CIM论文 │ 基于CIM平台的智慧排水应用场景建设

进入21世纪以来，我国城市“水”问题愈发严峻，主要表现在随着人口不断增长，城市化进程加快，极端天气频发导致水生态系统退化、自然水体水质恶化、水患问题突出，从而引发城市内涝加剧和水环境污染等问题，成为仅次于交通拥堵和人口拥挤的重大城市病[1~2]，而“水”作为城市的基础资源，亟需我们采取更加科学有效及智能的措施和方式来进行管理。

智慧水务是智慧城市的重要组成部分，“智慧城市”的概念最早是由IBM于2010年正式提出，中国信息通信研究院在2019年的新型智慧城市研究报告中也总结了目前智慧城市经历的三个阶段，从数字城市到智慧城市，再到新型智慧城市，每个阶段的驱动方式、重点技术、信息共享、推进方式等都不一样。当前，以大数据、人工智能、物联网、云计算为代表的新型技术手段已逐步成熟的应用在城市水务智能化管理水平的提升中，成为水务管理转型的重要手段。如张文体[3]等将大数据技术应用在城市供水智慧管理系统的开发中，统筹供水过程的全链条数据，预测供水需求以进行更科学的调度管理，实现更优质更安全的供水目标[4]，陆青[5]等引入物联网技术，对智慧水务管理平台进行深入研究，实现水务数据的实时传输和管理。

近年来，我国CIM技术和平台的发展突飞猛进，2018年11月，住房和城乡建设部提出将广州、南京等5个城市列为城市信息模型（CIM）平台建设试点城市[5]。由此，智慧城市的建设又进入了一个新阶段（见图2），以创新为驱动的全面发展期，是以建设一个数字孪生、万物互联、万物感知、决策智能的新型智慧城市为目标，在此阶段，边缘计算、终端直通、BIM/CIM、数字孪生等技术将会被广泛应用。

当前，城市智慧排水信息系统的建设仍然存在很多问题，主要表现在排水系统运行状态不清、家底不明、业务管理缺乏联动、数据电子化程度不足、缺乏科学智能决策支撑等方面，为更好的支撑城市排水管理的智能化决策和现代化管理，构建基于CIM平台的智慧排水应用体系将成为当前社会发展的趋势。

国家各部委针对CIM平台在智慧水务行业的深度融合等方面也提供了政策指引和强力支持。2020年3月，“新基建”战略首次被提出；8月，由住房和城乡建设部牵头，网信办、科技部、工信部、人力资源部、商务部和银保监组成的七部委联合发布《关于加快推进新型城市基础设施建设的指导意见》（建改发〔2020〕73号），提出“建立基于CIM平台的市政基础设施智能化管理平台”作为新型城市建设的重点建设任务之一，实现对管网漏损、防洪排涝等及时预警和应急处置。2021年4月，国务院办公厅发布《关于加强城市内涝治理的实施意见》（国办发〔2021〕11号），文中要求“构建智慧平台建设，提升城市排水防涝水平，并对有条件的城市，重点提出与城市信息模型（CIM）基础平台深度融合”。由此可见，现阶段，国家正积极推进基于CIM基础平台的智慧排水信息系统建设。

关于CIM的定义，国内外的专家学者各持己见，从2005年开始，Tanyer和Wang[6]等人提出CIM是将社会、环境和经济与三维城市模型在时间维度相结合，作为数据集成的基础设施，2007年，Khemlani认为CIM是BIM在城市范围的应用，是BIM技术在城市建设中的进一步应用。2014年，Xu等人提出“CIM=BIM+GIS”的观点，认为BIM和GIS是构建CIM的数据源，两者结合共同建立CIM；2015年，吴志强院士认为传统CIM应当升级为城市智能信息模型，鉴于此，物联网技术也成为构建CIM的重要数据来源之一，和BIM、GIS共同成为CIM的核心技术[7]；2020年，许镇[8]等人认为CIM的发展即将迎来国家“新基建”战略的发展机遇，后续将广泛的应用在智慧城市基础设施的建设中去。

