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由城市信息模型(CIM)带来的思考

数据工匠俱乐部 | 数据工匠的理想家园 2022/01/20 15:50

闲话BIM与GIS

动笔前思考了很久,想到把CIM解释清楚,还是要回到BIM和GIS的历史中去寻找答案。首先,追溯BIM的源头可从建筑史窥得端倪。无论是中西方,在物质贫乏的农耕时代,推崇更多的是工匠,这个工匠的内涵既是设计又是施工,比如被后世万人敬仰的鲁班大师,以今天的BIM视角属于典型的设计施工一体化大师。技术发展必然会引发社会分工的细化,设计与施工分离也就成了必然的趋势。西方在文艺复兴时期,出现了巴洛克、哥特一系列艺术流派的教堂建筑,图纸成为了体现大师风格的必然载体,这也实现了建筑史上有据可考的专业化分工。等到了工业革命时期图纸的内容逐步增加了钢结构、给排水,产生了专门的绘图员职业。时至今日,美国的专业划分中,它们都是与建筑设计相对的,并称为A-E(architecture-engineering,建筑学-专业工程),也即除了建筑设计之外,都属于工程,不管是结构、还是暖通、水电等等。再加上C(construction,施工),就是美国业界常说的建筑业(A/E/C)。IT技术发展的年代,连接绘图和管理的中间软件Revit应运而生。至此,建筑设计和各专业设计真正放在一个平台,使BIM终于从概念走向前台。

GIS的出现,是源于人口普查、土地调查和自动制图。1960年,加拿大测量学家R.F.Tomlinson提出了把地图变成数字形式的地图,后来又提出GIS这一术语。而推动GIS以燎原之势在全世界迅速发展起来,当属1982年IT商业化软件ESRI的Arc/info的出现。而国内GIS真正进入产业化阶段,是1991年ESRI等商业化软件进入国内,GIS软件与卫星遥感技术的集成,带来了空间信息分析的新模式和新方法等行业应用发展模式。

从两者的发展分析,都是将自己业内的数据通过商业化软件实现电子化之后,在IT技术革命推动了行业发展,并引发的行业细分。在国内,无论是BIM还是GIS从来不是新概念,而CIM概念无非三年而已,却把两者紧密融合催生了一个行业生态。

BIM概念走入国内并不是很长时间,源于欧美建筑行业的设计期引入概念,尤其是Lod100-Lod500的精度,使其应用过程中谈虎色变的感觉。没有引入CIM概念之前,BIM的相关项目在市场上总有叫好不叫座的感觉。江湖中历来不缺乏BIM的传说,BIM设计师、BIM工程师、BIM咨询师、BIM工具…...总体感觉都很玄。也会听到很多质疑的声音:到哪里去搞那么多高精度的模型?设计院数据也不全啊?主流BIM工具没有国产的啊?全部应用BIM,那以后传统手工模型路在何方?全部应用BIM,GIS的定位到底是什么呢?同时期北美有三个主要标准,UniFormat,Masterformat,Omniclass做了多少年了?可能这么快在国内落地吗……

但是,事实就是BIM就是落地并形成了产业应用,是通过借用CIM的概念与GIS一起形成合力普及应用,而且仅仅三年时光…..

CIM的政策与意义

直接引用最有说服力的红头文件:2021年3月,《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中,首次以专章专节对数字化转型做出全面部署,提出以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式变革,擘画出我国数字化发展蓝图。自然资源部、住房和城乡建设部、国家发展和改革委员会等多部委也陆续发布政策文件,将CIM作为新一代信息基础设施,提出推动CIM基础平台建设,支持城市规划建设管理多场景应用,推动城市开发建设从粗放型外延式发展转向集约型内涵式发展等。自2018年以来,住建部先后在广州、南京等地区开展BIM报建审查和CIM基础平台建设的试点工作。与此同时,各地CIM基础平台建设发展十分迅速,截止到2021年10月,据不完全统计,共有31个城市105个项目提出CIM基础平台的相关建设愿景,涉及招标金额总计约为6.7亿元,建设内容包括园区、开发区、新区、城市等不同尺度的CIM基础平台建设、标准建设以及智能化审批、安全监管等CIM+应用开发。当前,国家及其部委,以及浙江、广州等省市,纷纷将CIM作为未来五年建设的关键内容。

从CIM的产生及发展现状不难看出,我国城市发展与新技术相融合进入高质量发展阶段,建设方式有大规模增量建设转为质量提升改造和增量结构调整并重的新模式。这对其他行业,有着积极的参照作用。

