来源丨 《城市发展研究刊物》2018年第11期 作者：包胜 杨溟钦 欧阳笛帆
基于城市信息模型的新型智慧城市管理平台
【摘要】自20l2年我国开展智慧城市建设项目以来，各地智慧城市的建设如火如茶。然而，在实践过程中，现有的智慧城市建设模式仍然反映出许多不足之处，“数据孤岛”、“重复建设”等现象屡见不鲜。近年来，随着城市信息模型技术的诞生，这一结合了三维地理信息系统、建筑信息模型和物联网等多种先进技术的城市管理手段，将为智慧城市的建设注入新鲜的血液。从智慧城市和CIM技术的内涵出发，两线并行，形成一套基于CIM的智慧城市管理平台设计方案，并结合现存的智慧城市建设管理模式，对基于CIM的新型智慧城市建设的合作模式、内在逻辑、运行优势和建设目标进行细致讨论，最终为我国“新型城镇化”建设提供一套切实可行的方案
【关键词】城市信息模型；建筑信息模型；智慧城市；新型城镇化
引言
截至2016年，中国城市化率已经达到了57.4%，并且预计在未来将持续增长，年复合增长率超过1% ,在2050年将有望超过80%。随着城市化进程加快，城市面临的问题也逐渐增多，如何在城市管理过程中解决日益严峻的种种挑战，成为了政府首要考虑的问题，包括人口、医疗、交通、环保和资源短缺等挑战。
智慧城市的出现就是为了给城市发展中遇到的问题提供一个一体化的解决方案据统计，在投资了智慧科技和基础设施的城市中，失业率可以降低1%，GDP增长率提高0.7%；投资智能电网、科技、基础设施会使得当地办公用房比例提高2.5%；并且每提高20%的ICTs（Information and Communication Technologies，信息通信技术）设施，该城市的GDP增长会提高1.0%。美国、欧洲和日本等国作为城镇化水平相对较高的先进发达国家，早已相继开始了智慧城市的相关研究，并取得了一定的进展。
2012年，住房和城乡建设部第一次提出要建设“智慧中国”。后来，随着实践的不断深入，针对城市建设中出现的一系列问题，相关部门在《2016年政府工作报告》中指出要建设“新型智慧城市”，即通过一个一体化的综合平台来解决信息孤岛和重复建设的问题，面向不同的使用对象和不同的城市文化，建立具有特色的因地制宜的功能设置。
城市信息模型(City Information Modeling, CIM ) 就是这样一个集成的、融合的、包容并蓄的管理平台。CIM平台是三维地理信息系统(Three Dimensional Geographic Information System , 3 DGIS)、建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM ) 的融合，既可以存储城市规模的海量信息，又可以作为云平台提供协同工作与数据调阅功能；同时如果和物联网、大数据挖掘、石计算等技术结合起来，还能提供满足城市发展需求的集成性管理系统。
01PART智慧城市理论
1.1智慧城市的概念
智慧城市(Smart City )概念首次提出是在20世纪90年代，它被用于形容城市发展过程中的科技化、创新化和全球化进程在2009年，随着IBM提出“智慧地球(Smarter Planet)"的概念，“智慧城市 (Smart City)”再次进入了公众的视野，它被定义为以“建立一个由新工具、新技术支持的涵盖政府、市民和商业组织的新城市生态系统”为核心的技术方案。
