CIM论文│城市信息模型（CIM）平台关键技术研究与应用
来源丨 《建设科技》. 2022,(07)
发布丨 CIM小编
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[摘要]项目组针对广州市城市信息模型（CIM）平台建设的需求，通过系统的技术研发与创新，本着“构建超大城市CIM数字底板、搭建CIM基础平台、开发智慧城市CIM+应用”的研究思路，建立了广州CIM标准体系，主编国内第一部CIM基础平台技术导则及其修订版，规定CIM基础平台的定位和功能、数据汇聚与管理等要求，创新性的构建CIM分级分类体系，解决多维度数据和多尺度模型高效融合及汇聚的问题，研发了高效渲染、服务聚合分发、施工图BIM智能审查技术等关键技术，解决海量多源异构数据的高效渲染和定制化服务场景快速调用等问题，实现80%混凝土结构的可量化强条的自动审查，引领性的完成智慧工地、城市更新等20多个场景应用示范。自广州CIM基础平台和施工图BIM审查系统上线以来，各类服务调用次数累计超过7000万次，超过400家单位参与BIM报审，报审面积达3326万平方米，政府重复投资和企业工程成本大幅节省，效益显著。
2020年3月，习近平总书记在浙江省考察时指出：“要运用大数据、云计算、区块链、人工智能等前沿技术推动城市管理手段、管理模式、管理理念创新，从数字化到智能化再到智慧化，让城市更聪明一些、更智慧一些是推动城市治理体系和治理能力现代化的必由之路，前景广阔”。随着我国城市化水平的提高，传统城市管理与运维发展模式已无法支撑未来城市的发展需求，政府各部门按照职能分工管理相应领域，这种模式无法实现各部门之间高效的信息交互和业务协同，难以系统、精细解决城市高质量发展面临的问题，寻求更为先进的管理方式来推动城市建设成为现今城市发展的迫切需求。城市信息模型（City Information Modeling，简称CIM）作为信息融合与业务协同的新兴技术，为城市精细化治理实现覆盖多业务、多领域的决策分析和监测预警提供有力支撑，引起了社会广泛关注。更为重要的是，住房和城乡建设部、国家发改委等部门先后发布了一系列文件都强调CIM平台建设的必然趋势和重要作用，包括广州在内的多个城市被住房和城乡建设部确定为首批CIM平台建设的试点城市，国家“十四五”规划也明确提出“完善城市信息模型平台”，这一系列举措为CIM技术深度应用提供了有力保障和良好的发展环境。在此背景下，CIM平台的建设逐渐变得清晰可行。CIM是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状及未来等多维度多尺度的信息模型数据和城市感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体。CIM为不同信息技术之间提供了数据融合、方法集成与功能整合的平台，为不同尺度、不同场景下的城市管理应用提供信息支持，为城市管理向精细化、信息化、智能化方向转型升级提供坚实基础。本研究在回顾CIM国内外发展历程基础上,建立针对CIM的标准体系、分级分类体系，构建CIM数字底板，在城市公共数字底座上打造CIM平台，并开展各种智慧城市专项应用，形成可复制可推广的“广州经验”。
CIM关键技术
针对超大规模CIM平台需要解决的实际问题，研发了语义关联技术与多图形渲染引擎的混合架构、CIM分级分类体系、多源数据分级存储及请求渲染方法、多源异构服务聚合分发技术、施工图BIM智能审查及自动入库技术等主要关键技术，实现城市的信息模型快速建模与BIM报批建库、存储和动态更新、高效索引与快速提取表达、行业算法模型集成分析、高逼真仿真模拟。
1.1语义关联技术与多图形渲染引擎的混合架构
针对单一图形引擎无法高效驱动多源异构的地理信息模型（GIM）、BIM、仿真信息模型实现高逼真渲染展示、模拟仿真的问题，研发了语义关联与GIS/BIM/VR等多种主流图形引擎的高效混合驱动技术（详见图1），并创新应用多图形渲染引擎混合架构，解决建筑模型从单体到分层分户再到构件与业务数据的关联问题，实现GIM、BIM、仿真信息模型等的汇聚、存储、统一管理、高效渲染表达与模拟计算，支撑超大城市“一网统管”的运行。
图1语义关联
1.2CIM分级分类体系
整合已有城市三维模型与BIM分级方式，设计从地表模型到零件级模型逐渐精细的7级模型，包括地表模型、框架模型、标准模型、精细模型、功能级模型、构件级模型、零件级模型（详见表1），提出“成果、进程、资源、属性和应用”五大维度分类及其面状分类编码规则（详见图2），解决“市域-城区-社区-建筑物-构件-零件”多层级、多尺度的模型表达与应用，以及复杂城市系统的完整描述的问题，促进现有模型融合、快速构建CIM模型，便于CIM共享应用。
表1CIM分级
图2CIM分类
1.3多源数据分级存储及请求渲染方法
