基于三維數(shù)字底座的CIM開發(fā)支撐平臺建設(shè)與應(yīng)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(shè)背景

為深入貫徹落實黨中央、國務(wù)院關(guān)于建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、數(shù)字中國的戰(zhàn)略部署，按照《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中建設(shè)智慧城市和數(shù)字鄉(xiāng)村的要求，完善城市信息模型（CIM）平臺和運行管理服務(wù)平臺，構(gòu)建城市數(shù)據(jù)資源體系，推進(jìn)城市數(shù)據(jù)大腦建設(shè)。探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。2020年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部辦公廳共同印發(fā)《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》（以下簡稱“導(dǎo)則”），指導(dǎo)各地開展CIM 建設(shè)。CIM 利用新基建技術(shù)，是新基建的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對城市數(shù)據(jù)的匯聚、融合和分析，為城市決策和行業(yè)應(yīng)用提供服務(wù)，實現(xiàn)城市全要素精細(xì)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(tài)信息的有機(jī)綜合體，將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一，形成綜合數(shù)據(jù)處理計算平臺[1]。

CIM開發(fā)支撐平臺軟件是以導(dǎo)則為建設(shè)依據(jù)，并結(jié)合多個項目實踐經(jīng)驗，提出的賦能智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)平臺，是為CIM 應(yīng)用開發(fā)建設(shè)單位快速搭建CIM ＋應(yīng)用的中臺產(chǎn)品。

該平臺依托建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，聚合集成城市管理相關(guān)數(shù)據(jù)，采取微服務(wù)架構(gòu)，應(yīng)用新一代三維GIS、分布式空間計算和云原生等技術(shù)，實現(xiàn)從CIM多源數(shù)據(jù)匯聚、治理、融合可視化、系統(tǒng)運維到共享分發(fā)等功能建設(shè)，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(nèi)、從靜態(tài)到動態(tài)、從城市到樓宇，提供從數(shù)據(jù)到服務(wù)的全方位能力，全面賦能智慧城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理、城市運營、城市服務(wù)等一系列智慧城市應(yīng)用。

2.建設(shè)現(xiàn)狀及存在問題

2.1 建設(shè)現(xiàn)狀

CIM 作為新型智慧城市建設(shè)的數(shù)字底座，主要從時空數(shù)據(jù)體系建設(shè)、構(gòu)建時空數(shù)據(jù)治理能力和城市CIM 服務(wù)能力三個方面開展，形成城市統(tǒng)一時空信息底座，服務(wù)于各類政府管理和智慧應(yīng)用建設(shè)。

我國CIM 建設(shè)從概念提出到發(fā)展經(jīng)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(shù)字城市建設(shè)階段。1999年，在北京召開的首屆國際數(shù)字地球大會，提出了數(shù)字城市的概念。此階段建設(shè)內(nèi)容以城市數(shù)字化和城市信息化為主要內(nèi)容，后來“數(shù)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(shè)階段。2012年11月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于開展國家智慧城市試點工作的通知》，標(biāo)志著數(shù)字城市建設(shè)開始向智慧城市建設(shè)轉(zhuǎn)型。此階段的主要建設(shè)內(nèi)容是將物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、云計算、大數(shù)據(jù)等進(jìn)行集成，促進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化。

第三個階段（2016年至今），新型智慧城市建設(shè)階段。2016年，國家發(fā)改委印發(fā)《關(guān)于組織開展新型智慧城市評價工作務(wù)實推動新型智慧城市健康快速發(fā)展的通知》，標(biāo)志著智慧城市建設(shè)向新型智慧城市建設(shè)轉(zhuǎn)型。建設(shè)內(nèi)容是“一個體系架構(gòu)、一張?zhí)斓匾惑w的柵格網(wǎng)、一個通用功能平臺、一個數(shù)據(jù)集合、一個城市運行中心、一套標(biāo)準(zhǔn)”[2]。2018年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于開展運用BIM 系統(tǒng)進(jìn)行工程建設(shè)項目審查審批和CIM 平臺建設(shè)試點工作的函》（建城函〔2018〕222 號），要求“運用BIM 系統(tǒng)實現(xiàn)工程建設(shè)項目電子化審批審查”“探索建設(shè)CIM 平臺”“統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”，為“中國智能建造2035”提供需求支撐，標(biāo)志著我國CIM 建設(shè)正式啟動。

2.2 需求及問題

智慧城市發(fā)展迫切需求信息化、工業(yè)化和城鎮(zhèn)化深度融合，并成為新型城市建設(shè)管理新的實現(xiàn)思路。CIM 作為智慧城市的基礎(chǔ)，隨著智慧城市的建設(shè)需求增大，CIM 的建設(shè)需求也越發(fā)迫切。

