在2007年，Khemlani提出City Information Modeling(CIM)，也就是城市信息模型這一概念。随着Building InformationModeling(BIM)技(jì)術(shù)的逐漸成熟，Khemlani希望在城市規劃中運用到類似BIM的技(jì)術(shù)，将信息模型從建築層次提升到城市層次。因此，在很(hěn)長一段時(shí)間(jiān)裏，CIM被簡單理(lǐ)解為(wèi)是BIM在城市範圍的應用。

在2014年，Xu等人(rén)提出通(tōng)過集成BIM和(hé)Geographic Information System(GIS)來(lái)建立CIM。具體(tǐ)地，Xu等人(rén)拟開(kāi)發一個(gè)兼容IFC(BIM标準)與CityGML(GIS标準)的CIM平台，并将CIM的建模方法分為(wèi)三種:城市實體(tǐ)測量、集成ComputerAided Design(CAD)和(hé)GIS、集成GIS和(hé)BIM。其中，實體(tǐ)測量方法工作(zuò)量大(dà)、應用範圍有(yǒu)限，而CAD模型又難以包含建築的多(duō)源信息。BIM在建築信息集成方面具有(yǒu)顯著優勢，而且日益普及，可(kě)提供構件級别的建築內(nèi)部信息。如果BIM與宏觀GIS數(shù)據結合，将形成包含建築內(nèi)外的、微宏觀的、跨尺度的CIM模型。因此，集成BIM與GIS建立CIM成為(wèi)重要趨勢。

在2015年，我國同濟大(dà)學吳志(zhì)強院士将CIM的概念延伸為(wèi)City Intelligent Model，即城市智能信息模型。吳院士提出，“城市智能信息模型在城市信息模型的基礎上(shàng)進一步提出了智能(Intelligent)的目标，其內(nèi)涵不僅是指城市模型中海量數(shù)據的收集、儲存和(hé)處理(lǐ)，更強調基于多(duō)維模型解決發展過程中的問題”。在城市智能信息模型的概念下，物聯網Internet of Things(IoT)技(jì)術(shù)也逐漸與BIM、GIS一并成為(wèi)CIM的主要技(jì)術(shù)支持。此外，雲計(jì)算(suàn)、大(dà)數(shù)據、虛拟現實、人(rén)工智能等先進技(jì)術(shù)也逐漸應用在CIM當中。

在2018年11月12日，國家(jiā)住建部将雄安、北京城市副中心、廣州、南京、廈門(mén)等列入“運用建築信息模型(BIM)進行(xíng)工程項目審查審批和(hé)城市信息模型(CIM)平台建設”五個(gè)試點城市，這标志(zhì)着CIM在我國由概念階段開(kāi)始正式進入到建設階段。從這些(xiē)城市數(shù)字化治理(lǐ)的建設目标來(lái)看，CIM憑借其全面的信息集成特征會(huì)成為(wèi)智慧城市和(hé)數(shù)字孿生(shēng)城市的重要模型基礎。

2020年3月4日，中共中央政治局常務委員會(huì)會(huì)議提出，加快5G網絡、數(shù)據中心等新型基礎設施建設進度。“新基建”戰略的實施會(huì)為(wèi)智慧城市以及數(shù)字孿生(shēng)城市提供更加強大(dà)的數(shù)字動力，加速其建設進程。作(zuò)為(wèi)智慧城市以及數(shù)字孿生(shēng)城市的重要模型基礎，CIM的重要性日益突出，面臨空(kōng)前的發展機遇。

整體(tǐ)上(shàng)，CIM研究在國內(nèi)外都處于初級階段。目前，CIM主要研究方向可(kě)劃分為(wèi)如圖1所示的三大(dà)方向:框架設計(jì)、數(shù)據融合及可(kě)視(shì)化。

圖1 CIM主要研究方向

1、框架設計(jì)

對CIM概念的不同認知使得(de)對CIM結構框架的定義也不盡相同。例如，汪深等人(rén)認為(wèi)CIM是BIM的擴展，二者都包括物質、空(kōng)間(jiān)、性能和(hé)文化四個(gè)組成結構，所不同的是，CIM在BIM架構的基礎上(shàng)又增添了城市基礎設施以及地理(lǐ)信息兩大(dà)部分，并綜合了城市全生(shēng)命周期的管理(lǐ)産業。Lee等人(rén)基于洪災分析情境下，将CIM框架劃分為(wèi)土地、設施以及水(shuǐ)體(tǐ)三個(gè)模塊，但(dàn)該框架不夠全面，适用範圍也有(yǒu)限。而相比起汪深和(hé)Lee等人(rén)提出的架構，Xu等人(rén)的架構劃分明(míng)顯更加精細，也更加全面。Xu等人(rén)将城市信息模型劃分為(wèi)建築、運輸、水(shuǐ)體(tǐ)、MEP(Mechanical,Electrical&Plumbing)、基礎設施等多(duō)個(gè)模塊，見圖2，然後建立了模塊的BIM模型，最後使用GIS将BIM模型定位在具體(tǐ)的城市區(qū)域中，這樣的框架适用性相對更廣。