如果说CIM是具有中国特色的时代发展成果也不为过。CIM是否能够产生在欧美?中国的国土面积相当于欧美,欧罗巴平原上分裂成了50个国家,有不同的民族、宗教、语言文字,互相对立冲突;中国历史上不同的民族,逐渐融合,各种的宗教,逐渐合流,语言文字也陆续归于一致,这种动力的根源何在呢?我以为儒家思想的正义性包容性有极大关系。CIM最底层的思想也是根植于这种包容的传统文化。依靠中国自己的传统智慧,以万物包容的心态去将这一领域的所有内容统统纳入CIM中,而且做到科学、条理、次序,依托于广大中国城市发展市场使其形成合力,并稳步得以落地实施。 如果按照西方科学的思想,CIM也充分体现了一种系统性思想,将多种专业、多种学科、多个单体对象、多种空间、多种过程进行有序融合,变成一个有一致性的系统性框架,这其中重点针对了BIM与GIS等学科、技术的整合。就GIS与BIM在 CIM框架中扮演着不同的角色,发挥着各自的作用,在一个城市集成的框架下试图发挥倍增效应。如果说BIM概念标准过高,刚性有余,CIM概念更多扮演一个刚柔并济、内外兼修的角色,他并没有降低业内标准,又大大海纳百川了准入门槛,依旧可以承载高精度的建筑业、制造业,又避免了上升到Lod300精度级别造成的无畏的恐慌。正是这种传统的智慧,避免了GIS与BIM的对抗、让更多的三维数据,如Max等手工模型提供了更广阔的生存空间,大大促进了产业发展。所以,从应用角度分析,CIM是最适合当下市场外在条件的发展标准,势必会整合现有技术发生更大的化学反应,以城市和园区为切入点,为各种智慧应用提供坚实的理论基础。

CIM核心思想

城市信息模型(City Information Modeling,CIM)的主流定义为:以城市信息数据为基数,以建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)、地理信息系统(Geographic Information System,GIS)、物联网(Internet of Thing,IoT)等技术为基础,整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体(耿丹,李丹彤,2017)。从概念不难看出,CIM是GIS与BIM的融合,外接传感器的包容性概念(图1)。

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图1 – CIM概念框架

自2020年9月,住房和城乡建设部办公厅陆续发布或公开征求意见的CIM相关行业标准共9项,其中标准类型涉及基础类标准2项、通用型标准3项、专用类标准4项。从推出时序来分析,行业标准的出台是快速回应各地建设平台和数据加工的技术性要求,解决项目实施落地过程中的难点问题。同时,也是在不断推进工作中逐步统一认识,共同谱写CIM基础平台标准体系图谱的过程。这其中《城市信息模型数据加工技术标准》当属对GIS与BIM数据解读最具有应用导向的篇章,该篇章详述了当前CIM数据应包含的内容范围、分级分类标准、多源异构数据加工处理方式,这些内容对于CIM平台建设具有硬性的要求,也是CIM平台拉开差距的硬性指标,目前该标准已经完成了送审阶段

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图2 – CIM标准

CIM标准《城市信息模型数据加工技术标准》篇章,科学、条理、次序体现在了他的系统性分级体系与处理方法,使CIM数据具备统一规范的加工处理流程。依据住建部发布标准将三维数据对象从分类、分层、精度总结出CIM1-CIM7等级(图2、图3)。城市空间尺度数据集中在CIM1-CIM3,以DEM、DOM、DLG、倾斜摄影数据为主。室内空间以及能源与工业领域的设备设施集中在CIM4-CIM7,以手工模型、BIM模型为主。根据应用需求,需要对各级CIM数据采用不同方式进行处理,除了基本的数据类型、精度、单体化、拓扑等工序,针对三维数据需要单独进行包括:多源异构的数据转换、轻量化、数据组织存储等流程,以达到快速加载显示的应用需求。

若在三维可视化需求基础上扩大应用范围,如城市规、建、管,设备故障管理等深度业务应用,需进一步对相关业务数据进行梳理调研。包括:IOT数据类型、格式、接口,业务系统数据标准、编码结构、是否可以建立映射关系等(图4)。

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图3 – CIM分级体系

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图4 – CIM分级体系示意

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图5 – CIM数据处理流程

CIM导向意义

元宇宙等概念的出现,大多采取驻足观望在To C社交、游戏及泛娱乐等领域试水结果。大多数企业均会采取渐进式路线探索新技术切入点,整合现有数据资源,结合业务现状。目前,传统企业都具备业务完整、管理规范、IT全覆盖的水平(图5)。线性资产结合GIS,形成了完整的建设到运维的完整闭环解决方案。密集资产管理,形成了以ERP、EAM等理论为基础的设备设施全生命周期解决方案。在CIM概念没有推出之前,企业信息化大多围绕业务流程优化、数据治理、上云等这些活动开展,也就是在一个接近饱和的存量市场,大多数信息化行为都是以完善为主。

CIM标准的出现使这一系列新概念落地成为可能。CIM倡导的信息模型是基于面向对象分析的基础上,如何更好的面向场景。它的基本思想是描述三个内容:对象、对象之间的关系、场景。CIM的有两个特点可以值得关注:跨学科、跨专业、跨组织、跨空间的统一数据分级体系,在复杂多样的应用中如何按照面向场景的数据/技术/方法的有序整合。

