基于CIM的智慧园区建设探析.docx
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基于CIM的智慧园区建设探析
基于CIM的智慧园区建设探析
摘要：
智慧园区的建设已经比较普遍，但以城市信息模型（CityInformationModel，CIM）平台为“数字底座”的园区智慧化建设案例并不多。
事实上，CIM平台对园区的精细化管理具有重要意义。
从CIM技术的发展和应用状况入手，提出基于CIM的智慧园区整体设计思路，并阐述了应用与发展建议。
关键词：
城市信息模型；建筑信息模型；物联网；智慧园区；业务应用
1 引言
伴随新型智慧城市的建设热潮，智慧园区的建设也越来越受到关注。
相较于城市，园区虽然在空间范围上粒度更小，但是其服务与管理对象、业务内容非常复杂，而且正因为空间粒度更小，其对人、事、物的关注会更加细致、更加具体。
一个结构复杂的园区，需要掌握建筑、道路、桥梁、绿化、水体、基础设施、管线等各类实体物理对象的运行态势，需要掌握园区内人员的生活和生产活动，需要根据人员需求提供优质的服务内容和管理措施，需要提前预判问题风险并采取合理的措施[1-2]。
因此，我们需要一个“数字底座”，能够实现宏观与微观一体化、室内与室外一体、静态与动态一体化，最终实现园区空间信息全局可视、园区实时态势精细洞悉、园区运行规律深度挖掘、园区发展趋势推演仿真。
这正体现了基于城市信息模型进行智慧园区建设的必要性和优越性。
通过CIM平台可融合园区繁多且复杂的信息，园区包括建筑物、道路、广场、绿地、地下管线、机电设施等不同单元，借助建筑信息模型（BuildingInformationModel，BIM）建立不同单元的单体信息模型，再借助地理信息系统（GeographicInformationSystem，GIS）将这些单体信息模型加载到园区GIS底图中[2]，最终实现以CIM平台串联园区规建管一体化应用、统筹园区各业务场景智慧化应用、盘活园区数字资产“一盘棋”，推动园区智慧化转型和升级。
2 CIM概述
2.1 CIM概念理解目前，国内对CIM平台的研究和应用还处于起步阶段，对CIM也没有十分统一和标准的定义，业内普遍共识的是：
CIM是大场景的GIS数据、小场景的BIM数据、物联网（InternetofThings，IoT）数据的有机结合[1,3]，具有完整的时空流、场的描述及计算能力。
CIM构成如图1所示。
图1 CIM构成示意
从空间范围上讲，CIM对各层次空间数据进行无缝衔接；BIM在建筑信息集成方面具有显著优势，可以提供丰富的建筑物信息，包括建筑单元、结构单元、供热、通风、电气、消防等，可以细致地关注到建筑物内的机电配电、门把手等；GIS则可以对城市的地形、地貌、地表与地下空间进行三维数字化还原，形成与实体城市环境一致的虚拟城市环境[4]。
将单体BIM与宏观GIS数据相结合，可充分发挥两者的优势，形成包含微观与宏观、室内与室外、地上与地下的多层次、多尺度的CIM平台。
从数据来源上讲，CIM不仅关注静态、准静态的模型信息，同时关注物联网、互联网产生的海量的、实时的动态信息，并将这些信息通过BIM、GIS模型进行实时的表达和呈现，将传统静态的模型升级为鲜活开放、实时感知、虚实映射的动态模型，这对多维空间信息整合、空间数据分析与应用、数据融合共享、综合集成管理具有重要的作用。
对于CIM的理解还有另一认识——城市智能信息模型（CityIntelligentModel），是由同济大学吴志强院士于2015年提出的。
