基于城市信息模型（CIM）的未来城市场景迭代——以数字产城CIM平台为例

何海生 石琦 李蓉 张龙 邢广良

（软通动力信息技术（集团）股份有限公司，北京 100193）

随着我国城镇化进程的不断推进，当前城市建设已进入产城融合的数字产城时期，在高质量发展的时代要求下，数字产城建设已成为智慧城市建设的重要目标。为有效解决数字产城建设中的数据共享、业务协同、精准决策等痛难点问题，城市信息模型（city information modeling，CIM）受到广泛关注。面向数字产城需求，CIM平台集成了大场景GIS数据/技术、中小场景BIM数据/技术、物联网IoT数据/技术等，为城市精细化治理与智慧化发展提供一套全要素的“三维空间数据底板”。根据中央相关部署，住房城乡建设部自2018年起，在发展BIM的基础上，联合多部委共同推进CIM工作，先后在CIM基础平台的试点探索、政策研究、标准发布等方面开展了诸多探索。

一、CIM概述

基于国内在CIM领域的广泛研究和应用，目前业内对于CIM的定义已形成共识。CIM是基于BIM、GIS、IoT等技术，将城市地上地下、室内室外、历史现状、未来发展趋势等多维度的信息模型数据和城市感知数据有机整合，共同构建起城市的三维空间数据底板[1]。

CIM的核心对象是城市巨系统，包括物理对象、信息流/影响流、人类/组织三个层面。本质来讲，CIM是城市三维信息的载体，在这种信息载体中，城市物理实体是主要的表达对象，而其他社会信息、感知信息等是通过与物理对象建立有效的关系，进而将多源的信息组合形成有机的信息综合体。

此外，学界对于CIM的概念认知也在不断拓展，如吴志强院士[2]将CIM的概念延伸为城市智能模型（city intelligent model），在城市信息模型的基础上进一步提出了智能（Intelligent）的目标，不仅包括对城市数据进行采集、存储和处理，还强调通过多维模型来对城市发展中出现的各种问题进行主动响应和处理，从而提高城市规划、建设、管理决策的科学性。CIM技术的发展应与重大技术变化及影响人类未来的宏观趋势相连接，如5G、云计算、大数据、虚拟现实、人工智能等，提供更加精准、精密、精细的智能服务[2]。

对CIM概念的不同认知，也导致了CIM结构框架的不同定义。Stojanovski[3]认为，CIM框架由无数不可分割的街区组成，每个街区有专属自己的属性表和对应3D空间的坐标系，但忽略了城市内容更细致的信息结构。Xu等[4]的架构划分更为精细和全面，将城市信息模型划分为建筑、水体、运输、基础设施、MEP（Mechanical，Electrical&Plumbing）等多个模块，框架的适用性更加广阔。

二、智慧城市规建管需求分析

当前，我国城镇化已步入中后期阶段，传统的城市规划、建设和管理手段已经无法满足信息化发展的要求，一些新出现的矛盾问题亟待通过智慧城市的技术手段加以支撑。这就要求智慧城市的解决方案具有更强的系统性、针对性和可操作性。从目前的地方实践经验来看，智慧城市规建管需求主要包括以下方面。

（一）促进规建管全流程顺畅衔接

规划编制、项目实施、运维管理之间的有效衔接是实现一张蓝图干到底的先决条件。为实现智慧城市规划要素、管控内容的精准传导，需构建包含现状数据、规划数据、工程建设项目数据、运维管理数据等维度数据的数字化谱系，以及全过程闭环的数字化管控规则体系，即基于平台汇聚的多维度数据，以保障要素的高效传导和流程的紧密衔接。

（二）建立全要素统一的“数据底板”

早期的智慧城市建设，主要集中在政府业务领域，缺乏对国土空间、城市全局、全要素资源的系统性顶层设计和综合治理，缺乏统一的“数据底板”来支撑城市全局的管理及服务[5]。CIM平台整合资源调查、规划控制、工程建设、物联感知、公共管理等各种类型的数据库，促进了数据资产的全面管理及价值挖掘。