提出多源数据分级存储及请求渲染方法（详见图3），通过分级存储，二三维数据在CIM平台中可以根据分级请求数据并进行渲染，解决了多源数据融合和精细化的同时，也解决了数据计算与成本高、数据切片不合理、索引结构不合理、数据访问速度慢等问题，优化用户体验。
图3多源数据分级存储及请求渲染
1.4多源异构服务聚合分发技术
为满足CIM平台协同管理多个CIM服务数据的需求，提出了服务聚合的理念和方法（详见图4），采用基于三维数据服务的高效缓存、基于边缘服务器的网络优化及场景服务聚合分发策略，有效解决非聚合状态下管理困难等问题，提升了三维数据服务的调用速度，提高了资源存储和管理的效率。
图4多源异构服务聚合分发
1.5施工图BIM智能审查及自动入库技术
为解决进入CIM数字底板的BIM合规性问题，通过AI技术建立审查知识库，将工程建设项目审批关键条件、硬性指标、规范条文拆解为结构化自然语言（SNL），形成便于确认规则符合性且便于定制的建筑领域规则库（详见图5）。构建了统一的、轻量化GDB数据结构，用于存储BIM数据，将BIM提取为语义模型，形成BIM审查数据库。基于规则拆解和GDB数据结构，研究了精确和概率方法相结合的大规模BIM语义检查方法，研发了智能审查引擎，实现系统级的BIM自动语义检查。搭建了施工图三维数字化审查系统，实现施工图审查中部分刚性指标计算机机审，推动施工图审查从“人审”向“机审”转变。
图5施工图BIM审查关键技术路线
CIM数字底板
建立了多源、多尺度、全空间的超大城市CIM数字底板（详见图6），汇集了广州全市域7434平方公里三维地形地貌和城市建筑白模，重点区域700平方公里的三维精细模型以及400多个BIM单体模型，数据总量达6TB，接入公共治安视频摄像头19万个、全市“四标四实”数据1.5亿条，汇聚了“多规合一”管理平台、“四标四实”、工程建设项目审批等多源异构数据，形成“一张三维底图”。
图6CIM数字底板
CIM基础平台
搭建了全国第一个CIM基础平台，具备六大功能（详见图7），包括海量数据的高效渲染、模拟仿真、物联设备接入、二次开发支撑、三维模型与信息的全集成、可视化分析等核心能力，有力支撑了平台的各项业务运行以及各类CIM+应用的拓展。
图7CIM基础平台六大功能
CIM+应用
聚焦新城建任务，构建CIM+应用体系，开发了包括工程建设项目审批制度改革、城市运行管理、智慧工地、城市更新、智慧社区、智慧园区等20多个场景的CIM+应用。
（1）CIM+工程建设项目审批制度改革应用。实现了工程建设项目“规划审查、建筑设计方案审查、施工图审查、竣工验收备案”四个阶段的三维数字化辅助报审。建成全国首个施工图BIM辅助智能审查系统并大规模使用（详见图8），涵盖五大专业、三大专项，混凝土结构方面实现80%可量化强条审查能力。
图8施工图三维数字化审查系统
（2）CIM+“穗智管”应用。基于CIM数字底板，搭建城市运行管理中枢（详见图9），实现城市建设、城市管理、智慧水务等20多个主题“一网统管”。
图9“穗智管”城市运行管理中枢
（3）CIM+城市更新应用。结合四标四实和倾斜摄影，分析改造范围内的实有人口/房屋/单位，估算建筑面积（详见图10），较传统入户摸查，大大降低数据获取成本。
图10CIM+城市更新应用
（4）CIM+智慧工地应用。建立覆盖建筑设计方案三维模型、施工图三维模型、工程建设过程三维模型的项目建设全流程信息互通系统，能够实现在建工程的空间分布可视化，在质量安全方面实现对深基坑、高支模、起重机械设备的可视化实时监测查看，对关键位置进行定点、远程、视频录像、全景影像、无人机等方式的巡检（详见图11）。
图11CIM+智慧工地应用
（5）CIM+智慧社区应用，实现房屋信息整合、物联传感设备数据接入、设备监测预警、社区集中管理等功能，提升社区治理和小区管理现代化，促进公共服务和便民利民服务智能化。
（6）CIM+智慧园区应用，建设包含地上建筑物、市政设施和地铁、地下管线等全信息模型，将经济、人口、企业、审批等信息与建筑三维单体模型做挂接，实现信息的三维全集成展示及园区内企业信息、经济指标、企业销售、企业纳税等数据的统计展示。
项目组针对广州市CIM平台建设的需求，通过系统的技术研发与创新，本着“构建超大城市CIM数字底板、搭建CIM基础平台、开发智慧城市CIM+应用”的研究思路，完成广州市CIM平台关键技术的研究与应用，主要技术成果如下：（1）建立广州CIM标准体系，主编国内第一部CIM基础平台技术导则及其修订版。（2）率先建立国内第一个CIM基础平台。（3）创新性构建CIM分级分类体系。（4）研发高效渲染和服务聚合分发等关键技术。（5）研发施工图BIM智能审查技术并建立施工图BIM辅助智能审查系统。
本研究成果解决了多维度数据和多尺度模型高效融合及汇聚、海量多源异构数据的高效渲染、定制化服务场景快速调用等问题，实现80%混凝土结构的可量化强条的自动审查和20多个智慧城市场景应用，形成了可复制可推广的“广州经验”，在全国的CIM平台建设工作中发挥示范作用。
