BIM、GIS、CIM等技术共同助力数字孪生城市的建设

一、从BIM+GIS到CIM
2018年11月，住房和城乡建设部发布了行业标准《“多规合一”业务协同平台技术标准》的征询意见，激励“有条件的城市，可在BIM应用的基础上建立CIM”。
那么什么叫CIM？首先我们得从BIM讲起。BIM指的是建筑信息模型，简单地说，BIM便是围绕从建筑的设计、施工、运作直到终结的建筑全生命周期，将各类信息一直整合于一个三维模型信息数据库中。
利用BIM这一个高度集成的三维模型，极大地提高了建筑工程的信息化水平，为建筑工程项目涉及到的各方工作人员提供一个工程信息交换和共享的平台。兴起于工程建筑领域的BIM技术如今已得到普遍的认同和应用，它让建筑施工变的更高效、更绿色、更安全，总体成本更低。然而，BIM在提供精准的地理位置、建筑物周边环境总体展现和空间地理信息分析上存在不足，而三维GIS恰好可以对这些不足进行补充，实现建筑物的地理位置定位及周边环境空间分析，健全大场景的展现，促使信息更完善及全面。通过和GIS技术进行融合，BIM的应用范畴从单一化建筑物扩展到建筑群及其道路、隧道、铁路、港口、水电等工程领域。
BIM整合的是城市建筑物的总体信息，而GIS则整合及管理建筑物的外部环境信息，它们的融合建立了一个包含城市海量信息的虚拟城市模型。因此，引出来了CIM的概念。
CIM指的是城市信息模型，是以城市信息数据为基础，建立起三维城市空间模型和城市信息的有机综合体。从狭义上的数据类型上讲，CIM是由大场景的GIS数据+BIM数据组成的，是属于智慧城市建设的基础数据。基于BIM和GIS技术的融合，CIM将数据颗粒度精准到城市建筑物内部的单独模块，将静态的传统式数字城市加强为可感知的、实时动态的、虚实交互的智慧城市，为城市综合管理和精细化治理提供了关键的数据支撑。
CIM从开始提出之初，指的是城市信息模型。在2015年的规划实务论坛会上，同济大学吴志强院士对CIM的概念进行了更进一步的拔高，提出城市智慧模型。吴院士指出，BIM是单体，CIM是群体，BIM是CIM的细胞。要解决智慧城市的问题，只靠BIM这一个单独细胞还不够，需要海量细胞再加上网络连接组成的CIM才可以。
不论“CIM”中的字母I指信息还是智慧，CIM这一个概念的提出，把民众的视野从单一化建筑拔高到建筑群甚至城市一级，给予智慧城市更强有力的支撑。
在CIM的范畴里，GIS可以提供接下来四个层面的能力：提供二维和三维一体化的基础底图和统一坐标系统的能力；提供每个BIM单体之间互相连接的能力，例如道路、地下综合管廊与管线等；提供空间分析和管理的能力；提供规模性建筑群BIM数据的管理能力。
前三个是GIS传统擅长的能力，而且现已得到成熟的发展；最后一个是GIS在CIM领域遭遇的新挑战。在CIM层面上，管理对象是一个地区甚至于一个城市的BIM数据。BIM的数据量是非常庞大的，单独一个建筑物的BIM数据就高达一两百GB，由几百万个三维组件组成。城市级的数据量更加是无法想象。历经这几年的发展，GIS软件不但实现了对接访问BIM相关软件的数据格式，而且实现了管理规模性建筑物的BIM数据的能力。
二、从CIM到数字孪生
数字孪生一词最先产生于工业界，可是其在智慧城市层面的应用则来源于2018年通过的《雄安规划纲要》，纲要指出：“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适当超前布局智能化基础设施，打造出全世界领先的数字城市”、“建立健全大数据资产管理体系，打造出拥有深度学习能力、全世界领先的数字城市”等建设内容。
近些年来在城市建设的过程中，CIM通过BIM、三维GIS、大数据、云计算、物联网(IoT)、智能化等先进数字技术，同步生成与实体城市“孪生”的数字城市，实现城市从规划、建设到管理的全流程、全要素、全方位的数字化、在线化和智能化，更改城市面貌，重塑城市基础设施。
可以从接下来三个层面从广义上去理解CIM的组成：BIM数据，便是城市单个实体的数据，是城市的细胞；GIS做为所有数据的承载，把数据进行整合；与此同时，通过IoT为CIM平台带来实时展现，展现客观世界全部的状态，这就是“数字孪生”城市的概念。
CIM是数字孪生城市的基础核心，同时运用CIM的可扩展性，可以连接人口、房屋、住户水电燃气信息、安防警务数据、交通信息、旅游资源信息、公共医疗等众多城市公共系统的信息资源，实现跨系统应用集成、跨部门信息共享，支撑数字孪生城市的决策分析。

