CIM技术助力构建新型智慧城市

2021-06-24 15:00:57

CIM技术助力构建新型智慧城市


随着我国创新、协调、绿色、开放、共享新发展理念的提出和国家大数据政策的不断深入,城市发展已经被赋予新的内涵,同时也对云计算、物联网、人工智能等多项技术提出更高要求,建设以人为本、可持续发展的智慧城市已经成为当前各城市发展的主要目标。20多年来,我国城市信息化经历了数字城市、智慧城市到新型智慧城市的发展阶段[1],虽然提法不同,但都旨在达到信息互联互通、城市高效运行的目的,从而实现由资源驱动发展转变为创新驱动发展的城市新发展格局。


一、智慧城市发展概述


要实现城市数字化管理,就离不开大量数据的采集、传输、处理和可视化,因此以计算机、互联网、3S(GIS、GNSS、RS)、多媒体技术为基础构建的城市空间被数字化存储在计算机中,这就是城市信息化的初级阶段—数字城市,我们在数字城市建设过程中积累了大量的基础地理数据和城市运行数据,为数据互操作和共享提供了基础,但是海量数据的存储、更新和流动没有解决,就无法真正发挥数据的价值,因此高速信息网络和物联网技术就被应用在城市信息化中,将不同位置、不同类型传感器获取的数据进行融合,在云上进行智能处理和分析,为城市决策者提供帮助,但由于数据基础设施薄弱、缺乏数据开放共享机制以及系统运维机制,导致智慧城市无法真正形成巨系统为政府和公众服务,因此许多学者为了消除信息孤岛、整合城市资源、解决交通拥堵、环境问题和民生问题,提出了现实城市与虚拟城市双向映射、动态交互的新型智慧城市的概念,也就是通常意义上的数字孪生城市,与传统智慧城市相比,技术更复杂,包括新型测绘、深度学习、语义建模、协同计算、虚拟现实等多种技术要素;平台更多样,包括除时空大数据平台之外的城市信息模型平台,使得数据量、实时性都有了很大提升;模拟更逼真,利用实景三维技术构建的三维城市有更好的仿真效果,同时依托其时空轨迹推演的能力,能帮助城市管理者精准施策,为公众教育、医疗提供个性化服务。


二、CIM技术概述


城市信息模型(CIM,City Information Modeling)是整合了GIS(Geographic Information Science)、BIM(Building Information Modeling)、IoT(Internet of Things)技术构建的城市三维模型[2],人们可以借助该模型更全面地分析城市运行状态,科学做好城市规划。BIM是建筑信息模型,是将建筑信息存在三维模型信息数据库中,为建筑的设计、施工、运行到终结全寿命周期提供服务,但是它没有精确的地理位置,无法对建筑进行空间分析和周边环境展示,而GIS可以弥补不足,GIS主要提供二三维一体化的基础地图和基础地理框架,以及空间分析能力,而BIM有单一建筑物或建筑群的详细数据,两者结合可以完善大场景展示,建立起细粒度的城市三维模型。CIM就是在二者结合基础上,加上IoT将静态的数字城市增强为可感知的、虚实交互的、实时动态的智慧城市,为城市精细化管理提供数据支撑,可以理解为BIM是CIM的组成分子,不同的BIM之间相互连接才能提高智慧管理水平;GIS是所有数据的承载,为数据的融合提供基础底座;IoT具有互联网通信功能,帮助城市感知,结合边缘计算可以进行数据挖掘,为CIM平台带来实时数据,呈现客观世界的状态,即数字孪生城市[3]。通过数字孪生城市接入人口、交通流量、安防监控、水电燃气使用、手机信令数据等社会信息和城市路网、地下管网、城市建筑等基础地理信息,可以在互联网的虚拟空间中建立现实城市的镜像,为智慧城市规划、建设、运行管理提供支撑。


三、基于CIM的新型智慧城市应用


1.城市全流程管理


在城市规划阶段,基于多规合一和多源数据融合实现规划管控一张图。将实景三维数据、地形地貌等基础地理信息数据、人口、房屋、土地、交通等现状数据、设计图纸等规划成果数据、地下管网等地下空间数据在统一的地理框架下形成数据完备、规范合理的城市一张图,通过在虚拟空间的城市仿真,解决在规划过程中的冲突,并在此基础上对多种不同的规划方案进行比较和动态优化,实现最优方案的遴选。