吴院士认为“城市智能信息模型在城市信息模型的基础上进一步提出了智能（Intelligent）的目标，其内涵不单是通过海量数据的收集、储存和处理建立城市模型，更注重通过智能模型解决发展过程中的问题”[5]。
吴院士提出的这一概念，表明CIM不仅需要物联网、BIM、GIS技术的支持，人工智能、大数据等先进技术也需要应用在CIM当中。
受限于CIM仍处于初级阶段，目前这一概念还不能得到很好的实践，随着“BIM+GIS+IoT”技术和应用的不断成熟，CIM由“城市信息模型”向“城市智能信息模型”过渡是其发展到更高阶段的必然选择和重要体现。
2.2 CIM应用概况CIM具有强大的信息集成能力、计算能力，是建设新型智慧城市不可或缺的模型基础，是实现数字孪生城市的重要模型底座。
2018年11月12日，住房和城乡建设部将雄安、北京城市副中心、广州、南京、厦门这5座城市列为运用BIM进行工程项目审查审批和CIM平台建设的试点城市[6]，这标志着CIM正式迈入建设阶段。
2020年3月4日，中共中央政治局常务委员会会议提出，要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度，“新基建”战略的实施会进一步加速智慧城市以及数字孪生城市的建设进程，也给CIM带来了前所未有的发展机遇[1]。
目前，对CIM的研究和应用看起来大多聚焦在城市层面，但是真正开展落地实践，往往都是从城市的某一区域着手，如雄安新区、北京城市副中心、深圳国际生物谷坝光核心启动区、福州滨海新城等[7]。
一是因为CIM是宏观与微观相结合，必须要落地到建筑单体，甚至部件、配件，而园区、社区这样的区域恰恰是建筑单体的直接管理单位，能带来更细致的需求场景，同时又具有跟城市宏观环境、GIS融合的需求；二是因为目前CIM技术难以支撑城市级体量的、室内外一体化的BIM与GIS融合分析与应用，实现城市级的CIM尚有许多技术难点需要突破。
在这一背景下，以CIM平台为数字底座进行园区智慧化建设和管理，既具有很强的可行性，又尤为必要和重要。
3 基于CIM的智慧园区整体设计
在传统智慧园区的基础上，本文所述的基于CIM的智慧园区，在整体设计中更加突出CIM的作用，以及CIM给智慧园区建设带来的新价值。
基于CIM的智慧园区整体架构可分为感知层、云网层、平台层和应用层四大部分。
（1）感知层：
在园区范围内布设大量的传感器、智能设施，对园区运行状态进行监测，实时感知园区的运行态势，为园区智能化控制、智能化服务提供硬件基础支撑。
（2）云网层：
由覆盖整个园区的通信网络和支撑园区智慧应用运行的云平台构成。
通过光纤、2G/3G/4G/5G、园区Wi-Fi、NB-IoT等共同完成园区各类信息的广泛、安全传递，通过边缘云、公有云、私有云以及混合云等建立园区数据中心，为园区数据处理、应用系统运行提供硬件基础支撑。
（3）平台层：
起着承上启下的作用，南向连接和处理各类数据，北向支撑和赋能各类应用。
基于CIM的智慧园区平台层可划分为CIM平台、大数据平台、AI使能平台和统一服务平台，重点突出CIM在多源数据接入、平台基础功能、建模与模型处理方面的作用，通过与大数据平台、AI使能平台、统一服务平台结合，共同为园区上层应用赋能。
（4）应用层：
涵盖园区招商、产业、安防、能耗、资产等各个领域的综合、融合应用，相较于传统的智慧园区架构，基于CIM的智慧园区更加突出“规—建—管”一体化应用和智能运营管理（IOC）平台，能够实现“规—建—管”过程融合以及园区全业务融合。
4 CIM在智慧园区的应用
4.1 构建园区全空间模型CIM平台可打通BIM、遥感影响、倾斜摄像、高程模型、地图/街景等各类空间数据，构筑全空间一体化的园区模型，实现微观宏观、室内室外、地上地下的无缝衔接，实现空间数据处理、模型高效构建、数据存储与管理、三维空间数据计算与分析、多风格渲染与可视化表达等（见图2）。
