基于三維數字底座的CIM開發支撐平臺建設與應用

文｜北京超圖軟件股份有限公司 池晨 屈曉波 楊憬

1.概述

1.1 建設背景

為深入貫徹落實黨中央、國務院關于建設網絡強國、數字中國的戰略部署，按照《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》中建設智慧城市和數字鄉村的要求，完善城市信息模型（CIM）平臺和運行管理服務平臺，構建城市數據資源體系，推進城市數據大腦建設。探索建設數字孿生城市。2020年，住房和城鄉建設部辦公廳共同印發《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》（以下簡稱“導則”），指導各地開展CIM 建設。CIM 利用新基建技術，是新基建的重要組成部分，能夠實現對城市數據的匯聚、融合和分析，為城市決策和行業應用提供服務，實現城市全要素精細化治理。

1.2 CIM 定義

城市信息模型（City Information Modeling，簡稱CIM）是三維城市空間模型和城市動態信息的有機綜合體，將多源數據進行統一，形成綜合數據處理計算平臺[1]。

CIM開發支撐平臺軟件是以導則為建設依據，并結合多個項目實踐經驗，提出的賦能智慧城市建設的基礎平臺，是為CIM 應用開發建設單位快速搭建CIM ＋應用的中臺產品。

該平臺依托建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、物聯網（IOT）數據等為基礎，聚合集成城市管理相關數據，采取微服務架構，應用新一代三維GIS、分布式空間計算和云原生等技術，實現從CIM多源數據匯聚、治理、融合可視化、系統運維到共享分發等功能建設，為城市多維度全生命周期管理——從平面到立體、從地上到地下、從GIS 到BIM、從室外到室內、從靜態到動態、從城市到樓宇，提供從數據到服務的全方位能力，全面賦能智慧城市規劃、城市建設、城市管理、城市運營、城市服務等一系列智慧城市應用。

2.建設現狀及存在問題

2.1 建設現狀

CIM 作為新型智慧城市建設的數字底座，主要從時空數據體系建設、構建時空數據治理能力和城市CIM 服務能力三個方面開展，形成城市統一時空信息底座，服務于各類政府管理和智慧應用建設。

我國CIM 建設從概念提出到發展經歷了近二十年時間，大致可分為三個階段：

第一個階段（1999—2012年），數字城市建設階段。1999年，在北京召開的首屆國際數字地球大會，提出了數字城市的概念。此階段建設內容以城市數字化和城市信息化為主要內容，后來“數字城市”這一概念被廣泛用于城市信息化管理。

第二個階段（2012—2016年），智慧城市建設階段。2012年11月，住房和城鄉建設部印發《關于開展國家智慧城市試點工作的通知》，標志著數字城市建設開始向智慧城市建設轉型。此階段的主要建設內容是將物聯網（IoT）、云計算、大數據等進行集成，促進城市規劃、建設、管理和服務智慧化。

第三個階段（2016年至今），新型智慧城市建設階段。2016年，國家發改委印發《關于組織開展新型智慧城市評價工作務實推動新型智慧城市健康快速發展的通知》，標志著智慧城市建設向新型智慧城市建設轉型。建設內容是“一個體系架構、一張天地一體的柵格網、一個通用功能平臺、一個數據集合、一個城市運行中心、一套標準”[2]。2018年，住房和城鄉建設部印發《關于開展運用BIM 系統進行工程建設項目審查審批和CIM 平臺建設試點工作的函》（建城函〔2018〕222 號），要求“運用BIM 系統實現工程建設項目電子化審批審查”“探索建設CIM 平臺”“統一技術標準”，為“中國智能建造2035”提供需求支撐，標志著我國CIM 建設正式啟動。

2.2 需求及問題

智慧城市發展迫切需求信息化、工業化和城鎮化深度融合，并成為新型城市建設管理新的實現思路。CIM 作為智慧城市的基礎，隨著智慧城市的建設需求增大，CIM 的建設需求也越發迫切。

數據是CIM 的基礎，多源數據融合管理是CIM 建設的重點。CIM 建設需要破解當下城市規建管中存在的數據碎片化、數據延遲、數據封閉、數據格式多樣、標準不統一等情況導致的數據應用困難、更新困難、共享困難等問題。

多行業多類型的業務應用需要豐富的指標模型支撐，城市業務的高速運轉需要智能化支撐能力，因此，快速搭建CIM+應用成為了CIM 相關建設的重要部分，而各業務參與方的信息流轉、協同管理是當前搭建CIM+應用的難點。

3.關鍵技術及平臺架構

為解決上述問題，進行多源多位數據聚合關鍵技術的研究，通過建立豐富的多源數據融合匹配機制，集成新一代三維GIS、微服務架構、分布式空間計算和云原生等多項技術，解決數據治理、管理、更新與共享過程中的問題，滿足各種數據信息類型的應用場景。我們提出CIM開發支撐平臺和CIM+應用的分層次建設方案，為智慧城市建設提供數據中臺和業務中臺支撐。

3.1 關鍵技術

3.1.1 新一代三維GIS

新一代三維GIS 優化了三維體數據模型和體元柵格，提供數據模型相互轉換的能力，完善了三維空間分析和空間查詢等功能。全面支持傾斜攝影模型、BIM 等多源異構數據，支持《空間三維模型數據服務接口》標準，全面賦能室外室內一體化、宏觀微觀一體化與空天地表地下一體化等多位一體的數字孿生空間構建[3]。

