CIM论文 │ 基于CIM的车城网平台架构体系及能力研究

21世纪以来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的快速崛起并日趋成熟，智能化成为了现代人类文明发展的趋势，也逐渐成为社会各行各业发展的主题[1]。当前智能化技术正在全方位渗透进社会生活的各个角落，尤其是智慧城市和智能网联汽车，更是智能化发展的重点领域。汽车发展方面，正在从传统的交通运输工具转变为新型的智能出行载体，其智能化转型将有效提高交通效率、节省资源、减少污染、降低事故发生率[2]。城市建设方面，在数字化、网络化、智能化的大趋势下，智慧城市建设将成为推动城市治理体系和治理能力现代化的重要途径。

随着智能化水平的不断提高，城市和汽车在智能化上形成了协同交点，汽车正在成为城市智能化最重要的应用场景，城市也将成为汽车智能化最重要的依托力量。一方面，无人驾驶汽车受制于技术安全性和过高的成本，只有依靠城市基础设施提供信息服务，才能进一步提高安全性，并通过单车减配和规模效应降低成本。另一方面，智慧城市的建设和发展也需要以智能网联汽车发展为切入点和驱动力，通过采集车辆动态信息实现更全面的数字孪生和更智慧的城市服务[3,4]。因此智慧城市和智能网联汽车需要在基础设施、城市平台、应用场景等方面实现最大化的协同，车城融合发展成为了产业化的必由之路。

在这样的现实背景和发展需求下，国家“十四五”规划明确提出要“分级分类推进新型智慧城市建设”“完善城市信息模型平台”“探索建设数字孪生城市”，住房和城乡建设部等相关部委也先后开展城市信息模型、新型城市基础设施建设、智慧城市基础设施与智能网联汽车协同发展等试点。广州市基于城市信息模型打造数字孪生城市“三维数字底板”，推动建设车城互联的“车城网”平台，探索车城融合发展的有效路径，不断拓展和提升广州市平台治理体系和效能[5]。

1.1

车城网的内涵

车城网建设是综合运用5G、大数据、人工智能技术，通过对汽车产业、城建产业、信息技术产业等产业体系进行升级，推动原来相对隔离的产业协同发展的复合型先导示范工程。这本质上是从传统基建到数字基建的转型升级，包括城市智能基础设施、智能网联汽车、支撑与服务、车城网平台、场景应用等建设内容：城市智能基础设施是指服务于智能网联汽车和智慧城市运行而协同建设的各种感知、通信、计算、定位、能源类设施设备；智能网联汽车是具备环境感知、智能决策和自动控制，或与外界信息交互，乃至协同控制功能的汽车；支撑与服务包括管线配套、供电设施、云计算等内容；车城网平台是基于智能基础设施与智能网联汽车协同交互信息赋能应用的核心能力平台，旨在打造集城市动态静态数据于一体的智慧出行平台[6,7]；场景应用是指基于车城网设施和平台能力开发并向社会主体提供的多类型、智慧化服务。

1.2

车城网研究现状

关于汽车的智能化发展，虽然国内外技术路线存在一定差异，但目标保持一致，即通过先进的感知、通信、控制、交互技术促进汽车驾驶方式的变革，提供智能化、便捷化、个性化的驾乘体验，实现交通资源优化配置、交通安全显著提升。

国外包括美国、日本、欧盟在内的主要发达国家和地区，已制定多项战略支持汽车的智能化发展。“聪明”的车发展方面：美国多地已通过立法对自动驾驶进行监管，并制定一系列发展规划进行支持；日本、欧盟通过修订法律对自动驾驶车辆量产准入进行支持；美国、日本、德国、英国等多个国家已有自动驾驶实践落地。“智慧”的路建设方面：美国在车路协同的理念、技术上具有先发优势，已开展多个研究项目支持汽车网联化技术发展；日本致力于推广部署ETC2.0系统，通过智能交通系统实现车路信息交互；欧盟大力发展基于DSRC（专用短距离通信技术）的网联自动驾驶[8]。

国内也在大力发展智能汽车，抢占汽车产业弯道超车的先机。北京、上海、广州、深圳等16个城市获批为“双智”试点城市，开展智能基础设施和新型网络设施建设，探索车城网平台建设和应用，完善相关标准规范。深圳、无锡率先制定地方法规支持智能汽车发展，北京、上海、广州、武汉大力支持自动驾驶汽车商业化试运营。汽车主机厂、造车新势力、自动驾驶解决方案提供商、智能基础设施提供商、应用服务商纷纷进场，国内智能汽车产业发展要素日益健全，大有后来居上的趋势。

