中IoT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。
基于城市级别的信息建模技术，可以将城市内的各种信息进行可视化和综合分析，支持城市规划和管理的决策。本文旨在通过运用基于CIM平台的城市系统仿真研究，对南京市南部新城的规划建设进行深入研究，并提出一些科学、合理的城市规划和管理建议，以推动南部新城的可持续发展。
南京南部新城位于南京市主城南部，以南京南站为中心，北起秦淮河、运粮河至南京绕城公路，西起南河、接秦淮新河、沿机场二通道接宁丹公路，南至绕越高速，东至宁杭高速，总用地面积164平方公里，规划人口约160万。
推进中芬低碳生态示范城。2015年9月，在住房和城乡建设部、芬兰驻华大使馆、中国城市科学研究会、江苏省住建厅的大力支持下，南部新城正式获批成为中芬低碳生态试点示范城市。2016年启动了中芬交流中心项目作为中芬低碳生态试点的重要载体。
中芬低碳生态试点受到两国政府高度重视，2017年6月27日下午，时任国务院总理李克强在大连国宾馆同来华出席2017年夏季达沃斯论坛的芬兰总理西比莱举行会谈。会谈后，在两国总理共同见证下，芬兰驻华大使马寰雅女士代表芬兰环境部和南京市副市长黄澜共同签署了“南京市人民政府与芬兰环境部关于南京市南部新城低碳生态合作谅解备忘录”等多份双边合作文件，标志着中芬双方在建设行业以及清洁技术领域达成相关合作共识。
江苏省绿色建筑和生态城区区域集成示范。以获批“江苏省绿色建筑和生态城区区域集成示范”为契机，根据《江苏省省级节能减排（建筑节能和建筑产业现代化）专项引导资金管理暂行办法》（苏财规〔2015〕11号），贯彻落实绿色生态规划理念、技术方案、创新成果和管理模式，统筹规划、建设、管理、运营等环节，通过示范项目建设，将南部新城打造成低碳生态示范区。
江苏省综合管廊试点。积极响应江苏省综合管廊试点的要求，根据南部新城“小街区、高强度”的开发特点，科学构建以干、支结合综合管廊为支撑、缆线管廊为建设重点的管廊体系，实现市政管线的集约化、现代化和智慧化发展，提升管线安全水平和城市防灾抗灾能力，建成具有国内高水平的地下综合管廊系统。
南京市南部新城开发建设管理委员会于2018年7月（以下简称“管委会”）正式启动《南部新城智慧城市顶层设计》（以下简称“《顶层设计》”）编制工作。在《顶层设计》编制过程中，管委会先后对河北雄安新区、深圳前海新区等BIM/CIM建设先行先试地区进行了调研和对标，明确了南部新城智慧城市以“数字孪生智能新城”为战略发展定位。其中数字指的是基础设施全面感知，构建综合信息传输网络，建设各类数据库、提供数据服务；孪生指的是基于BIM+GIS+IOT的规划建设运营管理一体化，构建虚实结合的孪生城市，打通规划、建造、管理的数据壁垒，实现各类建工程项目规、建、管、用一体化；智能指的是运行监测预警、综合分析研判和辅助决策，为基础设施、城市运营管理、事件处理提供支撑；新城指的是贯彻新型智慧城市、数字中国、智慧社会发展理念，打造“智能新城”标杆示范。在这样的定位中，CIM作为南部新城智慧城市建设的核心平台，发挥着承上启下的关键作用。同年12月管委会组织召开了《顶层设计》专家评审会，包括中国城市科学研究会智慧城市联合实验室首席科学家万碧玉、南京市信息中心副主任杜葵等7位专家对基于CIM进行南部新城智慧城市建设的思路予以高度评价。
遵循住房和城乡建设部、南京市规划和自然资源局及南京市城乡建设委员会牵头制定的BIM标准体系、CIM标准体系的框架，制定符合南部新城应用特色的工程建设项目设计、施工、运维应用的技术标准和规范。梳理城市基础设施数据资源目录，编制城市基础设施编码标准，制定市政基础模型命名规则。基于实地调研，在梳理城市信息模型核心要素基础之上，梳理包括基础地理数据、三维数据、城市规划数据、城市建设数据、城市运管数据、物联网感知数据六大类CIM基础数据资源目录。
基于CIM平台在微－中－宏观等支撑能力，结合城市管理与分析应用需求，对常见的模拟与分析需求，提供一站式的解决方案。充分利用BIM的可模拟性，结合二维地图、三维模型等数据，实现疏散模拟、淹没模拟等数据模拟分析功能，通过仿真的事前分析与模拟，协助各项决策。
物联网平台主要包括适配管理系统、设备管理系统、物联数据管理系统和统一服务系统等4个模块建设内容。
数据中台主要包括数据采集、资源目录、共享交换、数据治理、数据处理、数据分析和数据服务等7个模块建设内容。根据数据结构的不同，数据采集平台提供对各类数据类型的采集适配，从而实现南部新城内外数据资源、省市级统建平台数据资源及社会数据资源的全面采集。