随着对CIM的不断深入了解，不同行业对CIM的定义有着不同的认识，对住建行业来说CIM可以是城市智慧模型；对游戏行业来说，CIM可以是元宇宙；对水务行业来说，CIM可以是数字孪生。2020年9月，《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》[9]发布，导则中对CIM和CIM基础平台进行了分别定义，将CIM区分为“平台”和“模型”两种含义。指出“CIM”和“CIM平台”都是CIM的部分含义，二者的区别在于定义的角度差异。

所谓CIM就是利用BIM、IoT和GIS技术，融合城市过去现在未来、地上地面地下、室内室外等多尺度多维度的模型数据和物联感知数据，共同组建城市三维空间综合模型，以此解决城市系统的复杂问题，由此可见，CIM不仅仅是BIM和三维GIS的简单叠加，而是将BIM在建筑领域设计、施工、运营一体化的全生命周期管理的理念应用到城市中，以BIM技术提供的城市微观信息与GIS技术为基础的城市宏观场景信息进行融合，并将城市交通、人群、资金等等动态信息进行结构化整合，形成一个能够同步反映城市完整现状，对城市发展进行预测与研究的信息巨系统，包括几何、时空、行为和物理四大要素。

CIM目前重要的建设内容是通过构建一个基于三维数字空间的现实城市数字化版本，成为连接城市现实世界与数字虚拟世界的桥梁，为城市提供全空间、全要素、全专业、全流程和全生命周期的城市数字化管理能力，而这个数字化的版本，就是CIM基础平台，也是未来新一代信息基础设施。

为了有效支撑智慧城市的建设，构建“CIM+”应用体系，CIM基础平台就必须具备一些核心支撑能力，总结起来主要有以下几点：

（1）高效的图形引擎，城市级CIM数据驱动能力

具备基于云服务及微服务架构创建城市级大规模CIM数据引擎能力，通过创新融合二三维GIS、BIM模型和物联网数据，构建多源异构CIM数据体系，驱动城市级CIM数据，有效管理和展示海量数据。

（2）三维模型与信息全集成能力

提供挂接信息到三维模型的能力，用户可根据自身业务的需要挂接不同的信息，实现物联网感知数据、公共专题数据、业务数据等与三维模型的关联，为三维模型注入灵魂，辅助更加直观的管理和获取相关数据信息。

（3）二三维一体的可视化分析能力

提供二三维一体的可视化分析能力，实现宏观、中观、微观、建筑单位等不同维度的分析，包括二三维缓冲区分析、叠加分析、空间拓扑分析、通视分析、视廊分析、日照分析、管线分析等。如可利用白模渲染的方式来分析某个区域的用水情况、用电情况、房屋结构情况等，可针对某栋房子进行能耗分析、通风分析等。

（4）多层次多维度的模拟仿真能力

CIM基础平台汇聚各种数据后，结合算法、模型、人工智能等，实现从设施、社区、城市到流域级别的模拟仿真，实现城市在规划、建设和管理等多维度的高仿真化，最终达到在“数字城市试错，在物理城市执行”的效果。

（5）基于BIM模型的计算机辅助审查能力

提供基于BIM模型的计算机辅助审查能力，主要体现在工程“规-设-建-管”四个审批阶段，从建设项目规划条件审查、方案审查、方案设计审批、施工图审查、竣工验收资料审查等多方面实现“机审辅助人审”，优化管理手段和流程，提升建设工程项目审批效率。

（6）物联网设备接入能力

将各类物联传感设施设备数据接入CIM基础平台，如将桥梁的各种监测设备和数据显示在系统上，包括环境监测（温度、湿度、风速等）、变形监测（沉降、水平位移、倾斜、挠度）、应力应变监测（混凝土结构表面、内部应变、钢筋受力、钢索受力等），实现对城市运行状态实时监控和直观呈现。

（7）二次开发能力，赋能智慧城市应用

为有需要的用户提供二次开发接口和能力，基于CIM平台可复用的功能和数据，根据自身的业务需求和特点定制开发基于CIM的相关应用体系，如“CIM+水务”“CIM+交通”“CIM+环保”等智慧城市应用。

针对当前水务行业在智慧管理上存在的问题，本文通过探索CIM基础平台和排水之间的深度融合，构建基于CIM平台的智慧排水应用体系，充分考虑排水日常管理和应急调度管理等业务需求的前提下，全盘梳理城市排水管理的规划设计、建设监督、监测预警、内涝模拟、应急调度和运维管理六大工作任务，以城市信息模型(CIM)为基础，将业务管理数据与物联数据清晰直观地展现在CIM场景中，赋予城市排水管理新手段、新视角和新技术，实现排水项目建设全生命周期的长效管理，辅助城市管理者提升城市排水管理水平。