1.3

存在问题及解决思路

1.3.1 存在问题

当前，智慧城市产业如火如荼，智能汽车产业方兴未艾，旨在协同发展智慧城市和智能汽车的车城网相关研究也日益增多，但多数采取建设完全独立的车城网或车联网平台的方式，这样会导致以下问题：一是数据类型不丰富。车城网平台功能的发挥需要整合交通主体、市政设施、城市建筑等多种数据，独立平台的数据丰富度不足，深化应用能力不足。二是展示交互不直观。车城网平台一般不支持在整体的城市框架中展示交互。三是协同建设不深入。车城协同发展需要在基础设施、平台功能、场景应用等全方面深度协同，独立平台的架构不利于在平台和应用层面上的协同。四是平台体系不完善。车城运行涉及交警、交通、城管、工信等多个部门，独立平台与其他平台联系不密切，造成管理上的割裂。

1.3.2 解决思路

本文提炼广州市车城网建设实践经验，提出基于城市信息模型（CIM）的车城网平台架构体系，依托CIM基础平台多源异构数据汇聚能力，整合更丰富的设施设备和管理数据，并提供三维数字孪生实时交互能力，实现平台和应用层面上的深度协同，有效健全现有平台治理体系。其中，第1节介绍车城网内涵及相关研究情况，第2节介绍平台架构体系和逻辑，第3节分析平台能力和作用，第4节给出平台能力提升建议，最后总结得出结论。

2.1

搭建基于CIM的车城网平台总体框架

基于CIM基础平台构建车城网平台，总体建设架构如图1所示：CIM基础平台提供了统一的城市空间信息和政务服务数据，规范空间数据接入标准，与车城网平台建立双向数据通路，支撑车城融合应用的统一呈现；车城网平台基于CIM基础平台提供的数据和服务，通过接入适配器与基础设施、车载终端开展对接，实现城市各部件的数字孪生，同时开放数据接口，按需与外部第三方平台开展规范对接，向各类城市应用赋能。

其中，车城网平台包括应用开发平台、城市运行平台、城市数据平台、城市基础服务平台等，其上可以支持多个智慧城市应用，是城市提供车路协同、智慧交通、智能出行、智能停车、城建规划等服务的软件底座。平台内部架构如图2所示。

（1）城市运行平台：该平台是面向应用的开放PaaS平台，支持多租户，为所有开发者提供横跨云、边、端三层的应用部署、运行和监控功能，以及多种托管服务，为统一运维支撑奠定基础。

（2）城市数据平台：提供数据集成、数据治理、数据存储、大数据计算、算法库、数据模型以及应用SDK等能力，全面汇聚城市运行数据，通过整合、清洗、组织等一系列处理，产生可信和可用的信息，用来驱动城市的运营，以及各种智能应用。

（3）城市基础服务平台：由一系列支撑各种智慧城市应用需要的开放服务组成，包括物联网服务和数字孪生服务、城市信息模型服务、地理信息服务等。

（4）车城网应用开发平台：提供分布式应用平台、开发框架和服务、应用体验环境、开发协同和DevOps等应用开发功能，以及与车城网基础平台的无缝集成，让开发者能够便捷、灵活地开发和运行各种智慧应用。

2.2

基于CIM进行车城网平台建设的逻辑

2.2.1 CIM平台对车城网平台具有支撑作用

提供立体空间数据支撑。在车路协同、仿真服务、停车信息服务等动静态交通应用场景的构建中，CIM平台的三维地形及白模、城市重点区域现状精细三维模型数据提供了对交通环境延伸区域的精准表达，对于了解微观路口交通状态、研判交通参与者行为模式、构建自动驾驶开放道路应用案例具有基础支撑作用。

提供城市管理数据支撑。“四标四实”（标准作业图、标准建筑物编码、标准地址库、标准基础网格、实有人口、实有房屋、实有单位、实有设施）等城市基础要素现状数据，通过CIM平台服务的形式，为车城网智慧出行、智慧停车应用提供精确的数据和服务支撑。