（三）以实施评估促进城市优化

随着城市规划建设的开展，为实现规划目标的有效传导、实时反馈城市整体运行指标以及各项设施运转情况，需要基于城市三维空间数据建立评估反馈机制，全过程跟踪城市空间的发展和演变，通过实施评估促进城市空间形态、产业布局、公共服务等方面的优化[6]。

三、数字产城CIM平台构建

（一）总体架构

数字产城是在智慧城市新型城镇化建设推动下形成的城市发展新载体，具有现代化城市功能，是产业的聚集地、人气聚集地、资本融通区，在空间上使城市功能和产业功能完全融合。针对目前数字产城发展存在的问题，面向智慧城市规建管需求，本文提出基于CIM的产城“规投设建管营碳元”一体化平台（图1），包含产城规划—投资—设计—建设—管理—运营—双碳—元宇宙八大功能单元。基于CIM基础平台的核心能力，即空间建模－数字呈现－指标分析，数字产城CIM平台的运行逻辑可分为以下三个步骤：

图1 数字产城CIM平台

（1）开展物理产城全要素、全过程、全空间数据资源的高效采集，包括现状数据、规划数据、建设数据、运维数据等；

（2）基于CIM平台实现行业数据的关联、融合、叠加计算、共享开放，以支撑形成数字产城；

（3）开展数字产城应用成效评估，并将评估结果反馈到城市规划、建设、管理过程中，进而实现产城的科学规划、高效建设和优质运营，提升政府的管理软实力，为新型智慧产城提供基础支撑。

（二）“规投设建管营碳元”功能单元

依据新型智慧城市的规划、建设、管理全流程，构建产城规划—投资—设计—建设—管理—运营—双碳—元宇宙八大功能单元，实现数字产城由实向虚，突破传统产城治理的局限，促进线下物理城市与线上数字产城的深度融合。

1.BIM+孪生规划

BIM技术起源于建筑行业，具备参数化设计、模拟仿真、可视化预警、协同操作等优点；数字孪生则具有面向全域的精确映射、仿真模拟、虚拟交互、智能介入等特征，二者的有机结合能够为规划数字产城提供更科学、更合理的技术支持[7]。将BIM数据导入数字产城数字孪生建设平台，基于三维信息模型以及可视化系统，推动工程项目的提前部署，以定性定量结合的方式进行模拟仿真假设分析和虚拟规划，建立包含空间结构、用地布局、开发强度、道路交通、公共服务设施、市政基础设施、绿地及开敞空间、景观风貌、综合防灾、开发时序等方面的指标体系，对不同规划方案进行指标动态评估，有利于避免不合理、不科学的产城规划决策，进而保证产城开发综合效益的最大化。

2.投资分析模型

投资平衡是土地开发工程的重要内容，工程总体投入和收益分析是工程建设的基础。投资分析是所有土地开发项目的关键任务之一，项目整体收益与发展依托于投资平衡分析。针对实际操作中项目投资平衡分析面临的主要难点，依托数字产城CIM平台建立土地投资分析模型。首先，通过静态投资分析，进行土地资源评估，集成产城土地现状、规划、建设等各类数据，模拟评估可直接收储土地以及需要调整规划的土地；其次，进行项目成本分析，通过现状数据评估拆迁房屋面积，快速测算项目和地块的投入成本；最后，进行项目收入分析，在对周边地价、地块升值潜力等进行分析的基础上，测算项目地块出让的预期收益，并给出土地出让的建议价格。通过动态投资分析动态模拟项目和地块的开发时序，结合地价变动，计算不同开发方案的投资平衡情况，为决策者提供动态精准的决策依据[8]。

3.产城空间设计

受限于传播媒介、空间维度、空间转换、表现方式等，传统产城设计方式难以体现物质空间的复杂性，也难以体现人与信息空间的动态性。利用CIM技术，重构产城设计的三维表达形式，可实现虚拟沉浸式设计，支撑城市复杂空间多维度、层次化、立体化的设计、分析和表达，使人们更加透彻地理解产城空间[7]；通过整合多源信息并重塑项目周边环境，使设计师能够在可视化环境中进行交互设计，同时还可以对设计方案和项目环境之间的关系进行科学地验证，让方案中存在的问题提前暴露出来，进而在设计阶段就能解决，助力打造更加精准且适应现实的产城空间设计方案。

