【導語(yǔ)】以CIM為核心的數字孿生城市建設正形成城市級的創(chuàng )新平臺，帶動(dòng)巨大的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)資源，成為數字經(jīng)濟的重要方向。

當前，以物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術(shù)為代表的數字浪潮席卷全球。與此同時(shí)，數據融合、三維建模、模擬仿真、深度學(xué)習等技術(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，使得數字空間構建與物理城市一一映射的數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(jiǎn)稱(chēng)CIM）。

CIM的演進(jìn)與意義

l CIM的內涵與演進(jìn)

CIM平臺是實(shí)現精準映射城市運行細節、挖掘洞悉城市發(fā)展規律、推演仿真城市未來(lái)趨勢的綜合信息載體與核心平臺，也是連接物理城市與數字城市的關(guān)鍵“橋梁”。CIM的概念由BIM（建筑信息模型）衍生而來(lái)，將BIM的作用對象從建筑物擴大到了城市范疇。例如，同濟大學(xué)吳志強院士提出BIM是單體，CIM是群體，BIM是CIM的細胞。

簡(jiǎn)單來(lái)看，CIM平臺等于CIM模型加上各類(lèi)異構多源數據。前者是指具有城市級語(yǔ)義信息的三維模型和語(yǔ)義建模的數據集成體，是數字孿生城市的核心信息載體。后者涵蓋城市建筑構件的結構化信息BIM數據、城市二三維一體化的地理信息GIS數據，以及動(dòng)態(tài)變化的感知信息IoT數據。

通過(guò)在CIM平臺上加載各類(lèi)城市業(yè)務(wù)數據資源，集成對接智慧城市軟件系統，針對典型場(chǎng)景，開(kāi)展系統化模擬仿真，迭代試錯操作，最終形成數字孿生城市雛形。

圖1  CIM平臺是數字孿生城市的重要載體與核心平臺

l CIM平臺現實(shí)意義

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

一是CIM平臺構筑城市“全周期管理”能力，提高城市韌性。習近平總書(shū)記提出，超大型城市要實(shí)現“全周期管理”，城市的風(fēng)險管理、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，CIM平臺可實(shí)現在數字空間中的模擬評估，試錯調試，有效地在早期發(fā)現問(wèn)題，提前干預，智能控制，預測預警現實(shí)問(wèn)題，避免在物理空間中的犯錯，降低城市運行成本。在事中控制環(huán)節，CIM有助于提早發(fā)現問(wèn)題苗頭，自動(dòng)報警，及時(shí)處理。在事后反思環(huán)節，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(lái)方案。

二是CIM平臺構筑空間計算能力，提高城市精準化精細化治理水平。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平臺具有精確的位置信息以及空間細節，可以快速計算相對位置。如城市規劃可以根據空間約束條件，在CIM平臺上快速實(shí)現積木式規劃，實(shí)現“一張圖”規劃；城市地下管網(wǎng)故障報警時(shí)，CIM平臺可快速定位，快速處置，降低災害蔓延。

三是CIM平臺構筑未來(lái)預知能力，提高城市應對與決策能力。CIM平臺可以基于歷史數據，通過(guò)深度學(xué)習等算法，推演城市未來(lái)發(fā)展態(tài)勢并可視化呈現，增強對未來(lái)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平臺的架構組成

當前，業(yè)界對快速發(fā)展的CIM有兩方面誤解。一是過(guò)度關(guān)注多源數據采集和實(shí)景映射，認為數字空間一草一木都要有其對應數字孿生體，但CIM更應該關(guān)注重點(diǎn)場(chǎng)景和重點(diǎn)事件的孿生；二是過(guò)度關(guān)注渲染技術(shù)，認為虛實(shí)融合交互、渲染效果逼真是發(fā)展重點(diǎn)。但CIM的可視化展現與實(shí)景渲染是必要項，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。

從架構上看，CIM平臺主要由模型數據源采集、模型平臺構建、數據呈現與模型渲染三大部分構成。

圖2  CIM平臺的架構組成

l 多源模型數據采集是模型平臺構建的基礎

從二維到三維，從地理空間信息到時(shí)空高精度多源信息，是大勢所趨，也是CIM的關(guān)鍵要求。數字孿生城市建設，所需的地上地下、室內室外、虛實(shí)一體、開(kāi)放鮮活的時(shí)空數據資源，是最為關(guān)鍵的基礎。模型數據采集主要包括地理空間信息、建筑物、道路、地下空間管線(xiàn)、城市地質(zhì)、地表高程等各類(lèi)數據。數據類(lèi)型為GIS、BIM/CAD建筑模型數據、城市街景數據、傾斜攝影數據、激光點(diǎn)云數據等。要建立時(shí)空融合的數據管理系統，實(shí)現時(shí)空信息的有效組織，清洗處理，結構化存儲、特征化提取。

l 模型平臺是數字孿生城市運行“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、水域層等順序逐層加載數據，形成結構化的城市分層模型。二是針對建筑物、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)、水電燃氣、交通運行、公共醫療等諸多關(guān)聯(lián)語(yǔ)義數據，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)數據呈現與模型渲染是模型賦能業(yè)務(wù)的核心基礎

一是物聯(lián)網(wǎng)感知數據實(shí)時(shí)在模型平臺上快速加載、融合和呈現，實(shí)現實(shí)時(shí)運行監測數據、經(jīng)濟社會(huì )事件的可視化，如實(shí)時(shí)視頻圖像、空氣污染指數、交通流量、行人軌跡等；二是根據不同精度標準呈現應用場(chǎng)景，如根據城市地理信息數據源、模型精度、業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，可以按百米級或十米級呈現城市管理應用場(chǎng)景；按照米級或厘米級呈現交通、應急等特殊場(chǎng)景的模擬仿真；三是對數據模擬和真實(shí)場(chǎng)景效果渲染，比如根據天氣動(dòng)態(tài)數據如云層高度、風(fēng)向、邊緣噪波尺寸等，對陰、晴、雨、雪等多種真實(shí)天氣的模擬；運用動(dòng)態(tài)光追蹤距離場(chǎng)陰影技術(shù)，實(shí)時(shí)計算陰影狀態(tài)，最終模擬還原物理世界的運行情況。

