加快构建CIM平台，推动数字孪生城市落地
本文刊载于《超图通讯》2020年6月总第六十八期
当前，以物联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术为代表的数字浪潮席卷全球。与此同时，数据融合、三维建模、模拟仿真、深度学习等技术能力加速发展成熟，并与新一代信息技术相互促进、相互支撑、相互融合，使得数字空间构建与物理城市一一映射的数字孪生城市成为可能。而其核心，是城市信息模型平台（City Information Model，以下简称 CIM）。
• CIM的内涵与演进
CIM平台是实现精准映射城市运行细节、挖掘洞悉城市发展规律、推演仿真城市未来趋势的综合信息载体与核心平台，也是连接物理城市与数字城市的关键“桥梁”。CIM的概念由BIM（建筑信息模型）衍生而来，将BIM的作用对象从建筑物扩大到了城市范畴。例如，同济大学吴志强院士提出BIM是单体，CIM是群体，BIM是CIM的细胞。
简单来看，CIM平台等于CIM模型加上各类异构多源数据。前者是指具有城市级语义信息的三维模型和语义建模的数据集成体，是数字孪生城市的核心信息载体。后者涵盖城市建筑构件的结构化信息BIM数据、城市二三维一体化的地理信息GIS数据，以及动态变化的感知信息IoT数据。
通过在CIM平台上加载各类城市业务数据资源，集成对接智慧城市软件系统，针对典型场景，开展系统化模拟仿真，迭代试错操作，最终形成数字孪生城市雏形。
CIM平台是数字孪生城市的重要载体与核心平台
• CIM平台现实意义
具有全域全时、精准映射、虚实交互、仿真模拟的CIM平台，其核心价值和现实意义主要体现在三方面：
一是CIM平台构筑城市“全周期管理”能力，提高城市韧性。习总书记提出，超大型城市要实现“全周期管理”，城市的风险管理、问题处置要做到事前防范、事中控制、事后反思的全周期闭环管理。在事前防范环节，CIM平台可实现在数字空间中的模拟评估，试错调试，有效地在早期发现问题，提前干预，智能控制，预测预警现实问题，避免在物理空间中的犯错，降低城市运行成本。在事中控制环节，CIM有助于提早发现问题苗头，自动报警，及时处理。在事后反思环节，CIM平台可有效沉淀隐形经验，固化在CIM模型中，以进一步改进完善城市未来方案。
二是CIM平台构筑空间计算能力，提高城市精准化精细化治理水平。城市的所有固定部件和流动物体之间都存在位置关系，CIM平台具有精确的位置信息以及空间细节，可以快速计算相对位置。如城市规划可以根据空间约束条件，在CIM平台上快速实现积木式规划，实现“一张图”规划；城市地下管网故障报警时，CIM平台可快速定位，快速处置，降低灾害蔓延。
三是CIM平台构筑未来预知能力，提高城市应对与决策能力。CIM平台可以基于历史数据，通过深度学习等算法，推演城市未来发展态势并可视化呈现，增强对未来发展的判断力。如城市交通发展态势在空间的推演，人群集聚情况在空间的推演，环境污染情况在空间的推演，疫情接触情况在空间的推演等。
当前，业界对快速发展的CIM有两方面误解。一是过度关注多源数据采集和实景映射，认为数字空间一草一木都要有其对应数字孪生体，但CIM更应该关注重点场景和重点事件的孪生；二是过度关注渲染技术，认为虚实融合交互、渲染效果逼真是发展重点。但CIM的可视化展现与实景渲染是必要项，而非核心。其核心其实还在于模型，以及基于CIM模型的仿真推演。
从架构上看，CIM平台主要由模型数据源采集、模型平台构建、数据呈现与模型渲染三大部分构成。
CIM平台的架构组成
• 多源模型数据采集是模型平台构建的基础
从二维到三维，从地理空间信息到时空高精度多源信息，是大势所趋，也是CIM的关键要求。数字孪生城市建设，所需的地上地下、室内室外、虚实一体、开放鲜活的时空数据资源，是最为关键的基础。模型数据采集主要包括地理空间信息、建筑物、道路、地下空间管线、城市地质、地表高程等各类数据。数据类型为GIS、BIM/CAD建筑模型数据、城市街景数据、倾斜摄影数据、激光点云数据等。要建立时空融合的数据管理系统，实现时空信息的有效组织，清洗处理，结构化存储、特征化提取。
• 模型平台是数字孪生城市运行“骨架”（信息载体）
一是基于城市GIS底图，利用影像多视匹配技术、点云构TIN技术、纹理映射技术等三维建模技术，按照地形层、道路层、建筑层、绿化层、水域层等顺序逐层加载数据，形成结构化的城市分层模型。二是针对建筑物、桥梁、停车场、绿地等城市部件进行单体化处理。三是利用语义化技术，形成一个量化并可索引的城市单体信息模型，并同步接入人口、房屋、公安警务、水电燃气、交通运行、公共医疗等诸多关联语义数据，最终形成全域、全时、全程三维可视、附带丰富属性信息的CIM模型。
• 实时数据呈现与模型渲染是模型赋能业务的核心基础