在学界，由于智慧城市涉及到一个相对较广的概念，需要多学科交叉理解，所以并没有形成统一的概念。一些学者试图从智慧城市的功能来定义它，指出智慧城市需实现智慧经济、智慧政府、智慧市民、智慧出行、智慧生活和智慧环境等要素，只有他们充分协同，相互促进才能够实现智慧城市的建设。另外一部分学者则倾向于从技术角度来解释智慧城市的概念，他们强调先进信息技术和固有城市组成部分的结合问题，数据的交流和信息的存储与利用是他们首要关心的问题。但这两种定义方式并不是完全脱离的，如果浏览后者的研究文献，不难发现他们所提出的信息存储平台并不是智慧城市概念的终点，最终这样的技术设计还是落实到了具体的功能上。
综合来看，可以将智慧城市解释为以实现智慧经济、智慧政府、智慧市民、智慧出行、智慧环境和智慧生活为目标，通过相关的先进信息技术，着重解决数据交流和信息存储与利用等问题，改善城市化进程中的各种问题的过程。1.2 智慧城市的架构体系
智慧城市的结构体系在经过多年的研究发展后，基本形成了从下而上的四级体系，分别是：感知层、传输层、数据处理层和应用层（表1）。
02PART从智慧城市到新型智慧城市
2.1 我国智慧城市的建设现状
对于智慧城市建设的探索，国内主要经历了三个阶段：探索阶段（2012年11月-2014年3月）、规范阶段（2014年3月-2015年12月）和新型智慧城市阶段（2015年12月至今）。
自2012年智慧城市相关政策出台以来，我国智慧城市建设事业开展得如火如荼，2018年全国智慧城市的市场规模预计将达到6504亿元人民币，截至2016年6月，全国95%的副省级以上城市和超过76%的地级城市，共五百余座，提出或正在建设智慧城市。
2.2 新型智慧城市
纵观目前我国的智慧城市建设情况，虽然总体态势良好，但是仍然面临着以下问题：
数据孤岛和重复建设：由于建设智慧城市的数据量非常大而且信息很繁杂，许多领域的信息需要融合起来，而实现数据融合又需要相关科技、资金的支持，其商业价值还暂不明朗，导致数据融合缺乏动力。这也进一步导致不同部门之间要对某些共同的应用内容或数据模型进行重复建设，浪费大量人力物力；
缺乏顶层规划：鉴于每个城市实际情况不一，建设特色不同，城市的各个部门的战略规划也有差异，导致我国智慧城市发展缺乏统一的总体规划，为日后实现智慧城市群及智慧中国造成了困难；
信息保护缺位：智慧城市的建设势必要求居民、政府和企业之间的信息互通。对于如何保护数据和控制网络安全风险，相关的政策措施和研究创新还需进一步发展；
项目离散明显：由于各个城市和各个部门的发展规划比较分散，智慧城市不同项目之间的离散趋势明显，我国智慧城市发展水平存在内部差距大、两极分化严重的现象。
为打通传统智慧城市中的“信息烟囱”、“数据孤岛”，实现城市数据釆集、共享和利用，建立统一的城市“数据大脑”，“十三五规划”指出要“以基础设施智能化、公共服务便利化、社会治理精细化为重点，充分运用现代信息技术和大数据，建设一批新型示范性智慧城市”。2016年11月22日，国家发展改革委、中央网信办、国家标准委联合发布的 《关于组织开展新型智慧城市评价工作务实推动新型智慧城市健康快速发展的通知》指出“新型智慧城市是以创新引领城市发展转型、全面推进新一代信息通信技术与新型城镇化发展战略、深度融合并提高城市治理能力现代化水平、实现城市可持续发展的新路径、新模式、新形态为目标，同时落实国家新型城镇化发展战略，提升人民群众幸福感和满意度，促进城市发展方式转型升级的系统工程”。
03PARTCIM的体系架构
3. 1 CIM的基本概念
CIM（City Information Modeling，城市信息模型）概念是对BIM相似概念的延展，实际是将BIM的作用对象从建筑物（Building）扩大到了城市（City），总的来说，CIM就是将BIM的应用从建筑上扩展开，到达了市政、城市规划和道桥等建筑业全领域，将模型的规模从单个建筑或者一个项目群放大到了整个城市。香港科技大学Jack C. P. Cheng等人在CIM技术的综述文章中就将CIM定义为：“BIM技术在非构筑物类设施项目中的应用”。实际上，类似于BIM,CIM的定义实际有三重涵义：