通过数字孪生城市的技术，在虚拟空间塑造城市的一个拷贝，做为现实城市的镜像、映射、仿真与辅助，为智慧城市规划、建设、运行管理提供统一基础支撑。
1、城市规划仿真
基于多源数据和多规合一实现规划管理一张图。整合所有的基础空间数据(城市现状三维实景、地形地貌、地质等)、现状数据(人口、土地、房屋、交通、产业等)、规划成果(总规、控规、专项、城市设计、限建要素等)、地下空间数据(地下空间、管廊等)等城市规划有关信息资源，生成数据完善、结构合理、规范高效的数据统一化服务体系，在数字孪生空间实现合并、叠加，解决其中的规划冲突，统一化空间边界，生成规划管理的“一张蓝图”，以此为基础进行规划评估、多方协同、动态优化与实施监管。在充分保证“一张蓝图”实时性和有效性的前提条件下，通过对各种规划方案及结果进行仿真模拟及可视化展现，实现方案的优化和遴选。
2、城市建设管理
在城市建设规划的设计阶段，运用数字孪生技术，搭建复原设计方案周边环境，一方面能够在可视化的环境中进行交互设计，而另一方面能够充分的考虑到设计方案和现有环境的互相影响和制约，让原先到施工环节才能暴露出来的问题事先暴露在虚拟设计过程中，便于设计人员及时对这些问题进行优化。
在施工环节，运用数字孪生技术中对象具有的时空特点，将施工方案和计划进行仿真模拟，深入分析工程进度和计划的合理性，对施工流程进行全方位管理。
3、城市运维管理
在运维管理环节，运用城市实体中各种物联网传感器和智能终端实时获得的数据，基于CIM模型，对城市基础设施、地下空间、道路交通、生态环境、能源系统等运行情况进行实时监测和可视化综合展现，实现对设备的预测性维护、基于仿真模拟的决策推演及综合防灾的快速响应和应急处理能力，使城市运作更平稳、安全和高效。
现阶段，以CIM技术为基础的数字孪生规建管技术平台已从理念迈向成果落地环节，现阶段在雄安新区、北京新机场临空经济区、北京城市副中心、福州滨海新城、青岛中央商务区、北京未来科学城等进行了实践，形成了较好的创新示范效应和社会价值。
三、数字孪生在城市中的应用与前景
数字孪生城市为城市治理产生新变革。由模型叠加数据搭建的数字孪生城市，在支撑城市治理这方面有几个无可比拟的优势：一是提供全景视野、城市多维度监控和全量数据分析，对城市发展趋势提前演练预测，以数据驱动管理决策，以仿真模拟验证管理决策，线上线下虚实迭代，促进资源和能力的最佳配置，促进科学决策；二是促进精细管理，360度无死角监控监控，陆海空多方位立体感知，城市治理可以运筹帷幄之中而决胜千里之外；三是提供协作方式，突发状况应急反应，全域协调联动，就近调用资源。接下来将数字孪生在智慧城市构建中的一些情景做一些设想：
1、数字孪生优化交通出行。通过将物理世界中繁杂的交通系统，运用云计算、物联网、人工智能、大数据、实景三维、语义化等技术进行模拟，搭建可被机器理解的数字孪生交通环境，结合多源异构的交通实时数据，搭建交通信息知识图谱，对交通时空大数据进行发掘、分析及展示，进而实现对交通的监控预警、应急处理及拥挤治理等功能。
2、数字孪生推动智能驾驶发展。通过数字孪生实现对道路、地形、交通流、交通标志、光线、天气等的高精度仿真模拟。运用高度逼真、情景丰富的仿真模拟平台，基于真实道路数据、智能模型数据和案例情景数据对自动驾驶车辆进行检测和训练，可以提高智能驾驶的决策执行力和安全稳定性，加快无人驾驶更加安全地落地推广和普及。
3、数字孪生让应急演练更仿真。运用数字孪生技术及虚拟现实技术，可以给用户模拟一个真实出现的突发性灾难情景，并能迅速复原事故现场，例如火灾、暴雪、地震、泥石流等事件，让用户宛如亲临其境，更为生动地感受在紧急事件出现时每一个行动所产生的后果。
四、结语
做为新型智慧城市构建的一种新思想、新模式，以CIM为核心技术的数字孪生城市正推动着庞大的产业资源和智力资源参与生成城市级的创新平台。在愈演愈烈的智慧城市构建的浪潮中，占据CIM这块技术高地，不仅仅有益于带动空间信息服务与智慧建造服务的发展，同时也为周边行业及一些基础性和应用型的技术指明了新的发展方向。数字孪生城市的虚实结合、精确映射的特性对技术提出了新的要求，比如说减少地理测绘的周期、提高信息采集刷新的频次、提高数据加载与图形渲染的速率、规范数据采集和结合的标准、增强实时数据的分析发掘能力等。增城城乡院将持续专注于前沿GIS技术，并积极开展CIM及数字孪生城市的探索和学习，推动增城城市建设的智慧化。