數(shù)據(jù)是CIM 的基礎(chǔ)，多源數(shù)據(jù)融合管理是CIM 建設(shè)的重點。CIM 建設(shè)需要破解當(dāng)下城市規(guī)建管中存在的數(shù)據(jù)碎片化、數(shù)據(jù)延遲、數(shù)據(jù)封閉、數(shù)據(jù)格式多樣、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等情況導(dǎo)致的數(shù)據(jù)應(yīng)用困難、更新困難、共享困難等問題。

多行業(yè)多類型的業(yè)務(wù)應(yīng)用需要豐富的指標(biāo)模型支撐，城市業(yè)務(wù)的高速運轉(zhuǎn)需要智能化支撐能力，因此，快速搭建CIM+應(yīng)用成為了CIM 相關(guān)建設(shè)的重要部分，而各業(yè)務(wù)參與方的信息流轉(zhuǎn)、協(xié)同管理是當(dāng)前搭建CIM+應(yīng)用的難點。

3.關(guān)鍵技術(shù)及平臺架構(gòu)

為解決上述問題，進(jìn)行多源多位數(shù)據(jù)聚合關(guān)鍵技術(shù)的研究，通過建立豐富的多源數(shù)據(jù)融合匹配機(jī)制，集成新一代三維GIS、微服務(wù)架構(gòu)、分布式空間計算和云原生等多項技術(shù)，解決數(shù)據(jù)治理、管理、更新與共享過程中的問題，滿足各種數(shù)據(jù)信息類型的應(yīng)用場景。我們提出CIM開發(fā)支撐平臺和CIM+應(yīng)用的分層次建設(shè)方案，為智慧城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務(wù)中臺支撐。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 新一代三維GIS

新一代三維GIS 優(yōu)化了三維體數(shù)據(jù)模型和體元柵格，提供數(shù)據(jù)模型相互轉(zhuǎn)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(gòu)數(shù)據(jù)，支持《空間三維模型數(shù)據(jù)服務(wù)接口》標(biāo)準(zhǔn)，全面賦能室外室內(nèi)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(shù)字孿生空間構(gòu)建[3]。

3.1.2 分布式空間計算

分布式空間計算是把單一復(fù)雜的空間計算任務(wù)拆分為多個子任務(wù)，利用多臺計算機(jī)協(xié)同計算輸出結(jié)果，構(gòu)建物理分布、邏輯統(tǒng)一的空間信息處理模式，與傳統(tǒng)單機(jī)算子模式相比，采用分布式模式提供了良好的性能和擴(kuò)展性。

3.1.3 微服務(wù)與云原生

微服務(wù)架構(gòu)是一種軟件架構(gòu)模式，是面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的延伸，將傳統(tǒng)單體應(yīng)用劃分成一組小的服務(wù)，服務(wù)之間相互協(xié)調(diào)配合為用戶提供最終價值。云原生是以微服務(wù)、容器、自動編排等技術(shù)為基礎(chǔ)建立的云技術(shù)體系，采用云原生技術(shù)可以實現(xiàn)自動化高效運維管理。

3.2 平臺架構(gòu)

平臺架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施、GIS 引擎、數(shù)據(jù)中臺、業(yè)務(wù)中臺和綜合門戶構(gòu)成（如圖1）。

圖1 CIM開發(fā)支撐平臺架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施包括信息化基礎(chǔ)設(shè)施和各類物聯(lián)感知設(shè)備，是以公有云、私有云為基礎(chǔ)構(gòu)建的混合云基礎(chǔ)環(huán)境，包括存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)、容器等基礎(chǔ)資源和各類基礎(chǔ)中間件服務(wù)，為CIM開發(fā)支撐平臺及CIM+應(yīng)用提供基礎(chǔ)運行環(huán)境。

GIS 引擎為平臺提供GIS 數(shù)據(jù)存儲、處理、管理、計算、可視化等服務(wù)能力，滿足CIM+應(yīng)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(shù)據(jù)中臺是CIM開發(fā)支撐平臺的核心，提供城市多源多位數(shù)據(jù)聚合、治理、管理、更新與共享等功能，為智慧城市業(yè)務(wù)應(yīng)用提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)服務(wù)。

業(yè)務(wù)中臺是各類通用服務(wù)的集合，支持智慧城市業(yè)務(wù)應(yīng)用快速搭建。電子沙盤集成三維空間分析和指標(biāo)模型數(shù)據(jù)計算能力，結(jié)合圖表、文字等多類信息，實現(xiàn)對城市建設(shè)項目三維場景圖文一體化展示。通過指標(biāo)模型提供業(yè)務(wù)智能審查能力，將審查指標(biāo)數(shù)字化轉(zhuǎn)譯并內(nèi)置平臺，實現(xiàn)各部門對工程建設(shè)項目的自動化審查和管控。CIM+應(yīng)用的擴(kuò)展能力為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和決策提供支撐，適配智慧城市、智慧園區(qū)、智慧場站和智慧建筑等場景應(yīng)用（如圖2）。