4.建设全过程监管

项目审批阶段，CIM平台可实现依据规范自动进行系统审查，直观展示审查结果并智能化出具报告，有效解决传统人工审查任务重、周期长、信息缺失等问题。项目施工阶段，利用BIM+数字孪生技术中特有的时空特性对项目建设方案进行仿真模拟，可对项目的进度和质量、周期进行全面把控，这也是BIM技术应用最成熟的阶段，例如在机电专业中对给排水、暖通、电气等管线形成管线综合、管线安装定位等三维可视化模型，优化设计方案[7]。竣工验收阶段，三维数字化竣工验收可实现BIM模型与资料系统自动关联。通过竣工BIM模型与设计BIM模型自动比对，快速定位并展示差异，辅助验收备案审查。

5.智能化管控

产城管控质量和效率决定项目的实施效果、环境安全以及生命周期。工程交付后，导入设计施工数据CIM模型，建立时间与空间的数据库，准确地展示建筑的整体面貌与细节。与此同时，CIM平台利用IoT技术，在建筑物内外部空间以及城市空间中部署多种传感器和监控设备，采集建筑环境、设备运行、构件压力和应变、城市空间环境、基础设施运转、视频监控、异常报警等数据，结合不同项目类型和管控阶段，建立智能管控指标体系，并基于数字孪生模型进行智能分析和科学预测，指导产城运营[10]。

6.产城运营

产城运营是城市管理工作中至关重要的环节，处于城市规划、建设、管理的末端，与人民生活密切联系，具有公共服务的属性，同时也是城市管理和社会建设矛盾集中体现的领域之一。在现有产城运营管理基础上，全面升级政府基础信息平台，优化运营监管流程，通过CIM平台打通用户、企业、政府多方信息渠道，搭建可视化运营中心。一方面，通过对设施设备及运行状态监测形成可视化图表，形成管理纵向渗透，真正实现一张图管理模式；另一方面，通过收集用户需求在平台进行分析，便于管理者进行综合决策，同时相关政府部门可以进行实时监督，真正落实智慧化服务并精准满足用户需求。

7.产城双碳

产城作为人类社会生产和经济活动集中区域，当前我国产城碳排放量占总量的70%以上，是绿色低碳转型的重要支柱，“去碳”成为产城建设的全新使命。基于绿色技术手段与设备实施运作过程的监测，构建CIM产城绿色平台，快速形成绿色发展的数据画像以及时间线和效能线。碳排监测模块可根据研究基础及可获取指标，确定碳排监测方向优化碳排算法，实现规划、建筑、市政、交通、绿地等方面的碳排监测计算；碳中和绿色技术推演优化模块，利用积累的各类数据进行绿色技术的数字模型推演优化，提供针对性、科学性、落地性的减碳方案[9]。

8.产城元宇宙

数字产城对CIM的要求超出三维信息综合体的概念，更强调基于三维模型分析和模拟未来，并提高人机交互能力，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化。打造基于CIM的产城元宇宙，以特定对象或业务为基础，实现视频虚实融合，VR、AR等数字空间与物理空间的互操作与双向互动，既可以在数字空间对现实世界进行再现与影响，也可以在现实世界中进入虚拟空间，二者满足实时、动态、自动、互动等属性[10]。在此基础上，结合计算机视觉、机器学习、知识图谱等人工智能技术对城市数据进行深度学习，实现数字产城自我优化运行，满足产城管委会、企业、市民的按需、即时、精准的决策需求。

