城市信息模型（City Information Model,CIM）平臺(tái)是數(shù)字孿生城市的核心，隨著數(shù)字孿生應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)，正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。從CIM平臺(tái)的現(xiàn)實(shí)意義、架構(gòu)組成、產(chǎn)業(yè)生態(tài)、平臺(tái)構(gòu)建幾方面介紹了CIM平臺(tái)的發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)展望。
關(guān)鍵詞：CIM；城市大腦;數(shù)字孿生城市
Building CIM platform to promote the landing of digital twin city
CHEN Cai,ZHANG Yuxiong
(Industry and Planning Research Institute,China Academy of Information and Communications Technology,Beijing 100037,China)
Abstract:The City Information Model(CIM)platform is the core of the digital twin city.It is of great importance as the demand for digital twin applications conlinues to expand.This paper introduces the development status and future prospects of the CIM platform from the aspects of practical significance,structure composition,industrial ecology,and platform construction.
Key words：CIM；city brain；digital twin city
一、引言
CIM平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)映射城市運(yùn)行狀態(tài)、挖掘洞悉城市運(yùn)行規(guī)律、模擬仿真城市未來(lái)趨勢(shì)的綜合信息載體與核心平臺(tái)[1-2],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(lái)，將BIM的作用對(duì)象從建筑物擴(kuò)大到了城市范疇。
簡(jiǎn)單來(lái)看,CIM平臺(tái)等于CIM模型加上各類(lèi)異構(gòu)多源數(shù)據(jù)[3]。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系統(tǒng)（Geographic Information System,GIS）數(shù)據(jù),以及動(dòng)態(tài)變化的感知信息IOT（物聯(lián)網(wǎng)）數(shù)據(jù)。通過(guò)在CIM平臺(tái)上加載各類(lèi)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(kāi)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。
二、CIM平臺(tái)的現(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)在三大方面。
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(shū)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(wèn)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、有效早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提前干預(yù)、智能控制、預(yù)測(cè)預(yù)警現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、避免在物理空間中犯錯(cuò)、降低城市運(yùn)行成本;在事中控制環(huán)節(jié),CIM平臺(tái)有助于提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)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)，使其固化在CIM模型中，以進(jìn)一步改進(jìn)、完善城市未來(lái)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；當(dāng)城市地下管網(wǎng)出現(xiàn)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(lái)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(guò)深度學(xué)習(xí)等算法，推演城市未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)并可視化呈現(xiàn)，增強(qiáng)對(duì)未來(lái)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。
三、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。一方面是過(guò)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)的數(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;另一方面是過(guò)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的仿真推演。
從架構(gòu)上看,CIM平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與渲染三大部分構(gòu)成次（見(jiàn)圖1）。
3.1多源數(shù)據(jù)采集是模型構(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。地上地下、室內(nèi)室外、虛實(shí)一體、開(kāi)放鮮活的時(shí)空數(shù)據(jù)資源是數(shù)字孿生城市建設(shè)最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)。模型數(shù)據(jù)采集對(duì)象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。數(shù)據(jù)類(lèi)型主要為城市街景數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(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。
3.2模型平臺(tái)是數(shù)字孿生城市的“骨架”
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(chē)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)?、交通運(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[1]。
3.3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與渲染是賦能業(yè)務(wù)的核心
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)景進(jìn)行效果渲染，比如根據(jù)天氣動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)（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)天氣進(jìn)行模擬;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[2]。