圖 2 CIM開發(fā)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(shè)項目重點聚焦歷史城區(qū)（19.2 平方公里），以城市更新為試點進(jìn)行CIM+古城保護(hù)更新的應(yīng)用建設(shè)。項目要求高效落地聚焦測繪現(xiàn)狀、規(guī)劃管控、業(yè)務(wù)管理、社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)類型，匯集城市現(xiàn)狀、規(guī)劃、建設(shè)、管理全周期要素，構(gòu)建該市“1+10”的CIM 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，建立統(tǒng)一的CIM 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，初步形成具有特色的市、縣（區(qū)）兩級架構(gòu)的“1+10”基礎(chǔ)平臺以及CIM+應(yīng)用。

4.2 項目建設(shè)內(nèi)容

項目投資約5000 萬，建設(shè)內(nèi)容包括平臺標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、數(shù)據(jù)工程、CIM 數(shù)據(jù)資源庫、平臺支撐引擎、CIM+應(yīng)用建設(shè)、相關(guān)硬件采購和“1+10”主分節(jié)點建設(shè)。匯聚各類數(shù)據(jù)，包括時空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如地形地貌、水域、交通、行政區(qū)劃、管理單元、地名地址、歷史影像、三維建筑模型等數(shù)據(jù)；資源調(diào)查數(shù)據(jù)，如三調(diào)土地利用現(xiàn)狀、地理國情普查數(shù)據(jù)、地質(zhì)調(diào)查、耕地資源、森林資源、礦產(chǎn)資源、水資源等；規(guī)劃管控數(shù)據(jù)，如重要控制線、控制性詳細(xì)規(guī)劃、相關(guān)專項規(guī)劃，及已有的規(guī)劃管控條件等。

本項目利用CIM開發(fā)支撐平臺進(jìn)行CIM 基礎(chǔ)平臺搭建以及CIM ＋應(yīng)用的二次開發(fā)，極大的縮短了項目建設(shè)周期，從規(guī)劃周期1年縮短為6 個月上線。并且對數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理以及門戶網(wǎng)站可視化等業(yè)務(wù)，實現(xiàn)零代碼開發(fā)，開發(fā)者只需要進(jìn)行簡單的配置，即可完成工作，極大的降低開發(fā)難度，并且保證交付質(zhì)量。

4.3 效益及價值

4.3.1 發(fā)展技術(shù)體系，建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

項目利用現(xiàn)有的傾斜攝影數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)開展了多規(guī)數(shù)據(jù)融合、二三維場景可視化及規(guī)劃管控等示范，完成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作，夯實三維數(shù)字底座。

4.3.2 推動行業(yè)創(chuàng)新，提升社會價值

借助技術(shù)優(yōu)勢，通過工程建設(shè)項目報建并與“多規(guī)合一”管理平臺的應(yīng)用，助力城市運營管理轉(zhuǎn)型升級，通過精細(xì)化的管理，降低能耗、內(nèi)耗、時間成本的消耗，形成數(shù)字產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展數(shù)字化經(jīng)濟(jì)，提升空間治理能力，提高群眾幸福指數(shù)，實現(xiàn)宜居城市。

5.總結(jié)

CIM開發(fā)支撐平臺基于新一代三維GIS 的三維數(shù)字底座，采用微服務(wù)架構(gòu)，融合分布式空間計算和云原生等關(guān)鍵技術(shù)，具有多源數(shù)據(jù)集成與管理、多位一體、多技術(shù)的融合應(yīng)用、豐富的指標(biāo)管理、業(yè)務(wù)支撐能力和一體化解決方案等特點，可以提供數(shù)據(jù)資源體系與共享服務(wù)、分布式數(shù)據(jù)管理與分析、云資源管理與監(jiān)控運維管理等功能，是支撐城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和運維的數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務(wù)中臺。

同時，平臺具有統(tǒng)一豐富的開發(fā)接口，在城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和運維方面為二次開發(fā)提供CIM+應(yīng)用服務(wù)與開發(fā)定制，可以支撐CIM 在多個行業(yè)應(yīng)用的快速開發(fā)搭建，簡化軟件開發(fā)的過程，降低人力物力成本，同時支撐智慧城市管理業(yè)務(wù)，實現(xiàn)城市管理的智慧化建設(shè)。