雖然以上(shàng)三個(gè)框架精細程度和(hé)适用範圍不同，但(dàn)都是将CIM框架根據具體(tǐ)要素進行(xíng)劃分的。而Stojanovski則是從城市形态方面來(lái)定義CIM框架。他把CIM的框架定義為(wèi)是由無數(shù)不可(kě)再分割的街(jiē)區(qū)構成的，每個(gè)街(jiē)區(qū)都有(yǒu)自己的一張屬性表和(hé)一個(gè)有(yǒu)着對應坐(zuò)标系的3D空(kōng)間(jiān)，通(tōng)過該坐(zuò)标系在城市空(kōng)間(jiān)進行(xíng)投影(yǐng)，且每個(gè)街(jiē)區(qū)都定義邊界，不同的街(jiē)區(qū)通(tōng)過邊界建立聯系。這樣的框架相當于是把一個(gè)大(dà)的城市模型精分為(wèi)無數(shù)個(gè)小(xiǎo)的城市模型，僅僅從城市規模出發，忽略了城市內(nèi)部更細緻的信息結構。

根據CIM框架設計(jì)相關的調研可(kě)見，目前CIM正處于起步階段，大(dà)部分框架的提出都是基于概念層面或是一定的情景分析，精細度和(hé)層次性不夠，具有(yǒu)一定的局限性。而框架設計(jì)是CIM技(jì)術(shù)發展的一大(dà)基礎。因此，一個(gè)統一的、多(duō)層次的、适用性強的CIM框架依舊(jiù)是未來(lái)CIM領域研究的一大(dà)熱點。

圖2-現有(yǒu)代表性框架

2、數(shù)據融合

建立一個(gè)集設計(jì)、計(jì)算(suàn)、管理(lǐ)、評估于一體(tǐ)的平台是CIM技(jì)術(shù)發展的關鍵，而CIM平台搭建的重點和(hé)難點在于城市信息數(shù)據的融合。這裏的城市信息數(shù)據包含城市基礎信息、建築內(nèi)部信息以及物聯網信息。其中，城市基礎信息以GIS技(jì)術(shù)為(wèi)支撐，建築內(nèi)部信息的獲取則更多(duō)的運用BIM和(hé)CAD，而城市各個(gè)領域底層信息的采集則依賴于IoT技(jì)術(shù)。因此目前CIM研究領域主要有(yǒu)三種建模方式:基于實體(tǐ)測量建模、基于CAD與GIS建模、基于BIM與GIS建模。根據這三種不同的建模方法又将數(shù)據融合方法分為(wèi)兩類，即CAD與GIS的數(shù)據融合以及BIM與GIS的數(shù)據融合。

基于CAD的三維建模方法在建築設計(jì)以及城市規劃方面已經相當成熟，作(zuò)為(wèi)繪圖工具，CAD能夠準确、直觀地呈現城市外觀及建築物內(nèi)部信息，但(dàn)CAD缺乏空(kōng)間(jiān)及數(shù)據的分析和(hé)處理(lǐ)的功能，具有(yǒu)一定的局限性。因此，GIS和(hé)CAD的數(shù)據融合不僅能充分利用CAD提供的模型特征，而且能夠對模型信息進行(xíng)必要的分析處理(lǐ)。早在2000年，Ozel就曾經指出GIS能夠為(wèi)CAD所建立的複雜模型提供全面的空(kōng)間(jiān)分析。我國學者朱慶等人(rén)也認為(wèi)CAD技(jì)術(shù)對GIS的發展至關重要并總結了多(duō)種CAD與GIS數(shù)據集成的方法。這證明(míng)CAD與GIS集成是具可(kě)行(xíng)性的。因此現階段也有(yǒu)許多(duō)基于CAD與GIS融合進行(xíng)CIM建模的研究。如Gil等人(rén)就曾論證過通(tōng)過開(kāi)發一種集成GIS空(kōng)間(jiān)數(shù)據庫的CAD工具實現CIM設計(jì)和(hé)分析的可(kě)行(xíng)性。目前也已有(yǒu)一些(xiē)用于城市規劃設計(jì)的軟件是在CAD基礎上(shàng)結合GIS數(shù)據實現的，如StadtCAD Hippodamo。

