【導(dǎo)語】以CIM為核心的數(shù)字孿生城市建設(shè)正形成城市級的創(chuàng)新平臺，帶動巨大的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)資源，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要方向。
當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)為代表的數(shù)字浪潮席卷全球。與此同時，數(shù)據(jù)融合、三維建模、模擬仿真、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)能力加速發(fā)展成熟，并與新一代信息技術(shù)相互促進(jìn)、相互支撐、相互融合，使得數(shù)字空間構(gòu)建與物理城市一一映射的數(shù)字孿生城市成為可能。而其核心，是城市信息模型平臺（City Information Model，以下簡稱CIM）。
CIM的演進(jìn)與意義
l CIM的內(nèi)涵與演進(jìn)
CIM平臺是實現(xiàn)精準(zhǔn)映射城市運(yùn)行細(xì)節(jié)、挖掘洞悉城市發(fā)展規(guī)律、推演仿真城市未來趨勢的綜合信息載體與核心平臺，也是連接物理城市與數(shù)字城市的關(guān)鍵“橋梁”。CIM的概念由BIM（建筑信息模型）衍生而來，將BIM的作用對象從建筑物擴(kuò)大到了城市范疇。例如，同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士提出BIM是單體，CIM是群體，BIM是CIM的細(xì)胞。
簡單來看，CIM平臺等于CIM模型加上各類異構(gòu)多源數(shù)據(jù)。前者是指具有城市級語義信息的三維模型和語義建模的數(shù)據(jù)集成體，是數(shù)字孿生城市的核心信息載體。后者涵蓋城市建筑構(gòu)件的結(jié)構(gòu)化信息BIM數(shù)據(jù)、城市二三維一體化的地理信息GIS數(shù)據(jù)，以及動態(tài)變化的感知信息IoT數(shù)據(jù)。
通過在CIM平臺上加載各類城市業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源，集成對接智慧城市軟件系統(tǒng)，針對典型場景，開展系統(tǒng)化模擬仿真，迭代試錯操作，最終形成數(shù)字孿生城市雛形。
圖1 CIM平臺是數(shù)字孿生城市的重要載體與核心平臺
l CIM平臺現(xiàn)實意義
具有全域全時、精準(zhǔn)映射、虛實交互、仿真模擬的CIM平臺，其核心價值和現(xiàn)實意義主要體現(xiàn)在三方面：
一是CIM平臺構(gòu)筑城市“全周期管理”能力，提高城市韌性。習(xí)近平總書記提出，超大型城市要實現(xiàn)“全周期管理”，城市的風(fēng)險管理、問題處置要做到事前防范、事中控制、事后反思的全周期閉環(huán)管理。在事前防范環(huán)節(jié)，CIM平臺可實現(xiàn)在數(shù)字空間中的模擬評估，試錯調(diào)試，有效地在早期發(fā)現(xiàn)問題，提前干預(yù)，智能控制，預(yù)測預(yù)警現(xiàn)實問題，避免在物理空間中的犯錯，降低城市運(yùn)行成本。在事中控制環(huán)節(jié)，CIM有助于提早發(fā)現(xiàn)問題苗頭，自動報警，及時處理。在事后反思環(huán)節(jié)，CIM平臺可有效沉淀隱形經(jīng)驗，固化在CIM模型中，以進(jìn)一步改進(jìn)完善城市未來方案。
二是CIM平臺構(gòu)筑空間計算能力，提高城市精準(zhǔn)化精細(xì)化治理水平。城市的所有固定部件和流動物體之間都存在位置關(guān)系，CIM平臺具有精確的位置信息以及空間細(xì)節(jié)，可以快速計算相對位置。如城市規(guī)劃可以根據(jù)空間約束條件，在CIM平臺上快速實現(xiàn)積木式規(guī)劃，實現(xiàn)“一張圖”規(guī)劃；城市地下管網(wǎng)故障報警時，CIM平臺可快速定位，快速處置，降低災(zāi)害蔓延。
