一、從BIM+GIS到CIM
2018年11月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《“多規(guī)合一”業(yè)務(wù)協(xié)同平臺(tái)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的征詢意見，激勵(lì)“有條件的城市，可在BIM應(yīng)用的基礎(chǔ)上建立CIM”。
那么什么叫CIM？首先我們得從BIM講起。BIM指的是建筑信息模型，簡(jiǎn)單地說(shuō)，BIM便是圍繞從建筑的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)作直到終結(jié)的建筑全生命周期，將各類信息一直整合于一個(gè)三維模型信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。
利用BIM這一個(gè)高度集成的三維模型，極大地提高了建筑工程的信息化水平，為建筑工程項(xiàng)目涉及到的各方工作人員提供一個(gè)工程信息交換和共享的平臺(tái)。興起于工程建筑領(lǐng)域的BIM技術(shù)如今已得到普遍的認(rèn)同和應(yīng)用，它讓建筑施工變的更高效、更綠色、更安全，總體成本更低。然而，BIM在提供精準(zhǔn)的地理位置、建筑物周邊環(huán)境總體展現(xiàn)和空間地理信息分析上存在不足，而三維GIS恰好可以對(duì)這些不足進(jìn)行補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)建筑物的地理位置定位及周邊環(huán)境空間分析，健全大場(chǎng)景的展現(xiàn)，促使信息更完善及全面。通過和GIS技術(shù)進(jìn)行融合，BIM的應(yīng)用范疇從單一化建筑物擴(kuò)展到建筑群及其道路、隧道、鐵路、港口、水電等工程領(lǐng)域。
BIM整合的是城市建筑物的總體信息，而GIS則整合及管理建筑物的外部環(huán)境信息，它們的融合建立了一個(gè)包含城市海量信息的虛擬城市模型。因此，引出來(lái)了CIM的概念。
CIM指的是城市信息模型，是以城市信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機(jī)綜合體。從狹義上的數(shù)據(jù)類型上講，CIM是由大場(chǎng)景的GIS數(shù)據(jù)+BIM數(shù)據(jù)組成的，是屬于智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基于BIM和GIS技術(shù)的融合，CIM將數(shù)據(jù)顆粒度精準(zhǔn)到城市建筑物內(nèi)部的單獨(dú)模塊，將靜態(tài)的傳統(tǒng)式數(shù)字城市加強(qiáng)為可感知的、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的、虛實(shí)交互的智慧城市，為城市綜合管理和精細(xì)化治理提供了關(guān)鍵的數(shù)據(jù)支撐。
CIM從開始提出之初，指的是城市信息模型。在2015年的規(guī)劃實(shí)務(wù)論壇會(huì)上，同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士對(duì)CIM的概念進(jìn)行了更進(jìn)一步的拔高，提出城市智慧模型。吳院士指出，BIM是單體，CIM是群體，BIM是CIM的細(xì)胞。要解決智慧城市的問題，只靠BIM這一個(gè)單獨(dú)細(xì)胞還不夠，需要海量細(xì)胞再加上網(wǎng)絡(luò)連接組成的CIM才可以。
不論“CIM”中的字母I指信息還是智慧，CIM這一個(gè)概念的提出，把民眾的視野從單一化建筑拔高到建筑群甚至城市一級(jí)，給予智慧城市更強(qiáng)有力的支撐。
在CIM的范疇里，GIS可以提供接下來(lái)四個(gè)層面的能力：提供二維和三維一體化的基礎(chǔ)底圖和統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)的能力；提供每個(gè)BIM單體之間互相連接的能力，例如道路、地下綜合管廊與管線等；提供空間分析和管理的能力；提供規(guī)模性建筑群BIM數(shù)據(jù)的管理能力。