图2 微观宏观、室内室外一体化模型示例
4.2 助力园区“规建管”一体化利用CIM技术可贯穿于“规划—建设—管理”全过程的特点，通过“一张蓝图”即可实现对园区的“全生命周期管理”，实现不同阶段建设成果的共用共享（见图3）。
图3 CIM助力园区实现“规建管”一体化
在规划设计阶段，通过将总体规划、市政、交通、环保、水利、产业等各项数据全部汇聚到CIM平台上，实现空间信息共享和规划设计分析，例如日照分析、遮挡分析，可结合地形地势、周边环境、区域内建筑等进行综合分析与可视化展现，以便更全面、更直观地发现各项规划之间的相互影响和冲突，从而得出更加准确的分析结果，进而更好地指导和优化规划设计方案。
在建设阶段，通过将项目安全、人员、进度、质量、成本等各项数据全部汇聚到CIM平台上，可实现对工程项目的全方位掌控。
例如，针对进度管控，可将计划进度、实际进度均对接到CIM模型构件上，通过构件颜色变化来区分提前、正常和超期等不同状态，直观地了解项目进展；还可结合人员、事件等综合信息，分析项目进度滞后的原因，给管理者提供措施制定依据和科学决策参考。
在运营阶段，通过将园区招商、产业、人员、安防、能耗等各项数据全部汇聚到CIM平台上，可实现园区状态可视、业务可管、事件可控，助力园区精准服务与高效运营。
例如，通过CIM对传感器报警进行实时定位和分析，对相关的人员、物资进行统筹与调配，提升对事件的响应效率，加强一体化处理能力。
4.3 促进园区业务全融合在目前的智慧园区建设中，多种应用系统在不同部门并存应用、互不相通的情况仍然比较普遍，这往往成为阻碍园区智慧化建设进一步发展的原因，要解决这一问题，CIM平台可以发挥关键的作用。
以CIM平台为底座，整合与搭建上层业务系统，业务系统对空间信息的展示、浏览、分析、应用的需求由CIM平台统一提供，将园区的人、财、物以及跨部门、跨层级、跨系统的业务组成一个有机整体，打造闭环的业务一体化整合应用，促进园区业务全融合，进而优化园区的资源配置能力、管控能力与执行能力。
4.4 实现事件一体化处置通过CIM平台整合事件等级、发生地点、处理进度、应急人员、应急物资、应急预案等信息，串联事件处置全人员、全物资、全过程,可加强事件处置中的信息共享与部门协作，可更加直观、更加清晰地展示事件处置进展，提高事件处理能力和效率。
例如，室内突发事件需要对人员进行紧急疏散，可借助CIM精确的全空间位置信息，实现快速定位并计算相对位置；结合CIM室内外一体化分析应用的功能，在室外三维地图上直接加载室内模型，结合人流分布、出入口分布、周边环境情况，规划并显示疏散路径与处置方案，如果突发事件有对应预案，还可自动匹配处置预案，通过预案指导和细化处置措施，更加高效地进行事件处置。
4.5 提升园区仿真决策能力基于CIM平台进行仿真推演，可构筑园区未来预判能力，提升园区决策指挥的科学性。
CIM平台空间数据接入、处理、分析能力都非常强大，充分利用CIM平台的能力优势，接入园区海量情报数据，通过和园区实际业务单元的数据模型、深度学习算法等相结合，可仿真推演园区发展规律与未来趋势，如在园企业成长情况仿真推演、园区产业发展推演预测、人群集聚与疏散仿真模拟、园区交通承载与接驳能力推演分析等。
仿真推演与CIM高精度还原、精确定位、三维呈现的能力结合起来，不仅能提高效率和准确性，还能更直观、更清晰地呈现分析结果，辅助园区决策指挥。
5 发展建议
5.1 推进BIM数据开放性与标准化，助力BIM与GIS融合BIM建模软件尚缺乏统一的标准、规范，不同建模软件的数据格式不同、文件结构不同，加之建模软件种类繁多，导致难以采用统一的技术方案实现模型信息共享。