模型涵义：CIM是包含城市所有设施物理特性 和相关信息的数字模型；
平台涵义：CIM是一个可以存储、提取、更新和修改所有城市相关信息的数字化平台，相关部门可以在CIM平台上实现数据的共享和信息的传递, CIM应该在城市化的全过程中发挥作用；
行为涵义：CIM是指将城市各种信息收集、整理、存储并在规划、设计、分析、运维中提供决策支持的过程。
3. 2 CIM的核心技术
CIM作为一个可以存储、提取、更新和修改所有城市相关信息的数字化平台，需要完成数据釆集、数据存储、协同平台、信息传递等多项功能。而要实现这些功能，就不仅仅是BIM技术单独作用可以达到的了，CIM的核心技术涉及物联网（IoT）、GIS、BIM及其集成技术，他们分别在不同的阶段发挥作用，物联网是数据采集阶段的主要手段，通过城市中成百上千的感知系统来提取底层数据，为模型的建立服务；GIS和BIM则在数据存储中产生作用，通过GIS和BIM的集成，形成一个可视化的信息存储、提取、交流平台，是技术架构的重中之重，也是智慧城市等相关城市管理理念发展的技术需求。3.2.1 GIS在CIM中的应用
GIS（Geographic Information System ,地理信息系统）被定义为可以通过空间或地理坐标来处理数据的信息系统，可以抓取、储存、修改、分析、管理和展示所有地理信息，GIS中的信息可以用于城市规划、气象防灾、农业管理、统计分析、交通出行等多个方面。GIS的定义可以分为两个部分，外在来说GIS是一个城市的数字模型，内在来说GIS是承载了城市大量信息数据的平台。
当把GIS作为一个软硬件支持下建立的城市数字模型来分析，从建模的角度来说，由于GIS软件的通用语言是CityGML（ City Geography Markup Language），它有以下几个特点：
（1）采用绝对坐标系；
（2）CityGML的几何表达方式是边界描述（Boundary Representation, B-Re）。即当描述一个几何体的时候，这种几何表达方式是通过分别描述几何体的每个面来实现的。通俗的讲，GIS的三维模型是面状的，而不是体状的，故而GIS不可以存储建筑物内部构件的具体信息；
（3）作为语义丰富的数据标准，CityGML能够支持城市对象从LoD0- LoD4（LoD层级涵义如图1）共五个层次的细节建模。这里可以理解为，当不断放大GIS模型的时候，模型能够自动载入更细节的信息，但是当不需要细部信息的时候，模型又能以较为轻量的模式运行。这个特点对于大规模的城市级信息存储有着至关重要的作用，也直接决定了GIS在CIM系统中作为基本载体。
当把GIS看作是承载了城市大量信息数据的集中体时，GIS的信息又分为了几个不同的层级：地形图一影像图一地下空间一电子地图一地名地址一框架要素一经济人文信息（图2）。其中地形图、影像图和地下空间共同构成了GIS的地理模型，而电子地图、地名地址、框架要素和经济人文信息构成了附着于地理空间模型上的第二信息层，并在智慧城市的建设中发挥着重要的作用。但是GIS所涉及的信息模型并不完整，在实际城市中，地理空间上必定无法直接架构信息层，而需要其间的过渡层——建筑设施层来完成信息的架构，这就指向了BIM。
3.2.2 BIM在CIM中的应用