首先,统一数据分级体系在前面已经分析,从引导和借鉴的角度来看,从图5中可以看出,当前企业需要做的既是参照CIM标准补充自己的三维数字底座,增加了三维数据的从宏观到微观的视野,降低业务门槛、企业交互成本、精准映射、模拟仿真、虚实交互、智能干预等典型特性加速推动企业应用创新发展。其次,如何面向场景进行整合,CIM是从多样化业务应用中总结六个共性特点,可以分为时间、空间、实体、人物、事件、现象,而“场景”则是大脑对这六个特点综合认知反映。这六点是我们对城市的综合抽象,其中空间、时间则是最基本、最底层的框架,因此CIM以时空为基础建人物、事件、现象进行有序组织,最终以场景方式呈现,通过这种方法,可以把城市这么一个复杂系统性工程进行“重构”和“再造”。

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图6 – 三维对象与传统业务交互

下面主要分析下CIM标准提出的分级体系对设备管理分级体系具有参考借鉴作用。复杂设备是一个基于设备结构/功能拆分的通用组。设备分级最高等级是设备系统(单体设备),向下细分等级取决于设备单元的复杂程度和用途。参考CIM标准,设备管理可以分成三个等级即可,设备系统、子系统、可维修维护零部件(图6)。例如,设备技术参数、可靠性数据对应设备系统级,统计维修次数、维修工单可以对应设备单元也可以对应设备子系统,而失效原因对应设备分级体系最低部件级。具体管理内容如下:

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图7 – 参照CIM标准的设备管理分级体系

设备系统-CIM5

  • 三维模型粒度:设备单体、压缩机、截断阀、常减压、延迟焦化…

  • 业务数据粒度:单机统计。单机智能监控、停机次数、故障次数、维修成本…

  • 结合方法论:EAM、工业监控、RCM、Hazop、空间管理…

  • 结合存量系统:工程项目管理、ERP、Maximo、SCADA、视频监控…

设备子系统-CIM6

  • 三维模型粒度:设备功能组件。传动系统、执行机构、蒸馏塔、焦化塔…

  • 业务数据粒度:功能组件统计。功能组件故障次数、维修方法、维修成本…

  • 结合方法论:EAM、工业监控、 故障诊断、维护保养、维修空间…

  • 结合存量系统:更新改造项目管理、ERP、Maximo、SCADA、仿真…

可维修维护零部件-CIM7

  • 三维数据粒度:设备功能零部件。皮带齿轮、电机、冷凝器、控制阀…

  • 业务数据粒度:可维修维护零部件统计。零部件库存盘点、备件计划…

  • 结合方法论:资产管理、库存管理、计划管理、供应商管理…

  • 结合存量系统:资产系统、采购系统、ERP、Maximo、仿真…

CIM应用现状

随着CIM标准推出,产业市场瞬间风起云涌,基于CIM理论的三维平台仿佛成了智慧城市、智慧园区产业的标配。产业风口上升期,必然泥沙俱下、良莠不齐,透过项目还是可以看到应用上的本质区别。本文秉承和谐社会,以和为贵、包容性发展的理念,不做CIM平台的比较,大同社会没有永远的无敌寂寞高手,有的只是高手与高手之间的惺惺相惜,共同促进良性生态环境。下图介绍的是一个市场上能够代表CIM内涵的典型产品样例,不是单一的使用简化模型局限于页面美术效果的产品。此CIM产品不仅体现出了城市空间范围内清晰的分级概念,契合了城市管理的标准化功能,更体现出了多源异构数据融合与海量数据处理的能力,这些是CIM产品能够赋能智慧城市与智慧园区的基本产品能力。

图8-典型CIM产品

CIM未来展望

CIM加速了数字化转型在城市与园区行业的落地,使得以数字孪生为内核的产业趋势清晰成为赛道可见的产业风口,清晰勾勒出城市与企业以三维时空数字底座为基础的高可靠平台建设为切入点的实施路径。短期内会出现数字大屏过热的现象,但是深入走下去必定以承载高效、安全可靠、联通共享、协同灵活为标准,以满足城市、企业和百姓应用发展需求为出发点,聚焦互联网、大数据、数字孪生技术,在虚实融合的仿真场景中,实时掌握城市与企业生产经营状况,形成高效智能的管理。同时综合考虑到各行业领域,以安全效益和经济效益为核心的AR、AI、仿真等三维强相关应用势必会陆续进场。简而言之:

1)在城市三维时空数字底座的基础上叠加城市基础设施三维数据,构建基于数字底座的三维高可靠平台,为未来衍生迭代各种智慧应用提供基础保障。

2)实现城市数字化升级,并快速向智慧化转型,使得决策者能够实时掌控所辖范围的安全状态、仿真模拟、应急资源分布、并做出相应的决策指令,促进城市产业化升级,带动强相关的AR、AI、仿真、5G等产业应用。

3)为城市以外的其他行业提供极具价值的参考借鉴意义,在企业数字底座的基础上叠加与设备设施三维数据,构建基于企业新一代的时空数字底座,为未来衍生迭代各种智慧应用提供基础保障。

4)CIM是会持续发展的产物,需要随着BIM、数字孪生、元宇宙等技术和实践的发展不断迭代更新。

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