然而，不同的平台和(hé)标準使得(de)二者之間(jiān)的集成存在困難，主要集中在坐(zuò)标轉換、數(shù)據格式差異、數(shù)據量差異以及一些(xiē)原始數(shù)據錯誤的問題上(shàng)。雖然Pu等人(rén)利用Database ManagementSystem(DBMS)數(shù)據庫管理(lǐ)系統方法來(lái)解決CAD與GIS之間(jiān)數(shù)據類型差異的問題，但(dàn)是對于CAD中的自由曲線和(hé)曲面等複雜數(shù)據類型卻無法進行(xíng)數(shù)據類型的轉換。而CAD自身所存在的一些(xiē)如數(shù)據疊加等原始數(shù)據問題使數(shù)據融合變得(de)更為(wèi)複雜，雖然Badhrudeen等人(rén)嘗試利用機器(qì)學習來(lái)識别CAD到GIS轉換過程中潛在的錯誤，以及原始CAD數(shù)據中的錯誤，但(dàn)是依舊(jiù)無法完全避免原始數(shù)據所造成的錯誤，而且造成了實際應用過程的耗時(shí)費力。最關鍵的是CAD的協同工作(zuò)能力不足，這對于以實現協同工作(zuò)為(wèi)主要目的的CIM技(jì)術(shù)來(lái)說可(kě)用性較差。

相較于CAD自身存在的一些(xiē)缺陷，能夠實現全流程協同工作(zuò)的BIM技(jì)術(shù)使得(de)BIM與GIS的融合更具優勢，也成為(wèi)目前CIM技(jì)術(shù)領域研究的熱點，取得(de)了較快的發展。學術(shù)界普遍認為(wèi)協調語義是實現BIM與GIS集成的最佳途徑，它能夠實現BIM模型和(hé)GIS模型之間(jiān)低(dī)形式化的映射。目前最為(wèi)流行(xíng)的兩大(dà)語義模型分别是IFC和(hé)CityGML，因此根據這兩種語義模型的轉換關系将現階段的BIM與GIS集成方法分為(wèi)四類，如表1所示。

表1 基于IFC和(hé)City GML的BIM與GIS集成方法

從表1可(kě)以看出，盡管基于IFC和(hé)CityGML标準的BIM和(hé)GIS集成方法已經開(kāi)展了一定的研究，但(dàn)不同基礎方法的優缺點都比較突出，尚未形成成熟的集成方法，仍有(yǒu)待于進一步的探索。

3、可(kě)視(shì)化

可(kě)視(shì)化是CIM發展的一大(dà)方向。将建築信息和(hé)地理(lǐ)數(shù)據通(tōng)過計(jì)算(suàn)機處理(lǐ)轉化為(wèi)圖像的形式，能夠更加直觀有(yǒu)效地把信息傳遞給用戶。在目前CIM可(kě)視(shì)化中，開(kāi)發可(kě)視(shì)化平台、結合VR或AR成為(wèi)熱點。

(1)可(kě)視(shì)化平台

Simstadt是2013年斯圖加特技(jì)術(shù)高(gāo)等專業學院開(kāi)發的一個(gè)城市模拟平台，基于CityGML可(kě)對多(duō)細節層次(Level of Detail,LoD)進行(xíng)建模，導入GIS數(shù)據後，可(kě)對城市模型進行(xíng)加強修複，最後通(tōng)過模拟工具進行(xíng)多(duō)種能源模拟，得(de)到相應的仿真結果和(hé)評估指标，在3D城市模型中進行(xíng)可(kě)視(shì)化，該平台現主要用于能源方面的模拟和(hé)分析。

(2)結合VR技(jì)術(shù)

在2018年俄羅斯葉卡捷琳堡國際工業創新展覽會(huì)上(shàng)，一家(jiā)VR開(kāi)發公司展示了葉卡捷琳堡中心部分信息模型的試點VR項目，通(tōng)過不斷地完善BIM與GIS模型對該項目進行(xíng)測試調整，來(lái)實現VR在CIM上(shàng)的廣泛應用。

(3)結合AR技(jì)術(shù)

Urban CoBuilde應用程序通(tōng)過CIM與AR技(jì)術(shù)和(hé)遊戲相結合的方法讓用戶對城市環境進行(xíng)探索，讓利益相關者參與城市規劃，從而收集到城市規劃過程中需要涉及的一些(xiē)信息。

目前，CIM可(kě)視(shì)化發展相對較為(wèi)成熟，許多(duō)CIM建模平台同時(shí)也具備可(kě)視(shì)化功能，而與VR或AR技(jì)術(shù)的結合也使得(de)CIM模型能夠傳達的信息更加豐富和(hé)直觀。