基于CIM基础平台的智慧排水信息管理系统总体设计涵盖“五层两翼”，如图6所示。

基础设施层主要包括各类设施和前端物联感知设备两大块，其中物联感知设备主要包括城市排水设施的智能化动态监测，信息化基础设施包括计算及存储资源、网络环境、机房环境、网络安全等。

数据层通过对数据的汇聚、存储、分析和管理，全梳理面整合排水综合信息资源，提升专业化服务支撑水平，强化信息与服务监控能力。

服务层主要是CIM基础平台的各项核心支撑能力，实现城镇排水基础设施三维模型汇聚、清洗、转换、模型轻量化、模型抽取、模型浏览、定位查询、多场景融合与可视化表达、支撑排水防涝的各类应用。

应用层是基于CIM基础平台，构建CIM+排水的应用体系，实现排水全方位管理。

用户层是针对不用的用户及需求，系统以大屏、桌面端、移动终端等多种形式交互设计，为用户提供个性化的界面。

基于CIM基础平台，构建“CIM+排水”应用体系，打造涵盖城市排水现代化和智能化管理中规划设计、建设监督、监测预警、内涝模拟、应急调度和运维管理在内的六大应用场景。

（1）规划设计

基于CIM基础平台，优化排水建设项目审批流程，定制开发智能审批工具，实现控规编制、技术审查和行政审查全过程的机器辅助，推动“机审辅助人审”，提高排水工程项目管理水平，提升管理效率。

（2）建设监督

城市排水项目工作周期长、类型复杂，涉及基础设施繁多，通过CIM基础平台，结合在线审批流程及各阶段支撑材料开展施工图和竣工图审查，实现快速机审和人工审查协同配合，推动排水建设项目全生命周期监管。

（3）监测预警

基于CIM基础平台，接入城市排水管理中所需的水位、水质、液位、雨量、流量等动态物联监测感知数据，实时监测排水设施（户-网-井-泵-闸-排口）的运行态势，总结规律，实现对城市排水设施运行状态的实时监控和直观呈现。

（4）内涝模拟

基于CIM基础平台，模拟城市降雨，结合降雨强度、地形地貌及河道管网上安装的各类监测传感器数据，采用水动力模型对城市各个区域的内涝淹没范围和淹没程度进行模拟预测分析，在CIM基础平台上进行仿真化模拟展示，实现城市防涝预警和辅助决策支撑。

（5）应急调度

基于CIM基础平台，展示内涝应急业务场景，直观体现各布防点人员物资及车辆出动情况、应急工作准备情况、在线抢险人数、水位监测预警情况、人员值班情况，辅助城市排水管理人员进行内涝应急指挥调度。

（6）运维管理

城市排水管理涉及基础设施繁多，基于CIM基础平台，建立长期运行维护机制，保证排水设施正常稳定运行。根据维护要求，制定养护计划，并分配至相关人员进行养护，现排水设施跟踪养护的全过程管理。

①三维运维巡检：在三维场景中模拟巡检路径第一人称漫游，结合巡检点、设备和监控数据，高效代替人工巡检。

②可视化运维：在三维模型中快速定位任一设备的位置状态，方便运维人员及时排查、发现及修复问题。

CIM技术及平台在我国智慧城市的建设方面具有很大的应用前景，探索“CIM+排水”的应用场景对提升水务行业智能化管理水平具有很重要的现实意义，目前国内很多已建的智慧排水信息平台正逐步朝着“打造基于CIM基础平台的智慧应用”的目标开展工作。如柳州防洪排涝项目一期已对柳州市13座泵站进行了智能升级，通过构建闸泵BIM模型，实现闸泵站的可视化呈现，并依托CIM技术，建设城市内涝分析模型，保障应急指挥的科学有效。同时，柳州市当前正谋划智慧水务二期平台建设项目，其核心之一就是构建基于CIM基础平台的更多水务应用场景。由此可见，基于CIM技术和CIM基础平台的智慧排水应用场 景探索将成为后续水务行业积极开拓的方向，为城市排水实现更加智慧的管理和科学的决策。