而且BIM建模软件大多不对外公开其数据格式、文件结构，导致BIM与GIS对接存在壁垒。
目前，要想获取包括材质、几何尺寸、属性等在内的完整BIM信息，通常采用的方法是基于数据格式转换工具或插件，将BIM数据转换成能够跟GIS对接的数据格式，但是转换后数据容易出现变形、丢失等问题，需要大量的人工补正工作，这造成了模型可用性、易用性低下，效率低下等问题。
因此，有必要制定相应的标准、导则等，对BIM数据的开放性、BIM数据的格式规范提出要求。
5.2 开展BIM模型轻量化处理，大幅降低数据体量BIM关注建筑单体，关注细节信息，包括建筑幕墙、建筑结构、机电管线、内部装修等，其细节丰富、模型体量很大，如果直接用BIM原始数据与GIS进行对接，对于单栋或几栋建筑尚可，随着场景范围扩大、建筑物数量增多，将会导致CIM平台面临巨大的数据量挑战。
因此，有必要对BIM模型进行轻量化处理。
通过采用多种技术手段，比如部件成组、实例化存储、渲染处理等，来实现模型的轻量化和优化，大幅降低数据体量。
5.3 顺应5G万物互联趋势，增强CIM与物联网的融合能力虽然普遍认为CIM是BIM、GIS、IoT的有机结合，但是目前的研究和应用重点大多集中在BIM与GIS的融合，IoT往往被弱化，仍停留在图表分析、报表统计等层面，跟BIM、GIS模型的融合不够深入。
这一方面是因为目前阶段CIM发展的技术难点在BIM与GIS的融合；另一方面是因为目前的物联网数据的丰富性和体量远远达不到构建实时动态CIM的要求。
随着5G的到来，其超大带宽、超低时延和超大连接的特点将带来万物互联的新时代，这将会给物联网在CIM平台的应用带来新的机遇和挑战，也将促使CIM平台更加开放鲜活、虚实一体。
例如，面对海量物联设施，如何高效实现设施模型的实时增加、删除、位置调整、状态改变等，如何结合海量物联数据，在模型上进行人、物、环境、事件的状态渲染和表达等，虽然目前已经有这些方面的研究和实践，但是数据量、时效性、模型精细程度、可视化效果等方面仍有很大提升空间，需要进一步突破。
5.4 注重CIM与AI、大数据的结合，探索更多应用场景一方面可利用AI提取BIM、遥感影像、倾斜摄影等建模数据的图像特征、语义特征等，提升CIM建模的效率。
例如，利用AI进行遥感影像特征提取，例如植被提取、道路提取、农田提取、建筑物提取、河流提取、目标检测、对比检测等，实现遥感影像数据的自动化分析和处理，经过提取后的矢量文件，可大大减少人工编辑的工作量，更高效地完成CIM平台的搭建。
另一方面是CIM平台可与AI、大数据结合带来更好的园区智能化应用。
CIM平台为园区大数据及众多的AI算法提供了时空信息支撑与展现的窗口，园区大数据及AI算法为CIM平台提供了自我学习、自我进化的神经元与大脑思维，通过结合，在提升园区仿真推演与智能决策方面可发挥较大作用。
紧密结合园区业务场景，挖掘和探索更多的场景需求，进而依托园区大数据，建立和训练更多的AI算法和仿真推演模型，是推动其结合的重要方式。
6 结束语
CIM平台凭借其在时空信息整合、全空间模型构建、动态可视化表达、多源技术融合等方面的优势，正在成为新型智慧园区的“数字底座”，通过与其他平台和技术的集成应用，将推动智慧园区的转型和升级，助力智慧园区实现数据共享、业务协同、决策智能等。
CIM技术的不断发展、突破，将催生更多的业务场景和创新应用，CIM技术将为智慧园区和智慧城市的建设提供更多支撑。
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