三是CIM平臺構(gòu)筑未來預(yù)知能力，提高城市應(yīng)對與決策能力。CIM平臺可以基于歷史數(shù)據(jù)，通過深度學(xué)習(xí)等算法，推演城市未來發(fā)展態(tài)勢并可視化呈現(xiàn)，增強(qiáng)對未來發(fā)展的判斷力。如城市交通發(fā)展態(tài)勢在空間的推演，人群集聚情況在空間的推演，環(huán)境污染情況在空間的推演，疫情接觸情況在空間的推演等。
CIM平臺的架構(gòu)組成
當(dāng)前，業(yè)界對快速發(fā)展的CIM有兩方面誤解。一是過度關(guān)注多源數(shù)據(jù)采集和實景映射，認(rèn)為數(shù)字空間一草一木都要有其對應(yīng)數(shù)字孿生體，但CIM更應(yīng)該關(guān)注重點場景和重點事件的孿生；二是過度關(guān)注渲染技術(shù)，認(rèn)為虛實融合交互、渲染效果逼真是發(fā)展重點。但CIM的可視化展現(xiàn)與實景渲染是必要項，而非核心。其核心其實還在于模型，以及基于CIM模型的仿真推演。
從架構(gòu)上看，CIM平臺主要由模型數(shù)據(jù)源采集、模型平臺構(gòu)建、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與模型渲染三大部分構(gòu)成。
圖2 CIM平臺的架構(gòu)組成
l 多源模型數(shù)據(jù)采集是模型平臺構(gòu)建的基礎(chǔ)
從二維到三維，從地理空間信息到時空高精度多源信息，是大勢所趨，也是CIM的關(guān)鍵要求。數(shù)字孿生城市建設(shè)，所需的地上地下、室內(nèi)室外、虛實一體、開放鮮活的時空數(shù)據(jù)資源，是最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)。模型數(shù)據(jù)采集主要包括地理空間信息、建筑物、道路、地下空間管線、城市地質(zhì)、地表高程等各類數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)類型為GIS、BIM/CAD建筑模型數(shù)據(jù)、城市街景數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)等。要建立時空融合的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)時空信息的有效組織，清洗處理，結(jié)構(gòu)化存儲、特征化提取。
l 模型平臺是數(shù)字孿生城市運(yùn)行“骨架”（信息載體）
一是基于城市GIS底圖，利用影像多視匹配技術(shù)、點云構(gòu)TIN技術(shù)、紋理映射技術(shù)等三維建模技術(shù)，按照地形層、道路層、建筑層、綠化層、水域?qū)拥软樞蛑饘蛹虞d數(shù)據(jù)，形成結(jié)構(gòu)化的城市分層模型。二是針對建筑物、橋梁、停車場、綠地等城市部件進(jìn)行單體化處理。三是利用語義化技術(shù)，形成一個量化并可索引的城市單體信息模型，并同步接入人口、房屋、公安警務(wù)、水電燃?xì)?、交通運(yùn)行、公共醫(yī)療等諸多關(guān)聯(lián)語義數(shù)據(jù)，最終形成全域、全時、全程三維可視、附帶豐富屬性信息的CIM模型。
l 實時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與模型渲染是模型賦能業(yè)務(wù)的核心基礎(chǔ)
一是物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)實時在模型平臺上快速加載、融合和呈現(xiàn)，實現(xiàn)實時運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)社會事件的可視化，如實時視頻圖像、空氣污染指數(shù)、交通流量、行人軌跡等；二是根據(jù)不同精度標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)應(yīng)用場景，如根據(jù)城市地理信息數(shù)據(jù)源、模型精度、業(yè)務(wù)場景需求，可以按百米級或十米級呈現(xiàn)城市管理應(yīng)用場景；按照米級或厘米級呈現(xiàn)交通、應(yīng)急等特殊場景的模擬仿真；三是對數(shù)據(jù)模擬和真實場景效果渲染，比如根據(jù)天氣動態(tài)數(shù)據(jù)如云層高度、風(fēng)向、邊緣噪波尺寸等，對陰、晴、雨、雪等多種真實天氣的模擬；運(yùn)用動態(tài)光追蹤距離場陰影技術(shù)，實時計算陰影狀態(tài)，最終模擬還原物理世界的運(yùn)行情況。