提供关键技术服务支撑。车城网平台应用功能的实现直接受益于CIM平台研发的高效CIM引擎、高逼真可视化渲染技术等关键技术，在此基础上通过对车路协同业务及其关联基础设施的接入管理，形成数据融合汇聚规范，构造统一应用服务接口，并通过CIM平台实现上层应用的实时状态呈现、指标构建展示、互动响应逻辑。

2.2.2 车城网平台对CIM平台具有完善作用

完善动静态全要素信息。CIM基础平台汇聚全市建筑工程、市政工程、地形地貌的三维模型等静态要素信息以及“四标四实”城市基础要素现状数据，初步搭建了城市数字底板，但缺少城市的动态要素信息。车城网平台充分考虑CIM基础平台能力，和现有政务平台数据，基于构建的超大城市数字底板，实时接入交通、市政、车辆、行人等动态要素信息，实现城市运行动静态信息的全面汇聚融合，跨行业、跨应用打通了从数据接入到数据赋能的流转路径，为满足不同实时性、不同用户层次应用业务的开发和使用需求打好基础。同时也引入高精度地图、高实时性道路环境状态感知数据等车城网特有的数据集，通过协同机制成为CIM平台的有效数据资产。

完善城市平台治理体系[9]。随着平台治理理念的发展和智能化技术在城市管理中的应用，城市各系统建设了大量管理平台，但目前平台治理体系仍不完善，平台协同交互程度仍不高。车城网平台通过统一逻辑接入CIM基础平台，实现不同平台间底层数据的横向流动与协同验证，以及在单一平台上面向多种行业和用户的应用集成、开发和管理，补充了城市既有平台体系在动静态要素信息整合上的缺失，为基于CIM“数字底板”进行平台联通打造了示范样板，为完善平台治理体系和深化“一网统管”打造坚实基础，进而为数字孪生智慧化城市建设提供新的方向和实践。

3.1

物联网设备实时接入能力

依托平台能力全面接入路侧单元（Road Side Unit，RSU）、毫米波雷达、激光雷达、高清探头等多种感知设备，以及积水、燃气、消防、井盖位移、路基沉降、环境质量等各类传感设备，全面感知建筑、市政、交通、地形地貌的实时信息，全面分析展示城市部件运行状态，实现城市整体运行状态实时监测和集中呈现，为城市管理者提供辅助决策支撑，同时为后期运营维护提供统一的物联设备管理服务。

3.2

分布式数据处理能力

坚持分布式数据处理的理念，分为边缘层、中心层、决策层等3个层级进行数据分析和处理。对于实时性要求较高的应用数据，如车路协同应用，依托边缘层的边缘云平台及多个路侧计算单元（Mobile Edge Computing,MEC）直接分析处理并下发；对于路网级协同应用数据，如绿波车速引导应用，依托中心层的中心云平台进行深度分析和处理；对于需要人为决策的应用数据，如应急推演应用，依托决策层的一体化展示交互平台进行集中呈现，为管理部门提供辅助决策。

3.3

智能网联服务能力

车城网平台具有智能网联服务能力，分为网联信息服务能力和车路协同服务能力。前者为初级能力，主要立足于当前汽车智能化水平较低的现实情况，面向L0-L2级汽车提供交通效率类、安全类辅助信息，为驾驶人提供更好的驾驶体验。后者为高级能力，主要面向汽车智能化水平较高的L3-L5级汽车，提供前向碰撞预警、行人检测预警及弱势交通出行者保护、交叉路口来车提醒、绿波车速引导等多类车路协同服务。

3.4

模拟仿真能力

依托车城网平台汇集的全要素数据和CIM基础平台能力，在一体化展示交互平台进行建筑单体、部分区域甚至城市级别的模拟仿真，支撑对各种事件的推演分析。例如模拟燃气管线泄漏，结合管线管网分布、居民活动范围、交通道路条件，及管线、管井上装的各类型传感器，可以对特定区域的燃气泄漏影响范围进行模拟分析，对潜在的爆炸风险进行预警，为城市应急救援提供决策支撑。

3.5

一体化展示交互能力

车城网一体化展示交互平台基于CIM框架进行开发，汇集CIM基础平台、车城网中心云平台、城管云平台等数据资源，实现车城运行动静态数据的全面汇聚和深度融合，支撑应用场景统一管理和展示交互。此外，开创性地直接在CIM中嵌入高精度地图和全息路口模型，实现车辆运行状态的实时孪生和全息路口效果的集中呈现，支撑城市完全的数字孪生建设。