一是物联网感知数据实时在模型平台上快速加载、融合和呈现，实现实时运行监测数据、经济社会事件的可视化，如实时视频图像、空气污染指数、交通流量、行人轨迹等；二是根据不同精度标准呈现应用场景，如根据城市地理信息数据源、模型精度、业务场景需求，可以按百米级或十米级呈现城市管理应用场景；按照米级或厘米级呈现交通、应急等特殊场景的模拟仿真；三是对数据模拟和真实场景效果渲染，比如根据天气动态数据如云层高度、风向、边缘噪波尺寸等，对阴、晴、雨、雪等多种真实天气的模拟；运用动态光追踪距离场阴影技术，实时计算阴影状态，最终模拟还原物理世界的运行情况。
从建设路径上看，CIM平台可以基于智慧城市已建的时空大数据平台扩展，后者为CIM在三维空间和时间交织构成的四维环境中，提供了时空基础服务，通过应用虚拟现实、大数据、城市信息模型等技术，拓展时空大数据平台精细化可视化管控功能。CIM平台也可独立建设，但应要涵盖时空大数据平台的主要能力，如多源数据的融合，数据时空化，数据服务化，实现基于统一时空基础的规划、分析和决策。
当前，CIM平台尚处于发展初期。以CIM为核心的数字孪生城市建设正形成城市级的创新平台，带动巨大的技术和产业资源，成为数字经济的重要方向。随着数字孪生城市的不断深入推进，未来产业主体将更加多元，竞中有合，合大于竞，从参与企业的原有主业看，CIM平台产业可分为以下四类，生态规模效应日渐凸显，共同推进CIM生态壮大发展。
第一类是传统地理信息和测绘企业，地理信息和测绘企业，凭借多年深耕地理信息、时空大数据平台等，具有CIM平台建设的先发优势，典型代表如超图公司等。
第二类是BIM类企业，BIM企业从建筑物逐渐转向城市级、园区领域，扩大信息模型建设范畴，搭建一体化CIM平台。典型代表如广联达软件、鲁班软件等。
第三类是建模、仿真类企业，借助制造业CPS体系、交通仿真等领域积累的优势，快速进军城市信息模型市场。典型代表如达索系统、51World、班联数城等。此外，还有很多领域小微企业或行业专家，针对行业特点，提供行业分析模型，共同助力壮大CIM生态。
第四类是互联网企业、运营商。互联网企业纷纷跨界，阿里巴巴与中规院合作推进雄安新区CIM平台，科大讯飞与中国建筑科学研究院合作BIM+AI。其他大型企业也纷纷加快布局城市信息模型市场，如腾讯、京东数科、华为、中国电信等。
• 厘清CIM、城市大脑、数字孪生城市的关系
推进数字孪生城市建设需要统筹规划，体系化布局，避免追逐新概念、新技术，另起炉灶。
1、从涵盖范畴看，城市大脑是当前智慧城市建设的核心组成。数字孪生城市是面向智慧城市未来发展的新模式、新路径，其新增量主要是“CIM平台”以及CIM对城市业务系统的重构效应。
2、从核心概念看，城市大脑的关键词是决策调度，是基于数据融合，分析挖掘和系统级协作的智能决策分析、指挥调度和赋能支持，它可以不依赖数字孪生技术，独立运作；数字孪生城市的关键词是模型仿真，是基于高精度连续时空数据的仿真模拟、预测反演，降低实体城市的试错成本。
3、从发展阶段上看，城市大脑是智慧城市的近期实践，是建设数字孪生城市的前提。数字孪生城市是中远期实现，要以点带面，逐步推行。
随着技术演进，城市大脑将会逐渐与CIM平台融合发展，共同推动数字孪生城市落地。
CIM、城市大脑与数字孪生城市的关系
• 建立与GIS底图和上层应用松耦合、弹性的CIM平台
当前传统GIS产品非常成熟，具有功能强大的GIS引擎和灵活全面各类GIS组件，GIS产品可为CIM提供丰富、精准的时空立体城市“数字底图”。CIM平台作为未来城市的新型基础设施，要建立松耦合、弹性开放架构。一是兼容底层的不同GIS引擎和底图系统，形成跨平台和网络移植能力，二是为上层数字孪生应用提供标准化、组件化的接口服务，为数字孪生城市各类应用场景和共性基础组件赋能支撑。
• 制定基于异构数据的时空融合标准与统一数据框架
CIM平台的难点之一是对异构数据的融合处理。一是要研究制定多层次通用性空间数据标准，形成兼容不同类型、不同机构信息系统的统一时空数据框架，确保空间定位编码一致，实现多源信息准确集成，和多模态数据融合表达。二是构建涵盖GIS、BIM、倾斜摄影、激光点云、地质体、传感器等多源异构数据的融合处理能力，提供面向模型的信息资源与空间位置服务。三是在数据层要建立城市级海量感知数据的实时接入服务标准，研发数据动态加载与处理技术，实现跨行业、跨领域数据实时接入。
• 加强自主可控产品研发，强化数字孪生城市内生安全
城市越智能则安全越重要，CIM平台从空间角度整合了城市全量数据资源，城市安全风险随系统和数据集成量指数上升，一旦系统平台被攻破或数据泄露，将引发重大城市安全事故。目前来看，我国在传感、CAD、CAE、PLM、VR/AR渲染、仿真建模等领域核心技术依赖国外现象严重，需进一步加强CIM平台中核心引擎、关键组件的自主研发，确保数字孪生城市建设的内生安全，把握发展主动权。
文/中国信通院规划所信息化部主任 陈才
中国信通院规划所数字孪生城市中心主任 张育雄
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