從建設(shè)路徑上看，CIM平臺可以基于智慧城市已建的時空大數(shù)據(jù)平臺擴(kuò)展，后者為CIM在三維空間和時間交織構(gòu)成的四維環(huán)境中，提供了時空基礎(chǔ)服務(wù)，通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)、城市信息模型等技術(shù)，拓展時空大數(shù)據(jù)平臺精細(xì)化可視化管控功能。CIM平臺也可獨立建設(shè)，但應(yīng)要涵蓋時空大數(shù)據(jù)平臺的主要能力，如多源數(shù)據(jù)的融合，數(shù)據(jù)時空化，數(shù)據(jù)服務(wù)化，實現(xiàn)基于統(tǒng)一時空基礎(chǔ)的規(guī)劃、分析和決策。
CIM平臺的產(chǎn)業(yè)生態(tài)
當(dāng)前，CIM平臺尚處于發(fā)展初期。以CIM為核心的數(shù)字孿生城市建設(shè)正形成城市級的創(chuàng)新平臺，帶動巨大的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)資源，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)的重要方向。隨著數(shù)字孿生城市的不斷深入推進(jìn)，未來產(chǎn)業(yè)主體將更加多元，競中有合，合大于競，從參與企業(yè)的原有主業(yè)看，CIM平臺產(chǎn)業(yè)可分為以下五類，生態(tài)規(guī)模效應(yīng)日漸凸顯，共同推進(jìn)CIM生態(tài)壯大發(fā)展。
第一類是傳統(tǒng)地理信息和測繪企業(yè)，地理信息和測繪企業(yè)，憑借多年深耕地理信息、時空大數(shù)據(jù)平臺等，具有CIM平臺建設(shè)的先發(fā)優(yōu)勢，典型代表如超圖公司等。
第二類是BIM類企業(yè)，BIM企業(yè)從建筑物逐漸轉(zhuǎn)向城市級、園區(qū)領(lǐng)域，擴(kuò)大信息模型建設(shè)范疇，搭建一體化CIM平臺。典型代表如廣聯(lián)達(dá)軟件、魯班軟件等。
第三類是建模、仿真類企業(yè)，借助制造業(yè)CPS體系、交通仿真等領(lǐng)域積累的優(yōu)勢，快速進(jìn)軍城市信息模型市場。典型代表如達(dá)索系統(tǒng)、51World、班聯(lián)數(shù)城等。此外，還有很多領(lǐng)域小微或行業(yè)專家，針對行業(yè)特點，提供行業(yè)分析模型，共同助力壯大CIM生態(tài)。
第四類是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、運(yùn)營商。互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛跨界，阿里巴巴與中規(guī)院合作推進(jìn)雄安新區(qū)CIM平臺，科大訊飛與中國建筑科學(xué)研究院合作BIM+AI。其他大型企業(yè)也紛紛加快布局城市信息模型市場，如騰訊、京東數(shù)科、華為、中國電信等。
構(gòu)建CIM平臺的建議
l 厘清CIM、城市大腦、數(shù)字孿生城市的關(guān)系
推進(jìn)數(shù)字孿生城市建設(shè)需要統(tǒng)籌規(guī)劃，體系化布局，避免追逐新概念、新技術(shù)，另起爐灶。
1、從涵蓋范疇看，城市大腦是當(dāng)前智慧城市建設(shè)的核心組成。數(shù)字孿生城市是面向智慧城市未來發(fā)展的新模式新路徑，其新增量主要是“CIM平臺”以及CIM對城市業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重構(gòu)效應(yīng)。