3.6

应用开发支撑能力

车城网平台具有应用开发平台子模块，提供分布式应用平台、开发框架和服务、应用体验环境、开发协同和DevOps等应用开发功能，以及与车城网基础平台的无缝集成，让开发者能够便捷、灵活地开发和运行各种智慧应用，从而加速应用创新，构建产业生态，支撑产业发展。面向已经进入开放城市数据和服务、鼓励城市创新、建立产业生态阶段的城市，应用开发平台为其提供创新型智慧城市解决方案。

4.1

制定推广数据标准

车城网平台建设遵循“标准统一、逻辑协同、开源开放、支撑多类应用和城市级数据处理”的原则，采用典型的通信协议和接口规范，对物联感知设备接入进行规范，以满足统一信息传输需求。为进一步提升不同设备、平台、应用间的数据对接效率，统一设备接入规范，强化平台互联互通，后续应加强提炼车城网建设经验，制定并推广基于CIM的车城网专项应用标准和各项应用配套的数据标准，确保车城网平台基础功能完备，数据采集、汇聚、交互过程安全、规范，不同应用场景下的数据传递匹配、高效，进而为城市级的车城网平台建设运营，以及区域乃至全国的车城网设备、平台、应用协同打造坚实的基础，为车城网产业链上下游企业的技术路线确定、产品规格统一提供良好的条件。

4.2

拓展深化平台应用

车城网平台已经在重点片区试验性运行，针对市民出行方式、交通治理手段、城市管理工具的智慧化转型需求，重点打造了网联信息服务、车路协同服务、智慧停车服务等多项应用场景。为进一步强化车城网平台的应用效能，后续应在广度和深度两个维度进行拓展：一是结合规划建设“城市交通大脑”、CIM基础平台二期、“穗智管”二期的实际情况，统筹建设全市范围内的路侧基础设施，强化平台治理体系建设和互联互通，加快建设城市级的车城网平台，支撑打造更多类型应用场景；二是充分发挥基于CIM的车城网平台在全周期管理中的优势，面向市民打造智慧化出行闭环，面向企业探索商业化运营闭环，面向政府创新跨部门应用闭环，不断深化平台建设应用价值。

4.3

深度挖掘数据价值

车城网的感知和通信网络囊括了V2X、5G终端链路、LoRa基站等多种功能，能够面向智慧交通通信终端和城市物联网设备进行信息的综合收集和下发，并随着运营过程的积累，汇集大量的设备状态数据、对象行为数据、特定事件数据等城市特色数据。后续可在此基础上，以业务应用为导向，依托车城网平台的数据汇聚、治理和分析能力，提取城市运行业务的要素特征，构建要素的全貌画像，从多维度观察和研究分析要素，支撑城市运行管理策略的制定，达到城市精细化运营和管理。同时，强化人工智能、大数据等关键技术应用，深度挖掘车城网数据价值，生产创造数据资产，创新引领数据合法交易，赋能城市数字经济发展。

4.4

探索完全数字孪生

依托CIM基础平台建成优势，初步建成车城网平台，聚焦重点片区部署大量物联感知设备，打通多个既有管理服务平台，实现动静态全要素数据的汇聚融合。后续可以在上述设备和数据的基础上，依托CIM赋予平台的多源异构数据汇聚能力，整合更大范围的城市运行泛在感知信息，支撑在网络数字空间再造一个与现实物理城市完全匹配的数字城市，使其与物理城市平行运转，所有城市部件运行状态保持同步，实现对城市的全貌从宏观到微观、从静态到动态的完全的数字孪生。通过完全的数字孪生城市建设，实现城市全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、全业务协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市智慧化发展新模式。

本文论述了基于CIM进行车城网建设的架构和逻辑，对平台能力和作用进行分析，证明了所提方法的可行性和实用性，并给出后续提升建议，以供其他同类项目参考。未来广州将持续推动“车路城”协同发展，力争相关探索走在全国前列，支撑“汽车之城”向“智车之城”转型升级。同时，继续发挥CIM探索优势，协同扩展车城网平台和CIM基础平台建设，深化打造“城市三维数字底座”，支撑完全的数字孪生城市建设，赋能智慧城市框架搭建和应用体系构建，助力智慧城市建设和发展。