四、多层次的智慧城市场景迭代

在CIM平台中，数据感知、数据融合、模型构建、知识获取、人机交互等技术的应用都离不开场景的支撑，场景本身也为数据收集和机器学习提供了参照框架，以此来推动数据的重组，并搭建不同模型之间的参数联系；数据的融合或模型的迭代又构成多层次场景的学习过程。基于此，CIM将城市要素抽象为数字知识，通过对数据感知、关联构建、场景推理、执行优化等流程，使数字城市场景实现迭代优化的闭环链路。根据CIM自我学习的过程，未来城市场景迭代可分为数据迭代—模型迭代—服务迭代三个层次[13]。

（一）数据迭代

城市本身作为复杂开放的巨系统，具有多维且复杂的构成元素。土地性质、空间功能、行业类别、使用人群、管理部门等都是构成城市场景的一个维度，不同维度的要素彼此交织形成了复杂的城市场景，如建设审批、金融投资、社区治理、文化营造、产业生产等。在很大程度上，城市场景的形成源于不同维度要素相互影响、相互流动的过程，并形成一个更加复杂、开放、模糊的知识体系。CIM在IoT技术和设备的基础上，具有丰富全面且灵活的感知能力，能够根据不同的城市场景，对现实生活中的人、事、物现象进行周期性收集，并将其转化为多源异构数据，进而构成了CIM的原始数据及集合。但是，CIM的数据汇集不是简单的堆积，它以空间场景为基础，持续对数据进行关联、分割和重组，最终形成了一种可以灵活组合的分布式数据库结构，同时还可以将数据实体化、对象化、语义化，转换为人们可以理解的数字要素，并对其进行深入的管理。这称之为数据迭代或数据自我学习的第一个层次。

例如，广州市CIM平台（图2）作为全国首个CIM基础平台，通过整合现状三维数据和二维基础数据，实现二维、三维数据的融合，统一构建数据库，按照数据内容可分为基础数据库、城市现状三维数据库、BIM模型库、城市规划专题库、城市建设专题库、城市管理专题库等。CIM平台目前集成了智慧广州时空信息云平台、“多规合一”“四标四实”工程建设项目联合审批等多源多格式的数据，已构建起全市域三维地形地貌和城市建筑物模型，形成全市“一张三维底图”。

图2 广州市CIM基础平台

（二）模型迭代

在数据要素方面，无论是土地、建筑等物质和实体要素，还是人口、收入等社会经济要素，都按照城市情景和知识体系，构建出了相应的模型，如BIM、交通模型、微气候模型、产业链模型等。这些模型内部的计算规则以及相互间的联动机制，既是基于数据中台的分类系统，又是基于城市场景的逻辑架构。CIM本身作为各类模型的集大成者，根据不同城市场景的内在机制和专业性逻辑，可以将不同模型定制化地组合起来，从不同的维度共同模拟空间场景的功能运作，促进了数字化的场景建设。最终在应用过程中，模型的参数乃至范式被不断地迭代，强化其精准预测真实场景的能力。这称之为模型迭代，或模型自我学习的第二层次。

例如，厦门市CIM平台通过建立地址语义库（图3），支持城市治理、公共安全等海量地址信息自动转换、匹配及空间落图，实现业务数据空间矢量化，并通过挖掘提取基础信息中存在的运行规律及规则，进行数学建模以反映现实世界的变化规律，由此构建了人口、产业、公服、商业、交通、要素识别等7种算法模型库、21种通用算法模型，具体如建设用地地均人口承载强度、城镇功能指向承载能力、城镇建设适宜性评价、公共服务设施距离、区位条件、交通网络密度、综合优势评价等。城市结合各自应用需求，不断优化算法模型，实现算法之间的自动迭代及知识更新，辅助进行管理决策。

图3 厦门市CIM平台管理模块

（三）服务迭代

不同类型的模型经过反复迭代，通过对CIM系统中的感知机制、人机交互信息、虚拟环境等进行动态优化，使系统的输入和输出达到一个稳定的、易于理解的状态。这些涌现的模型将演变为产品化的模块，以微服务的方式，按照空间场景的需求，相互组合，提供数据描述、问题诊断、事件预测、行为决策、信息交换等共性的服务，并构建出数字化的空间场景，提供给人们进行操作交互的界面，于是CIM才有可能让数字化的场景得到检验，进而适用于真实的人类活动。本质上，这是公共的知识模块，可以在时空的框架下推动数据、模型、流程的快速再重组，从而建构了体系化的场景图谱。这称之为服务迭代或服务自我学习的第三层次。

