【導(dǎo)語(yǔ)】以CIM為核心的數(shù)字孿生城市建設(shè)正形成城市級(jí)的創(chuàng)新平臺(tái)，帶動(dòng)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(shí)，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(tái)（City Information Model，以下簡(jiǎn)稱CIM）。

CIM的演進(jìn)與意義

l CIM的內(nèi)涵與演進(jìn)

CIM平臺(tái)是實(shí)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(shì)的綜合信息載體與核心平臺(tái)，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(duì)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(jiǎn)單來看，CIM平臺(tái)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(jí)語(yǔ)義信息的三維模型和語(yǔ)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(dòng)態(tài)變化的感知信息IoT數(shù)據(jù)。

通過在CIM平臺(tái)上加載各類城市業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)資源，集成對(duì)接智慧城市軟件系統(tǒng)，針對(duì)典型場(chǎng)景，開展系統(tǒng)化模擬仿真，迭代試錯(cuò)操作，最終形成數(shù)字孿生城市雛形。

圖1  CIM平臺(tái)是數(shù)字孿生城市的重要載體與核心平臺(tái)

l CIM平臺(tái)現(xiàn)實(shí)意義

具有全域全時(shí)、精準(zhǔn)映射、虛實(shí)交互、仿真模擬的CIM平臺(tái)，其核心價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義主要體現(xiàn)在三方面：

一是CIM平臺(tái)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(shí)現(xiàn)“全周期管理”，城市的風(fēng)險(xiǎn)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(tái)可實(shí)現(xiàn)在數(shù)字空間中的模擬評(píng)估，試錯(cuò)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(cè)預(yù)警現(xiàn)實(shí)問題，避免在物理空間中的犯錯(cuò)，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(dòng)報(bào)警，及時(shí)處理。在事后反思環(huán)節(jié)，CIM平臺(tái)可有效沉淀隱形經(jīng)驗(yàn)，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(tái)構(gòu)筑空間計(jì)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(dòng)物體之間都存在位置關(guān)系，CIM平臺(tái)具有精確的位置信息以及空間細(xì)節(jié)，可以快速計(jì)算相對(duì)位置。如城市規(guī)劃可以根據(jù)空間約束條件，在CIM平臺(tái)上快速實(shí)現(xiàn)積木式規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)“一張圖”規(guī)劃；城市地下管網(wǎng)故障報(bào)警時(shí)，CIM平臺(tái)可快速定位，快速處置，降低災(zāi)害蔓延。

三是CIM平臺(tái)構(gòu)筑未來預(yù)知能力，提高城市應(yīng)對(duì)與決策能力。CIM平臺(tái)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(shì)并可視化呈現(xiàn)，增強(qiáng)對(duì)未來發(fā)展的判斷力。如城市交通發(fā)展態(tài)勢(shì)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(tái)的架構(gòu)組成

當(dāng)前，業(yè)界對(duì)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(shí)景映射，認(rèn)為數(shù)字空間一草一木都要有其對(duì)應(yīng)數(shù)字孿生體，但CIM更應(yīng)該關(guān)注重點(diǎn)場(chǎng)景和重點(diǎn)事件的孿生；二是過度關(guān)注渲染技術(shù)，認(rèn)為虛實(shí)融合交互、渲染效果逼真是發(fā)展重點(diǎn)。但CIM的可視化展現(xiàn)與實(shí)景渲染是必要項(xiàng)，而非核心。其核心其實(shí)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(tái)主要由模型數(shù)據(jù)源采集、模型平臺(tái)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(tái)的架構(gòu)組成

l 多源模型數(shù)據(jù)采集是模型平臺(tái)構(gòu)建的基礎(chǔ)