從建設路徑上看，CIM平臺可以基于智慧城市已建的時(shí)空大數據平臺擴展，后者為CIM在三維空間和時(shí)間交織構成的四維環(huán)境中，提供了時(shí)空基礎服務(wù)，通過(guò)應用虛擬現實(shí)、大數據、城市信息模型等技術(shù)，拓展時(shí)空大數據平臺精細化可視化管控功能。CIM平臺也可獨立建設，但應要涵蓋時(shí)空大數據平臺的主要能力，如多源數據的融合，數據時(shí)空化，數據服務(wù)化，實(shí)現基于統一時(shí)空基礎的規劃、分析和決策。

CIM平臺的產(chǎn)業(yè)生態(tài)

當前，CIM平臺尚處于發(fā)展初期。以CIM為核心的數字孿生城市建設正形成城市級的創(chuàng )新平臺，帶動(dòng)巨大的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)資源，成為數字經(jīng)濟的重要方向。隨著(zhù)數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(lèi)，生態(tài)規模效應日漸凸顯，共同推進(jìn)CIM生態(tài)壯大發(fā)展。

第一類(lèi)是傳統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(shí)空大數據平臺等，具有CIM平臺建設的先發(fā)優(yōu)勢，典型代表如超圖公司等。

第二類(lèi)是BIM類(lèi)企業(yè)，BIM企業(yè)從建筑物逐漸轉向城市級、園區領(lǐng)域，擴大信息模型建設范疇，搭建一體化CIM平臺。典型代表如廣聯(lián)達軟件、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)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(chǎng)。典型代表如達索系統、51World、班聯(lián)數城等。此外，還有很多領(lǐng)域小微或行業(yè)專(zhuān)家，針對行業(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(lèi)是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)、運營(yíng)商?；ヂ?lián)網(wǎng)企業(yè)紛紛跨界，阿里巴巴與中規院合作推進(jìn)雄安新區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(chǎng)，如騰訊、京東數科、華為、中國電信等。

構建CIM平臺的建議

l 厘清CIM、城市大腦、數字孿生城市的關(guān)系

推進(jìn)數字孿生城市建設需要統籌規劃，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，城市大腦是當前智慧城市建設的核心組成。數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”以及CIM對城市業(yè)務(wù)系統的重構效應。

2、從核心概念看，城市大腦的關(guān)鍵詞是決策調度，是基于數據融合，分析挖掘和系統級協(xié)作的智能決策分析、指揮調度和賦能支持，它可以不依賴(lài)數字孿生技術(shù)，獨立運作；數字孿生城市的關(guān)鍵詞是模型仿真，是基于高精度連續時(shí)空數據的仿真模擬、預測反演，降低實(shí)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(shí)踐，是建設數字孿生城市的前提。數字孿生城市是中遠期實(shí)現，要以點(diǎn)帶面，逐步推行。隨著(zhù)技術(shù)演進(jìn)，城市大腦將會(huì )逐漸與CIM平臺融合發(fā)展，共同推動(dòng)數字孿生城市落地。

圖3  CIM、城市大腦與數字孿生城市的關(guān)系

l 建立與GIS底圖和上層應用松耦合、彈性的CIM平臺

當前傳統GIS產(chǎn)品非常成熟，具有功能強大的GIS引擎和靈活全面各類(lèi)GIS組件，GIS產(chǎn)品可為CIM提供豐富、精準的時(shí)空立體城市“數字底圖”。CIM平臺作為未來(lái)城市的新型基礎設施，要建立松耦合、彈性開(kāi)放架構。一是兼容底層的不同GIS引擎和底圖系統，形成跨平臺和網(wǎng)絡(luò )移植能力，二是為上層數字孿生應用提供標準化、組件化的接口服務(wù)，為數字孿生城市各類(lèi)應用場(chǎng)景和共性基礎組件賦能支撐。

l 制定基于異構數據的時(shí)空融合標準與統一數據框架

CIM平臺的難點(diǎn)之一是對異構數據的融合處理。一是要研究制定多層次通用性空間數據標準，形成兼容不同類(lèi)型、不同機構信息系統的統一時(shí)空數據框架，確?？臻g定位編碼一致，實(shí)現多源信息準確集成和多模態(tài)數據融合表達。二是構建涵蓋GIS、BIM、傾斜攝影、激光點(diǎn)云、地質(zhì)體、傳感器等多源異構數據的融合處理能力，提供面向模型的信息資源與空間位置服務(wù)。三是在數據層要建立城市級海量感知數據的實(shí)時(shí)接入服務(wù)標準，研發(fā)數據動(dòng)態(tài)加載與處理技術(shù)，實(shí)現跨行業(yè)、跨領(lǐng)域數據實(shí)時(shí)接入。

l 加強自主可控產(chǎn)品研發(fā)，強化數字孿生城市內生安全

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據資源，城市安全風(fēng)險隨系統和數據集成量指數上升，一旦系統平臺被攻破或數據泄露，將引發(fā)重大城市安全事故。目前來(lái)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(lài)國外現象嚴重，需進(jìn)一步加強CIM平臺中核心引擎、關(guān)鍵組件的自主研發(fā)，確保數字孿生城市建設的內生安全，把握發(fā)展主動(dòng)權。