例如，中新天津生态城CIM平台强调应用至上，基于日常事务和管理业务的需要，开发建设了九大智慧应用系统，包括城市规划系统、BIM报建系统、智能土地储备管理系统、智慧建设信息系统、智慧房屋管理系统、地下管线管理系统、绿色建筑能耗监控系统、智慧工地管理系统、海绵城市管控系统，实现建设业务全覆盖，极大地提高了生态城规划建设管理的效能和精细化水平。以绿色建筑能耗监控系统为例，可以对生态城城区及绿色建筑进行动态展示，直观察看能耗、构件属性以及绿建技术等情况，综合反映建筑能耗运行水平，实现实时监控及预警。

三大场景迭代的数据、模型、服务模块不断流动，形成了支撑各种创新应用的平台，涵盖宏观和微观两个层面。从这个角度来看，场景迭代是CIM技术的推动力，也是CIM进行人工智能学习的起点和终点。场景是一种具有“目标意识”的概念，首先通过人工输入，然后在CIM平台上不断地重组数据、模型、流程，同时又不断地生成数字化的场景，推动数据、模型以及流程的再重组，形成了多层次的场景迭代，从而建构起一个将抽象和具体、微观和宏观、过去和未来联系起来的体系化的知识图谱。

五、双向贯通的场景应用与反馈

CIM平台的多层次场景迭代本身是一个循环往复的过程，通过数据与技术的输入、重组、学习、再重组等步骤，产生新的数字化场景并建构体系化知识图谱，在此过程中要素并非单向流动的，而是双向交互流通的。基于这种属性，CIM平台不仅可以为智慧城市的规划—建设—管理—运维全过程提供相应技术支持，其数据分析及模型推演成果还可以反馈到城市前期的分析、规划、设计阶段，从而实现CIM技术对于产城顶层设计的支撑（图4）。

图4 各级管控要素传导示意图

以雄安新区为例，针对城市规划、建设、管理、运营全生命周期，雄安CIM以指标体系为抓手，构建了“城市—组团—单元—地块—建筑—部件”的传导机制。这属于规划和建设阶段的层层传递逻辑，保证了战略目标能最终落实到建设实施中。而在管理运营方面，由微观部件层面上收集到的信息，通过一步一步地向上传导，汇聚到建筑设施乃至控规地块，再传递到控规单元、专项管理单元，最终到组团乃至城市，进而辅助判断不同层级的城市管理和运行情况[14]。自上而下和自下而上两种传导过程构成了闭环，也实时进行交互影响，一方面，保证了从战略目标到建设实施的统一性；另一方面，辅助城市规划、设计、审查等的技术决策，以满足城市的动态性与复杂性，提高城市精细化管理程度。

六、结束语

CIM技术的出现与推广将对数字产城的城市化与信息化的深度融合提供强大支持，对提高产城管理水平与社会治理水平具有重要意义，并最终将为产城的高质量发展带来新的动力。本文面向智慧城市的规建管需求，构建了基于CIM的产城“规投设建管营碳元”一体化平台，对线下的物理城市进行全要素、全过程、全空间的数据资源采集，通过数据融合及模型互动感知形成线上的数字产城，对数字产城进行指标评估并反馈评估结果，助力产城科学规划、高效建设和优质运营。

CIM平台作为数字产城的“三维空间数据底板”和新型操作平台，在本文看来，并不只是一个简单的模型或技术的集合，还将产城感知、数据融合、模型互动、服务支撑、场景图谱等功能模块融合在一起，以场景迭代为驱动力，利用人工智能等技术，对数据结构和模型生成进行实时优化，为产城的建设和发展提供一个虚拟仿真环境，并最终反向驱动数字产城的顶层设计。