BIM ( Building Information Modeling，建筑信息模型)的概念是多重的，它既指建设项目（及其中的设施和功能特性）的数字化模型，又可以指通过创建和利用数字模型在设计一施工一运营的全生命周期内进行协同工作和集成管理的过程。在CIM中对于BIM技术的应用也可以从两个方面来理解：
从数字模型的角度分析，目前BIM软件通用由Building SMART联盟提出的IFC标准，其几何表达方式有三种：边界几何（B-Rep, Boundary Representation )，扫描体（Swept Solid )和构造实体（Constructive Solid Geometry, CSG）。同时IFC存储了建筑物及其所有构件的多种语义信息，如所有者信息，模型修改历史记录，以及建筑构件的成本和施工时间表等内容。对比CityGML和IFC，可以总结如表2。
从模型内承载信息的角度来分析，BIM又可以较好地弥补GIS中建筑及基础设施内部信息的缺失。现今普遍要求从项目规划设计阶段就开始进行BIM建模，本身就是对于CIM模型的更新，所以说BIM天然就是CIM的一部分。只要将GIS平面的多层级地理环境信息和BIM立体的全生命周期建筑设施的内部信息结合，就能将基于BIM的三维建筑模型放置在基于GIS建立的地理环境模型上，继而整合成为全面的城市规模的信息模型。 图3是BIM模型融合入GIS场景后的效果图。
3.3 CIM技术的基本架构
总而言之，BIM和GIS在CIM技术中扮演着不同的角色，发挥着各自的功用，同时两者需要有效地结合成一个集成化的系统来实现1+1>2的效果。BIM和GIS实际是类似于块和面的作用，BIM用于存储代表具体建筑物的一个个体块的所有信息，而GIS用于存储城市从地理信息开始到经济社会数据的一系列面的信息，BIM是GIS的微观补充，GIS是BIM的宏观框架，因此可以总结CIM技术的基本架构如图4。
04PART基于CIM的新型智慧城市
4. 1平台基本架构
基于CIM的智慧城市的基本架构包含了智慧城市的概念架构和智慧城市的技术架构两个部分。
首先是智慧城市的概念架构。智慧城市是基于现实城市的技术概念，它的主要参与方与现实城市相同，即政府、居民和企业。智慧城市的底层是城市的地理空间模型；然后是基于地理空间的自然资源如：湖泊、森林等；接下来则是城市的基础设施；最上层即城市的经济社会系统。政府、居民和企业的活动在不同层级间都有出现，并且存在交叉和重叠。
其次是关于智慧城市的技术架构。前文也有讨论把智慧城市的架构体系分为四层：感知层、传输层、数据处理层和应用层CIM平台就是利用物联网技术将CIM模型和城市连接起来形成一个可更新的数据库，同时利用云计算和大数据等形成一个可实现信息共享与传递的工作平台，以支持各项应用综上所述，CIM其实是实现智慧城市的下层基础，智慧城市是CIM技术的上层建筑（图5）。
4. 2 CIM平台的应用优势
4.2.1政府主导、企业助力、居民参与的三方合作模式——由上而下，顶层规划
CIM在智慧城市管理中担当着实现应用需求的基础平台的角色。平台的参与方包括政府、居民和企业。CIM平台的建设具有以下特点：
政府主导——政府是城市的管理者，负责城市的基本政策制定政府工作的特殊性质决定了政府在CIM平台中必须处于领导者的地位，因此由政府来筛选和过滤信息，并且决定CIM平台的功能导向。故而，政府注定是智能城市建设引导者，也是CIM平台的管理者和使用主体；另外，从实用的角度来说，企业或居民也无需接触城市建设过程中的全部信息，提供过量的信息反而会降低效率，譬如：对于一般居民来说，消防管道的维护信息可用 性就非常低。