2、從核心概念看，城市大腦的關(guān)鍵詞是決策調(diào)度，是基于數(shù)據(jù)融合，分析挖掘和系統(tǒng)級協(xié)作的智能決策分析、指揮調(diào)度和賦能支持，它可以不依賴數(shù)字孿生技術(shù)，獨立運(yùn)作；數(shù)字孿生城市的關(guān)鍵詞是模型仿真，是基于高精度連續(xù)時空數(shù)據(jù)的仿真模擬、預(yù)測反演，降低實體城市的試錯成本。
3、從發(fā)展階段上看，城市大腦是智慧城市的近期實踐，是建設(shè)數(shù)字孿生城市的前提。數(shù)字孿生城市是中遠(yuǎn)期實現(xiàn)，要以點帶面，逐步推行。隨著技術(shù)演進(jìn)，城市大腦將會逐漸與CIM平臺融合發(fā)展，共同推動數(shù)字孿生城市落地。
圖3 CIM、城市大腦與數(shù)字孿生城市的關(guān)系
l 建立與GIS底圖和上層應(yīng)用松耦合、彈性的CIM平臺
當(dāng)前傳統(tǒng)GIS產(chǎn)品非常成熟，具有功能強(qiáng)大的GIS引擎和靈活全面各類GIS組件，GIS產(chǎn)品可為CIM提供豐富、精準(zhǔn)的時空立體城市“數(shù)字底圖”。CIM平臺作為未來城市的新型基礎(chǔ)設(shè)施，要建立松耦合、彈性開放架構(gòu)。一是兼容底層的不同GIS引擎和底圖系統(tǒng)，形成跨平臺和網(wǎng)絡(luò)移植能力，二是為上層數(shù)字孿生應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)化、組件化的接口服務(wù)，為數(shù)字孿生城市各類應(yīng)用場景和共性基礎(chǔ)組件賦能支撐。
l 制定基于異構(gòu)數(shù)據(jù)的時空融合標(biāo)準(zhǔn)與統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架
CIM平臺的難點之一是對異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合處理。一是要研究制定多層次通用性空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，形成兼容不同類型、不同機(jī)構(gòu)信息系統(tǒng)的統(tǒng)一時空數(shù)據(jù)框架，確?？臻g定位編碼一致，實現(xiàn)多源信息準(zhǔn)確集成和多模態(tài)數(shù)據(jù)融合表達(dá)。二是構(gòu)建涵蓋GIS、BIM、傾斜攝影、激光點云、地質(zhì)體、傳感器等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合處理能力，提供面向模型的信息資源與空間位置服務(wù)。三是在數(shù)據(jù)層要建立城市級海量感知數(shù)據(jù)的實時接入服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)數(shù)據(jù)動態(tài)加載與處理技術(shù)，實現(xiàn)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)實時接入。
l 加強(qiáng)自主可控產(chǎn)品研發(fā)，強(qiáng)化數(shù)字孿生城市內(nèi)生安全
城市越智能則安全越重要，CIM平臺從空間角度整合了城市全量數(shù)據(jù)資源，城市安全風(fēng)險隨系統(tǒng)和數(shù)據(jù)集成量指數(shù)上升，一旦系統(tǒng)平臺被攻破或數(shù)據(jù)泄露，將引發(fā)重大城市安全事故。目前來看，我國在傳感、CAD、CAE、PLM、VR/AR渲染、仿真建模等領(lǐng)域核心技術(shù)依賴國外現(xiàn)象嚴(yán)重，需進(jìn)一步加強(qiáng)CIM平臺中核心引擎、關(guān)鍵組件的自主研發(fā)，確保數(shù)字孿生城市建設(shè)的內(nèi)生安全，把握發(fā)展主動權(quán)。
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