仿真计算的核心算法中采用一个基于有限体积法（Simple Foam），用于求解稳态不可压缩牛顿流体N-S方程的求解器。在Simple Foam中，压力和速度的耦合通过SIMPLE/SIMPLEC算法进行计算，且没有考虑其他体积力（如重力等）。类似于ico Foam，Simple Foam可用于理解压力速度耦合的框架策略。对于流场内温度变化较大，但可忽略浮力以及重力的可压缩稳态求解器，可选用rho Simple Foam。
首先有稳态的N-S方程：
(1)▽.U=0,
(2)▽.(UU)-▽.(ν▽U)=▽p,
首先，需要对方程（2）做体积积分并隐性离散：
(3)∫▽.(UU)dV=∫ UUdS=∑(UnU*)fSf=∑(FfnUf*),
(4)∫▽.(ν▽U)dV=∫ν▽U.dS=∑(ν▽U*)f.Sf=∑ν(▽U*)f.Sf
Open FOAM中的动量预测步主要是为了组建稀疏线性系统。
以上算法是城市仿真的基础，城市仿真离不开城市时空数据、城市基础设施数据、物联感知数据以及城市运营管理过程中的相关业务数据的支撑。
因此，南部新城以建设CIM平台为基础，同时建设物联网平台和数据中台，三者融合联通，全时全量汇聚CIM数据、物联感知数据以及城市运营管理过程中的相关业务数据，可以分层次、分尺度呈现物理城市运行的全貌，包括城市建筑物、交通道路、植被、水系、城市部件、管线等全要素静态地理实体，以及人、车辆、终端、各类组织等城市动态变化的各类主体，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，消除城市规划、建设、运行、管理、服务的随机不确定性，全面提升城市综合运营智能决策能力，最终实现南部新城智慧城市“智能新城”的战略发展目标。
数据是城市仿真的基础和前提，城市仿真离不开城市时空数据、城市基础设施数据、物联感知数据以及城市运营管理过程中的相关业务数据的支撑。但目前城市CIM数据、物联感知数据以及城市运营管理过程中的相关业务数据类型多样、分散、滞后、质量不高等问题普遍存在，亟须通过相关数据平台建设，实现各类数据的统一采集、管理和服务，这样才能很好地支撑城市仿真。
南部新城以建设CIM平台为基础，同时建设物联网平台和数据中台，三者融合联通，全时全量汇聚CIM数据、物联感知数据以及城市运营管理过程中的相关业务数据，可以呈现物理城市运行的全貌，包括城市建筑物、交通道路、植被、水系、城市部件、管线等全要素静态地理实体，以及人、车辆、终端、各类组织等城市动态变化的各类主体，实现城市的模拟、监控、诊断、预测和控制，消除城市规划、建设、运行、管理、服务的随机不确定性，全面提升城市综合运营智能决策能力，最终实现南部新城智慧城市“智能新城”的战略发展目标。
图1 基于CIM平台的城市仿真概念图
利用物联感知设备对南部新城市政基础设施进行智能化升级改造，实现对南部新城全域市政基础设施运行状态实时监测预警。（1）城市部件设施。在井盖上安装水位、水浸等监测设备共286个，实时掌握井盖运行状态和井下液位信息；在灯杆上挂载监控设备、气象监测、环境监测等设备共300个，实时掌握道路车辆、气象变化、环境质量信息；在垃圾箱上安装温湿度、满溢监测等设备共180个，实时掌握垃圾箱温湿度、满溢情况。（2）市容环卫设施。对城区范围内24辆环卫车辆安装GPS定位系统，为43名环卫人员提供带有GPS定位和实时报警功能的胸牌，实时掌握车辆、人员实时位置及运行轨迹。（3）绿化园林设施。为园林养护人员配发智能工卡，实时掌握人员位置信息；在园林养护作业车辆上安装车载定位设备，掌握车辆实时位置及运行轨迹；部署小型气象站点，实时监测绿化园林的气象变化、空气质量情况；安装土壤传感器，实时监测植物生长的土壤环境；在园林养护项目的重点区域安装远程视频监控设备，实时掌握重点区域养护情况。（4）河道水务设施。在城区主要河段建设泵站，安装水位、水质、流量监测设备，以及雨量计等设备共72个，实时掌握主要河道水情、水质、流速、流量信息。（5）综合管廊设施。在管廊内安装环境监测、风机监测、防火监测、供电监控、排水监控等设备共1610个，对管廊运行状态进行实时监控。（6）智慧停车设施。在南部新城城区范围内部署智慧停车基础设施和管理系统，实时掌握区域内整体停车态势、各停车场运营管理情况以及接入系统的各停车位工作状态信息，实现区域内的智慧化停车管理。
基于南部新城CIM平台，建设了南部新城智慧管养系统，统筹市政设施、市容环境、园林绿化、河道水务、综合管廊等领域运行信息，打造管养一张图，以三维可视化方式全面展示南部新城全域市政基础设施的运行状态，对市政基础设施运行状态异常情况进行实时告警。