從二維到三維，從地理空間信息到時(shí)空高精度多源信息，是大勢(shì)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(shí)一體、開放鮮活的時(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)等。要建立時(shí)空融合的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空信息的有效組織，清洗處理，結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)、特征化提取。

l 模型平臺(tái)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(diǎn)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(duì)建筑物、橋梁、停車場(chǎng)、綠地等城市部件進(jìn)行單體化處理。三是利用語(yǔ)義化技術(shù)，形成一個(gè)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)狻⒔煌ㄟ\(yùn)行、公共醫(yī)療等諸多關(guān)聯(lián)語(yǔ)義數(shù)據(jù)，最終形成全域、全時(shí)、全程三維可視、附帶豐富屬性信息的CIM模型。

l 實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)在模型平臺(tái)上快速加載、融合和呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)事件的可視化，如實(shí)時(shí)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(chǎng)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(chǎng)景需求，可以按百米級(jí)或十米級(jí)呈現(xiàn)城市管理應(yīng)用場(chǎng)景；按照米級(jí)或厘米級(jí)呈現(xiàn)交通、應(yīng)急等特殊場(chǎng)景的模擬仿真；三是對(duì)數(shù)據(jù)模擬和真實(shí)場(chǎng)景效果渲染，比如根據(jù)天氣動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)如云層高度、風(fēng)向、邊緣噪波尺寸等，對(duì)陰、晴、雨、雪等多種真實(shí)天氣的模擬；運(yùn)用動(dòng)態(tài)光追蹤距離場(chǎng)陰影技術(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)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(tái)可以基于智慧城市已建的時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)擴(kuò)展，后者為CIM在三維空間和時(shí)間交織構(gòu)成的四維環(huán)境中，提供了時(shí)空基礎(chǔ)服務(wù)，通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、城市信息模型等技術(shù)，拓展時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)精細(xì)化可視化管控功能。CIM平臺(tái)也可獨(dú)立建設(shè)，但應(yīng)要涵蓋時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)的主要能力，如多源數(shù)據(jù)的融合，數(shù)據(jù)時(shí)空化，數(shù)據(jù)服務(wù)化，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一時(shí)空基礎(chǔ)的規(guī)劃、分析和決策。

CIM平臺(tái)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)

當(dāng)前，CIM平臺(tái)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(jí)的創(chuàng)新平臺(tái)，帶動(dòng)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(jìng)中有合，合大于競(jìng)，從參與企業(yè)的原有主業(yè)看，CIM平臺(tái)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(cè)繪企業(yè)，地理信息和測(cè)繪企業(yè)，憑借多年深耕地理信息、時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)等，具有CIM平臺(tái)建設(shè)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，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(jí)、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(tái)。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(shì)，快速進(jìn)軍城市信息模型市場(chǎng)。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(duì)行業(yè)特點(diǎn)，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(yíng)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(tái)，科大訊飛與中國(guó)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(chǎng)，如騰訊、京東數(shù)科、華為、中國(guó)電信等。

構(gòu)建CIM平臺(tái)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(tái)”以及CIM對(duì)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(jí)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(dú)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(shí)空數(shù)據(jù)的仿真模擬、預(yù)測(cè)反演，降低實(shí)體城市的試錯(cuò)成本。

3、從發(fā)展階段上看，城市大腦是智慧城市的近期實(shí)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(shí)現(xiàn)，要以點(diǎn)帶面，逐步推行。隨著技術(shù)演進(jìn)，城市大腦將會(huì)逐漸與CIM平臺(tái)融合發(fā)展，共同推動(dòng)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(tái)

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(shí)空立體城市“數(shù)字底圖”。CIM平臺(tái)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(tái)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(chǎng)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(shí)空融合標(biāo)準(zhǔn)與統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架

CIM平臺(tái)的難點(diǎn)之一是對(duì)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(shí)空數(shù)據(jù)框架，確保空間定位編碼一致，實(shí)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(diǎn)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(jí)海量感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(tái)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(xiǎn)隨系統(tǒng)和數(shù)據(jù)集成量指數(shù)上升，一旦系統(tǒng)平臺(tái)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(guó)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(guó)外現(xiàn)象嚴(yán)重，需進(jìn)一步加強(qiáng)CIM平臺(tái)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(dòng)權(quán)。