3.1.2 分布式空間計算

分布式空間計算是把單一復雜的空間計算任務拆分為多個子任務，利用多臺計算機協同計算輸出結果，構建物理分布、邏輯統一的空間信息處理模式，與傳統單機算子模式相比，采用分布式模式提供了良好的性能和擴展性。

3.1.3 微服務與云原生

微服務架構是一種軟件架構模式，是面向服務架構（SOA）的延伸，將傳統單體應用劃分成一組小的服務，服務之間相互協調配合為用戶提供最終價值。云原生是以微服務、容器、自動編排等技術為基礎建立的云技術體系，采用云原生技術可以實現自動化高效運維管理。

3.2 平臺架構

平臺架構由基礎設施、GIS 引擎、數據中臺、業務中臺和綜合門戶構成（如圖1）。

圖1 CIM開發支撐平臺架構

基礎設施包括信息化基礎設施和各類物聯感知設備，是以公有云、私有云為基礎構建的混合云基礎環境，包括存儲、計算、網絡、容器等基礎資源和各類基礎中間件服務，為CIM開發支撐平臺及CIM+應用提供基礎運行環境。

GIS 引擎為平臺提供GIS 數據存儲、處理、管理、計算、可視化等服務能力，滿足CIM+應用在城市二三維場景瀏覽、空間分析和模擬仿真等方面的需要。

數據中臺是CIM開發支撐平臺的核心，提供城市多源多位數據聚合、治理、管理、更新與共享等功能，為智慧城市業務應用提供高質量數據服務。

業務中臺是各類通用服務的集合，支持智慧城市業務應用快速搭建。電子沙盤集成三維空間分析和指標模型數據計算能力，結合圖表、文字等多類信息，實現對城市建設項目三維場景圖文一體化展示。通過指標模型提供業務智能審查能力，將審查指標數字化轉譯并內置平臺，實現各部門對工程建設項目的自動化審查和管控。CIM+應用的擴展能力為城市規劃、建設、管理和決策提供支撐，適配智慧城市、智慧園區、智慧場站和智慧建筑等場景應用（如圖2）。

圖 2 CIM開發支撐平臺城市電子沙盤

4.典型案例

4.1 項目背景

某市CIM 建設項目重點聚焦歷史城區（19.2 平方公里），以城市更新為試點進行CIM+古城保護更新的應用建設。項目要求高效落地聚焦測繪現狀、規劃管控、業務管理、社會經濟等數據類型，匯集城市現狀、規劃、建設、管理全周期要素，構建該市“1+10”的CIM 基礎數據庫，建立統一的CIM 標準規范體系，初步形成具有特色的市、縣（區）兩級架構的“1+10”基礎平臺以及CIM+應用。

4.2 項目建設內容

項目投資約5000 萬，建設內容包括平臺標準規范體系、數據工程、CIM 數據資源庫、平臺支撐引擎、CIM+應用建設、相關硬件采購和“1+10”主分節點建設。匯聚各類數據，包括時空基礎數據，如地形地貌、水域、交通、行政區劃、管理單元、地名地址、歷史影像、三維建筑模型等數據；資源調查數據，如三調土地利用現狀、地理國情普查數據、地質調查、耕地資源、森林資源、礦產資源、水資源等；規劃管控數據，如重要控制線、控制性詳細規劃、相關專項規劃，及已有的規劃管控條件等。

本項目利用CIM開發支撐平臺進行CIM 基礎平臺搭建以及CIM ＋應用的二次開發，極大的縮短了項目建設周期，從規劃周期1年縮短為6 個月上線。并且對數據管理、數據處理以及門戶網站可視化等業務，實現零代碼開發，開發者只需要進行簡單的配置，即可完成工作，極大的降低開發難度，并且保證交付質量。

4.3 效益及價值

4.3.1 發展技術體系，建立數據標準

項目利用現有的傾斜攝影數據、BIM數據、基礎地理信息數據、規劃基礎數據等多源數據開展了多規數據融合、二三維場景可視化及規劃管控等示范，完成數據標準化建設工作，夯實三維數字底座。

4.3.2 推動行業創新，提升社會價值

借助技術優勢，通過工程建設項目報建并與“多規合一”管理平臺的應用，助力城市運營管理轉型升級，通過精細化的管理，降低能耗、內耗、時間成本的消耗，形成數字產業鏈，發展數字化經濟，提升空間治理能力，提高群眾幸福指數，實現宜居城市。

5.總結

CIM開發支撐平臺基于新一代三維GIS 的三維數字底座，采用微服務架構，融合分布式空間計算和云原生等關鍵技術，具有多源數據集成與管理、多位一體、多技術的融合應用、豐富的指標管理、業務支撐能力和一體化解決方案等特點，可以提供數據資源體系與共享服務、分布式數據管理與分析、云資源管理與監控運維管理等功能，是支撐城市規劃、建設、管理和運維的數據中臺和業務中臺。

同時，平臺具有統一豐富的開發接口，在城市規劃、建設、管理和運維方面為二次開發提供CIM+應用服務與開發定制，可以支撐CIM 在多個行業應用的快速開發搭建，簡化軟件開發的過程，降低人力物力成本，同時支撐智慧城市管理業務，實現城市管理的智慧化建設。