企业推动——企业在C1M平台建设的过程中, 应该和政府合作推进智能城市建设，这种合作可以是多领域的，包括在融资、技术支持、产品支持等方面双方都可以建立深入的合作。这是双赢的选择, 对企业来说，智慧城市的市场潜力是巨大的，由罗兰贝格发布的《2017全球战略指数报告》预计未来十年，智慧城市相关全球市场容量预计将会从2017年的130亿美元增长到2023年的280亿美元，每年增长率达到13%。特别是亚太地区的市场增速将在2023年提高到32% ,对于企业来说，这样的市场规模带来的利润是十分可观的；对于政府来说，企业可以提供很好的资金和技术支持，只要政府提供良好的商业环境，企业就可以为政府提供更加高效的技术来源。
居民参与——居民在CIM平台中实际上是客体的角色，因为CIM平台的最终目的是为城市的发展服务，而城市发展的重要指标就是居民生活幸福。所以实际可以把CIM平台的建设看作提升城市居民福利的一个途径，居民在CIM平台中享受智慧医疗、智慧交通、智慧物流等带来的便利，并且积极地为政府带来反馈信息。
结合以上特点，CIM平台是针对同一个物理空间以及附着在其上的信息形成的由政府组织建设和管理，对居民和企业有选择性地开放，从而解决城市发展进程中的一系列问题的信息平台（图6）。这样的建设模式可以提升在智慧城市建设过程中所缺乏的顶层规划意识，由政府作为领导者，就可以从城市发展的角度出发，结合政府的长期建设规划，自上而下的以实际需求为导向来建设智慧城市，可有效地避免重复建设、数据多次采集等问题。
4.2.2规划一建设一管理的智慧化三步走策略
在智慧城市的建设过程中存在项目离散性大，发展水平两极分化严重等问题。其中一方面是由于在建设过程中没有顶层规划意识所导致的，另一方面则是因为在智慧城市的建设过程中，由于面向的对象是已经较为成熟的城市，城市管理者如果单纯从现有的短期实际需求出发，就容易跳脱出城市固有的发展逻辑，造成部分项目建设如同“空中楼阁”。譬如，硬交通领域没有推行BIM标准，却先要求建设城市软交通大数据模型，导致多次大量建模，重复输入数据，浪费人力物力。在CIM平台建设的过程中，要尽可能地还原城市建设过程，贯彻规划智慧化——建设智慧化——管理智慧化的三步走策略，最终CIM平台的建设将呈现一种树状的发展模式（图7），其主要特点如下：
CIM模型作为树根，是智慧城市建设的基础，它包含了城市发展过程中必要的信息和数据；在城市建设的过程中，既可以利用CIM模型已有的数据进行智慧规划设计，又可以将新建成的项目模型作为CIM模型的补充和更新，两者相辅相成；
在城市基础设施建设智慧化的基础上，结合城市的经济和人文信息（往往已经包含在GIS中），政府各部门就可以实现智慧化的城市管理。通过CIM平台，城市的社会、自然、人文资源被集成起来，这使得政府可以高效、方便地完成日常工作；
但CIM平台建设的最终目的不止于政府的管理，它应该为在城市中生活的居民和城市中的产业经济发展服务，故而在智慧管理中，政府可以通过CIM平台为居民提供更好的服务和生活环境，为城市经济发展助力，最终实现智慧服务和智慧产业。
4.2.3基于CIM的多部门协同平台一一消除信息孤岛，避免重复建设
传统的城市管理理论体系倾向于从不同的角度出发来解析城市管理体系，通常分为：城市规划管理、城市基础设施管理、城市经济管理、城市社会管理、城市环境管理和城市危机（应急）管理六个方面。在实际生活中，这些管理业务又分配给21个不同的职权部门。由于各个部门负责的日常工作差别较大，如果从部门的需求出发，在建设智慧城市的子项目期间往往会发生项目发展水平差别大、信息孤岛和重复建设的情况：以上海和杭州为例，2011年发布的《智慧浦东建设纲要（iPudong 2015）——浦东新区国民经济和社会信息化“十二五”规划》将智慧浦东的规划分为智慧交通、智慧能源、智慧环保、智慧生活、智慧社区、智慧医疗、城市安全、应急服务和食品安全九个项目。在杭州，智慧城市建设的重点则在民生杭州、信用杭州和信息杭州三个部分，这主要得益于当地互联网企业的迅猛发展。综上所述，虽然现今智慧城市功能建设百花齐放，但仍存在功能的割裂和分散、功能分区不 清晰、功能指向不明确以及功能覆盖不全面等问题，这在未来建设区域经济一体化的过程中必然会造成信息断层。未来城市管理者需要的是如图8所示的互联互通、融合集成的智慧城市建设模式。