在城市建设阶段,充分发挥BIM+GIS技术的优势,将施工方案和人员安排在时空基准下进行模拟,探究计划的合理性,并充分考虑周边环境的影响,在数字孪生的可视化环境下进行分析,确保建设过程中减少对已有环境的影响,对施工过程出现的问题及时规划解决方案,全面管控施工过程。


在城市运维阶段,利用IoT技术的优势,将分布在城市各角落的传感器获取的实时数据收集起来,及时了解城市运行过程中城市基础设施、道路交通、地下管网等发生的状况,通过城市大脑运算,对多种应急方案进行模拟仿真,决策者通过渲染后的数字孪生空间做出科学决策,真正做到数据驱动决策、线上线下虚实互动,全域协调联动,资源最优配置。


2、智慧交通


交通拥堵已经成为制约城市经济发展主要问题,解决交通拥堵一方面需要在建设规划初期根据车流量设计车道数、道路级别等,另一方面就是利用视频监控数据获取实时交通流,对交通灯进行智慧管理,这就需要将物理世界中的交通网络和视频信息流、地磁检测信息等多源异构数据通过知识图谱、语义化技术构建成可被机器理解的数字孪生环境,并利用云计算技术对交通时空大数据进行挖掘,通过城市大脑分析城市各交叉口及路段车辆数据,全面掌握城市道路交通拥堵情况,根据交叉口和路段实时动态自适应调整信号灯配时方案,可有效减少交通堵塞或堵塞时间,提高城市交通出行通畅性。


数字孪生城市在自动驾驶算法的测试与训练方面也能发挥一定作用。在数字孪生城市中实现道路、实时车流量、交通标志、天气等高角度仿真,利用这些正式道路数据和模型数据对相应自动驾驶算法进行训练,能够提升自动驾驶的稳定安全性和科学决策能力,加速更高级别的自动驾驶的落地和推广。


3、智慧环保


智慧环保是在绿色的发展理念下利用物联网、云计算、人工智能技术实现对人类社会环境的精细化、动态化管理,是数字环保概念的延伸。利用传感器可以检测空气温湿度、PH值、光照强度、二氧化碳浓度等影响空气质量的主要因素,也可以检测废水、废气、废渣等污染源数据,这是架构中的感知层,网络传输层利用环保专网、运营商网络将采集到的数据进行交互共享,智慧层采用分布式计算、海量存储、实时处理、模型分析实现智能化处理,服务层利用云服务模式,建立信息服务门户,为污染防治、生态保护提供智慧决策。智慧环保可以满足公众对环境状况的知情权,也为环保部门监管提供实时准确数据,为行政处罚提供依据,对企业自查去污设备运行状况也提供参考。


四、总结与展望


新型智慧城市的提出是为了适应新型城镇化发展的需要,旨在利用空间模型计算、仿真分析、实时感知等信息化手段引领城市发展转型,为大气污染、交通拥堵、洪涝灾害等城市发展过程中遇到的问题提供辅助决策支持,加快推进信息化、城镇化、工业化、农业现代化的融合,也是提高城市治理能力和治理水平的必由之路。同时以CIM为技术核心的数字孪生城市也有助于推动空间信息服务和全景感知服务,为周边产业指出发展方向,也对基础地理测绘的周期、手段、频次,数据渲染的能力、数据融合的标准、数据挖掘的有效性提出更高要求。


近年来,许多城市在积极探索智慧城市大脑、时空信息云平台,逐渐形成了政府提出需求,厂商提供解决方案的发展路径,为智慧城市的落地应用提供了帮助,特别在新冠肺炎疫情的常态化管控中发挥了重要作用。未来依托实景三维建模和CIM技术的新型智慧城市建设方法的探索会使城市智慧化建设迈上新台阶。


参考文献:

[1]党安荣.新型智慧城市建设应围绕三大核心[N].中国自然资源报,2021-03-12(007).

[2]李璐颖.基于城市信息模型(CIM)的新型智慧城市平台建设——以广州市为例[J].智能城市,2021,7(03):35-36.

[3]段志军.基于城市信息模型的新型智慧城市平台建设探讨[J].测绘与空间地理信息,2020,43(08):138-139+142.

作者:徐鑫