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在二維空間和時(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(guò)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、CIM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)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，以實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一時(shí)空基礎(chǔ)的規(guī)劃、分析和決策。
四、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(lái)產(chǎn)業(yè)主體將更加多元，競(jìng)中有合，合大于競(jìng)，共同推動(dòng)CIM生態(tài)壯大發(fā)展。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4類(lèi)。
第一類(lèi)是傳統(tǒng)地理信息、地理測(cè)繪等企業(yè),這些企業(yè)多年來(lái)深耕地理信息、時(shí)空大數(shù)據(jù)等，具有搭建CIM平臺(tái)的先發(fā)優(yōu)勢(shì),其典型的代表企業(yè)有超圖公司、泰瑞數(shù)創(chuàng)、四維圖新等。
第二類(lèi)是BIM類(lèi)企業(yè)，這些企業(yè)從建筑領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)向城市領(lǐng)域、園區(qū)領(lǐng)域,擴(kuò)大信息模型的建設(shè)范疇,搭建一體化CIM平臺(tái)。其典型的代表企業(yè)有中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、廣聯(lián)達(dá)軟件、魯班軟件等。
第三類(lèi)是建模、仿真類(lèi)企業(yè)，借助制造業(yè)數(shù)字孿生體系、交通模擬仿真等領(lǐng)域的積累優(yōu)勢(shì)，快速進(jìn)軍CIM平臺(tái)市場(chǎng)，其典型的代表企業(yè)有達(dá)索系統(tǒng)、51World、班聯(lián)數(shù)城等。此外，還有很多領(lǐng)域小微企業(yè)或行業(yè)專(zhuān)家,針對(duì)行業(yè)特點(diǎn)，提供行業(yè)分析算法模型，共同助力CIM生態(tài)壯大。
第四類(lèi)是互聯(lián)網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商等企業(yè)。互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛跨界，如阿里巴巴與中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院合作推進(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、四方偉業(yè)等。
五、構(gòu)建CIM平臺(tái)的建議
5.1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。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(lái)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)。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，可以不依賴(lài)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。從發(fā)展階段看，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)字孿生城市是智慧城市的中遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)，要以點(diǎn)帶面，逐步推行;隨著技術(shù)的不斷演進(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。
5.2建立與GIS底圖和上層應(yīng)用松耦合彈性可伸縮的CIM平臺(tái)
當(dāng)前,傳統(tǒng)的GIS產(chǎn)品非常成熟，具有功能強(qiáng)大的GIS引擎和靈活全面的各類(lèi)GIS組件，GIS產(chǎn)品可以為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(lái)城市的新型基礎(chǔ)設(shè)施，要建立松耦合、彈性開(kāi)放的架構(gòu)。一是要兼容底層的不同GIS引擎和底圖系統(tǒng)，形成跨平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)的移植能力；二是要為上層數(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(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景和共性基礎(chǔ)組件實(shí)現(xiàn)賦能支撐。
5.3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)的工作難點(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(lèi)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，以及多模態(tài)數(shù)據(jù)融合表達(dá);二是要構(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);三是要在數(shù)據(jù)層建立城市級(jí)海量感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接入服務(wù)標(biāo)準(zhǔn),研研數(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)域的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接入。
5.4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)集成量呈指數(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)重大的城市安全事故。目前來(lái)看，我國(guó)在傳感、CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、VR/AR（虛擬現(xiàn)實(shí)/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）渲染、仿真建模等領(lǐng)域的核心技術(shù)依賴(lài)國(guó)外的現(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)。
六、結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,CIM平臺(tái)作為數(shù)字孿生城市建設(shè)的基礎(chǔ)支撐，總體組成架構(gòu)已較為成熟，隨著數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景需求的不斷深化，將會(huì)持續(xù)釋放未來(lái)城市模擬仿真價(jià)值。
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作者簡(jiǎn)介：
陳才中國(guó)信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所信息化應(yīng)用研究部主任，高級(jí)工程師，博士，國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU-D）智慧社會(huì)研究組（SG2 Q1）副報(bào)告人,主要從事信息化發(fā)展、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等方面的研究工作
張育雄中國(guó)信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃研究所數(shù)字孿生城市中心主任，主要從事數(shù)字孿生城市、信息化應(yīng)用、新型基礎(chǔ)設(shè)施等方面的研究與政策制定工作