针对上述问题，《国家新型城镇化规划(2014 - 2020年)》提出了“多规合一”的概念，即在城市管理过程中，将国民经济和社会发展规划、城市土地利用规划、城市总体规划、交通规划和环境保护规划等协调起来，从而整合出城市管理的技术路线。有学者在此基础上整理出了城市运营和“多规合一”的要素关联情况，如图9，但是这一政策目前还停留在构想阶段。而通过CIM平台的建设可以实现“多规合一”的落地，因为CIM平台保留了BIM技术的协同性，所谓协同性是指通过BIM云平台，项目的不同参与方可以同时工作，传递信息，譬如在施工阶段，施工方、设计方和业主方都可以通过BIM平台来实时监测项目的进展，对施工过程中发生的一系列问题进行记录、传输和反馈等。在CIM平台中，协同性就是将城市管理的参与方从施工方、设计方和业主方变成了政府的不同部门，让城市的不同管理部门，通过同一个CIM平台，对同一个对象（城市）的不同组成部分进行交叉管理，有利于部门间信息传递和数据互通，可以有效地避免信息烟囱、数据孤岛等情况，并有力减少重复建设。
4.2.4 信息惠民，产城融合——两个最终目标
智慧城市的建设最终是要以人为本。要为生活在城市中的居民服务，就要解决居民生活中的问题，提高城市服务水平，促进城市产业发展，推动城市经济增长。在智慧城市的建设中应该以提高居民生活质量，推动城市可持续经济增长为最终目标。CIM平台在实现这两个最终目标的过程中也发挥着重要作用。
在提高居民生活质量方面，国务院办公厅在转发《推进“互联网+政务服务”开展信息惠民试点实施方案》中明确提出信息惠民的目标是要实现“一号申请、一窗受理、一网通办、一平台共享、一站式服务”的目标。所谓“一号申请”就是要求居民在所有政务服务部门的账号可以通用，“一窗受理、一网通办”要求政府整合构建一个统一的数据平台和信息系统，即实现“一平台共享”，最终让市民体会到“一站式服务”。这恰恰和CIM平台的集成特性结合了起来，通过CIM平台，居民可以实现政务服务一张网，所有的相关信息都可以在平台上找到，所有的政务服务部门也可以在平台上开设窗口，大大便利了居民的生活。同时，CIM平台还可以提供居民反馈渠道，不仅形成“物联网”更能形成“人联网”，让居民积极地参与到城市治理中来，打通民意的上升渠道。
在促进当地经济可持续增长方面，近年来，区别于产城分离的传统城市规划模式，有学者提出了产城融合的理论，产城融合是指在城市规划建设的过程中，通过经济、社会、文化、产业、生态、功能和空间的多种融合，实现城镇化和工业化协调发展的一种发展模式。通过基于CIM的智慧城市平台，政府管理者亦可以通过智慧园区规划引导、智慧产业集聚、智慧人才培养等多种手段，促进当地智慧经济发展，提高城市用地结构协调性和产城空间发展契合性等。
05PART结语
01
新型智慧城市应该是智慧的、互联的、融合的。在新型智慧城市中，政府要实现精细化管理，居民要提高生活质量，经济要向更加集成化、智慧化的方面发展。CIM平台以其协同性、模拟性、多层级性等优秀特性脱颖而出，将有效地避免智慧城市发展过程中的重复建设、信息烟囱、数据孤岛、缺乏顶层规划等一系列问题，成为新型智慧城市实现技术落地的不二之选。