南部新城智慧管养系统通过接入管养生产作业过程中发现的事件、巡检过程中上报的事件、物联感知设施自动发现的事件等多渠道来源事件，将事件统一分拨至事件处置部门（单位）及负责人。事件处置完成后，系统指派特定人员对事件处置情况进行复核，形成事件闭环管理。
出台《南部新城“一网统管”三年行动计划》
在《南京市城市“一网统管”三年行动计划》的总体要求和指导下，根据南部新城特点和实际需求，制定了南部新城“一网统管”三年行动计划，结合管委会职能设计了各项智慧应用的实施路径、重点任务、保障措施。
参考国家、省、市、行业相关标准规范，结合南部新城特点，研究制定南部新城CIM标准，规范设计BIM、施工BIM、运维BIM等阶段的建筑信息模型数据编码，约束规划、设计、施工、竣工验收阶段的建筑信息模型交付质量，形成一套契合南部新城特点，同时又与上层标准保持衔接的CIM标准。
在标准规范引导下，南部新城建设以CIM为核心的数字底座，归集业务数据、基础地理数据、三维模型数据、倾斜摄影数据、BIM模型数据、物联感知数据，实现南部新城智慧城市连续实时的数据呈现，实现从“物理世界”向“数字世界”的映射，具备支撑从宏观到微观、静态到动态的各类业务场景建设的能力。
根据南部新城管委会在规划设计、工程建设、运营管理三个方面的工作需要，利用数据和平台能力为城市规划赋能、为施工建设赋能、为运营管理赋能。
南部新城以具体工地精细化管理为着眼点，针对工地“人、机、料、法、环”五大要素运行状态，建设了智慧工地监管系统，再以区域整体管控为目标，拓展了智慧工地监管系统的功能应用。
南部新城以全民健身中心项目为试点，推进BIM技术应用。通过图纸审查，管料计算，可视化技术交底，项目进度、安全和质量管控，支撑项目验收，全过程指导工程项目施工。
南部新城中芬合作交流中心项目在建设过程中使用了地坪施工机器人（激光整平机器人、抹平机器人和抹光机器人）和测量验收机器人，有效提升了该项目的施工效率。使用激光整平机器人对地坪进行定位检查，实现地坪的摊铺、压面；使用抹平机器人对大面积场地进行提浆、收面和压面作业，大大节省了人工成本；使用抹光机器人对地面进行反复抛光，进一步推进了施工作业的标准化和精细化；使用自行走测量机器人测量房间相关数据并提供测量数据报表，有效支撑了房间项目验收工作。
图2 项目技术路线
对南部新城CIM标准规范进行研究，研究成果对于指导南部新城以及同量级的新区、新城CIM建设过程中数据资源体系的构建具有重要的指导意义。
其次，对南部新城CIM基础数据建设进行研究，形成一整套完整的CIM基础数据资源目录，为CIM平台建设提供数据支撑。
最后，对南部新城CIM平台、物联网平台和数据中台功能需求、总体架构设计等进行研究，为南部新城CIM平台、物联网平台和数据中台建设及应用提供了重要依据，从而更好地推进南部新城城市仿真。同时，也为国内同量级的新区、新城开展基于CIM平台的城市仿真提供经验与思路，起到一定的示范效果，提升南部新城城市知名度。
在未来发展中，基于CIM平台的城市仿真模型可以为城市规划提供重要依据，例如交通流量仿真、建筑物能源模拟、社区规划等。通过这些工具可以预测城市规划方案的影响，制定出最具可行性的城市规划方案。基于CIM平台的城市仿真模型可以得出城市内部的污染物扩散和排放情况，帮助政府和相关部门制定相应的对策。可以通过分析城市交通状况、燃气废弃物、工业污水等，掌握城市环保情况，及时调整城市环保政策。CIM平台为城市的数字化转型提供了一种全新的思路，可以通过互联网和物联网技术，将城市内部各种资源进行集成、整合和智能控制，从而对城市管理进行优化。基于CIM平台的城市仿真模型可以对城市各种自然、人为灾害进行仿真，制定应急预案和调度策略。例如，通过模拟城市内部交通流量的情况，可以快速找到应急车辆的最佳路线，提高应急处置效率。通过深度学习技术的应用，可以使城市仿真模型更加真实且可靠，为城市规划等领域提供更多的技术支持。在现有的城市仿真模型中，不同类型的数据来源、不同形式的数据存在着差异性，需要进行多维度数据的融合。通过数据融合技术，可以使得城市仿真模型更加全面和精准。通过人工智能算法的应用，城市仿真模型可以进行更加智能化的分析和预测，为城市规划、交通调度、环保治理等领域提供更加完美的解决方案。城市仿真模型的复杂性一般很高，需要借助分布式计算模式才能达到较高的仿真精度。因此，未来的研究方向之一就是建立基于分布式计算的城市仿真模型。
[1]《江苏省省级节能减排（建筑节能和建筑产业现代化）专项引导资金管理暂行办法》
[2]《国民经济和社会发展第十四个五年规划纲要和2035年远景目标》
[3]《“十四五”国家信息化规划》
[4]《南部新城智慧城市顶层设计》
[5]《南京市城市“一网统管”三年行动计划》