目前，随着5G網絡與物聯網技(jì)術(shù)的興起，很(hěn)多(duō)軟件開(kāi)發商認識到了CIM平台的價值，2020年4月21日，騰訊雲推出了“基于CIM的産業互聯網平台”———CityBase，雖然還(hái)未開(kāi)放使用，但(dàn)從産品體(tǐ)系架構來(lái)看還(hái)是相當完備的。而現階段世界各國也開(kāi)發了許多(duō)能實現部分CIM技(jì)術(shù)的平台，表2列出了CIM領域的主流技(jì)術(shù)實現平台，并對它們的功能和(hé)優缺點進行(xíng)了整理(lǐ)。

表2 CIM主流技(jì)術(shù)實現平台

從表2可(kě)以看出，目前CIM技(jì)術(shù)實現平台數(shù)量雖然不少(shǎo)，但(dàn)主要功能集中在建模和(hé)可(kě)視(shì)化方面，核心分析功能都比較有(yǒu)限。應該說，CIM技(jì)術(shù)實現平台尚有(yǒu)很(hěn)大(dà)的發展空(kōng)間(jiān)。

CIM的本質是服務城市全生(shēng)命周期。圍繞城市建築和(hé)市政基礎設施全生(shēng)命周期，即在規劃、建設、運維等階段進行(xíng)應用。

1、規劃階段

在規劃階段，運用CIM技(jì)術(shù)能夠預覽規劃成果，優化城市空(kōng)間(jiān)布局，促進城市科學規劃、高(gāo)效建設。

2、建設階段

在建設階段應用CIM技(jì)術(shù)，可(kě)以進行(xíng)建設施工場(chǎng)景可(kě)視(shì)化、工程量計(jì)算(suàn)、項目進度質量管理(lǐ)等，顯著提升建設過程精細化監管效能。

3、運維階段

在運維階段運用CIM技(jì)術(shù)，可(kě)以消除各系統信息孤島，實時(shí)監控運行(xíng)态勢，及時(shí)進行(xíng)運營維護，可(kě)視(shì)化應急指揮，保障城市正常運行(xíng)。

青島中央商務區(qū)建立了基于CIM的城市綜合管理(lǐ)平台，打造交通(tōng)、綜治、産業、安全四大(dà)運行(xíng)指數(shù)衡量青島中央商務區(qū)總體(tǐ)運行(xíng)健康發展态勢，實現了中央商務區(qū)全生(shēng)命周期的業務貫通(tōng)。

整體(tǐ)來(lái)看，目前CIM應用大(dà)都隻是參與了城市生(shēng)命周期的特定階段，幾乎未能貫穿整個(gè)城市生(shēng)命周期。從2013年至今，我國已有(yǒu)700多(duō)個(gè)城市提出或在建智慧城市。而且，随着“新基建”戰略的實施，更多(duō)的數(shù)字孿生(shēng)城市也将被建立。作(zuò)為(wèi)智慧城市和(hé)數(shù)字孿生(shēng)城市的模型基礎，CIM未來(lái)将有(yǒu)很(hěn)大(dà)的應用前景。

CIM的內(nèi)涵正從City Information Modeling到City IntelligentModel不斷發展，而且面臨國家(jiā)“新基建”戰略帶來(lái)的重要發展機遇。

目前，CIM研究在國內(nèi)外都處于初級階段。CIM的框架設計(jì)尚不成熟，融合BIM和(hé)GIS是其主要建模方法，已有(yǒu)一定研究，但(dàn)仍有(yǒu)待深化。相比之下，CIM可(kě)視(shì)化研究較為(wèi)成熟。

CIM主流技(jì)術(shù)實現平台集中在建模和(hé)可(kě)視(shì)化功能，但(dàn)分析功能尚不成熟;CIM在我國的應用已經分布到城市全生(shēng)命周期各階段中，但(dàn)尚缺乏貫穿城市全生(shēng)命周期的應用，發展空(kōng)間(jiān)廣闊。

整體(tǐ)上(shàng)，作(zuò)為(wèi)智慧城市和(hé)數(shù)字孿生(shēng)城市的模型基礎，CIM作(zuò)用不可(kě)替代，而且随着國家(jiā)“新基建”戰略帶來(lái)的5G、IoT等相關支撐技(jì)術(shù)的普及，CIM将為(wèi)智慧城市和(hé)數(shù)字孿生(shēng)城市創造出高(gāo)性能、智能化、多(duō)方位的應用情景，具有(yǒu)廣闊的發展前景。然而，龐大(dà)的應用需求與當前初期研究現狀是CIM發展面臨的重大(dà)矛盾，亟待加快、加大(dà)、加強CIM研發工作(zuò)，為(wèi)我國城市發展與管理(lǐ)提供深度信息化的新支點、新引擎。