前三個(gè)是GIS傳統(tǒng)擅長(zhǎng)的能力，而且現(xiàn)已得到成熟的發(fā)展；最后一個(gè)是GIS在CIM領(lǐng)域遭遇的新挑戰(zhàn)。在CIM層面上，管理對(duì)象是一個(gè)地區(qū)甚至于一個(gè)城市的BIM數(shù)據(jù)。BIM的數(shù)據(jù)量是非常龐大的，單獨(dú)一個(gè)建筑物的BIM數(shù)據(jù)就高達(dá)一兩百GB，由幾百萬(wàn)個(gè)三維組件組成。城市級(jí)的數(shù)據(jù)量更加是無(wú)法想象。歷經(jīng)這幾年的發(fā)展，GIS軟件不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)接訪問BIM相關(guān)軟件的數(shù)據(jù)格式，而且實(shí)現(xiàn)了管理規(guī)模性建筑物的BIM數(shù)據(jù)的能力。
二、從CIM到數(shù)字孿生
數(shù)字孿生一詞最先產(chǎn)生于工業(yè)界，可是其在智慧城市層面的應(yīng)用則來(lái)源于2018年通過的《雄安規(guī)劃綱要》，綱要指出：“堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)，適當(dāng)超前布局智能化基礎(chǔ)設(shè)施，打造出全世界領(lǐng)先的數(shù)字城市”、“建立健全大數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系，打造出擁有深度學(xué)習(xí)能力、全世界領(lǐng)先的數(shù)字城市”等建設(shè)內(nèi)容。
近些年來(lái)在城市建設(shè)的過程中，CIM通過BIM、三維GIS、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、智能化等先進(jìn)數(shù)字技術(shù)，同步生成與實(shí)體城市“孿生”的數(shù)字城市，實(shí)現(xiàn)城市從規(guī)劃、建設(shè)到管理的全流程、全要素、全方位的數(shù)字化、在線化和智能化，更改城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施。
可以從接下來(lái)三個(gè)層面從廣義上去理解CIM的組成：BIM數(shù)據(jù)，便是城市單個(gè)實(shí)體的數(shù)據(jù)，是城市的細(xì)胞；GIS做為所有數(shù)據(jù)的承載，把數(shù)據(jù)進(jìn)行整合；與此同時(shí)，通過IoT為CIM平臺(tái)帶來(lái)實(shí)時(shí)展現(xiàn)，展現(xiàn)客觀世界全部的狀態(tài)，這就是“數(shù)字孿生”城市的概念。
CIM是數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)核心，同時(shí)運(yùn)用CIM的可擴(kuò)展性，可以連接人口、房屋、住戶水電燃?xì)庑畔?、安防警?wù)數(shù)據(jù)、交通信息、旅游資源信息、公共醫(yī)療等眾多城市公共系統(tǒng)的信息資源，實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)應(yīng)用集成、跨部門信息共享，支撐數(shù)字孿生城市的決策分析。
通過數(shù)字孿生城市的技術(shù)，在虛擬空間塑造城市的一個(gè)拷貝，做為現(xiàn)實(shí)城市的鏡像、映射、仿真與輔助，為智慧城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理提供統(tǒng)一基礎(chǔ)支撐。
1、城市規(guī)劃仿真
基于多源數(shù)據(jù)和多規(guī)合一實(shí)現(xiàn)規(guī)劃管理一張圖。整合所有的基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)(城市現(xiàn)狀三維實(shí)景、地形地貌、地質(zhì)等)、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)(人口、土地、房屋、交通、產(chǎn)業(yè)等)、規(guī)劃成果(總規(guī)、控規(guī)、專項(xiàng)、城市設(shè)計(jì)、限建要素等)、地下空間數(shù)據(jù)(地下空間、管廊等)等城市規(guī)劃有關(guān)信息資源，生成數(shù)據(jù)完善、結(jié)構(gòu)合理、規(guī)范高效的數(shù)據(jù)統(tǒng)一化服務(wù)體系，在數(shù)字孿生空間實(shí)現(xiàn)合并、疊加，解決其中的規(guī)劃沖突，統(tǒng)一化空間邊界，生成規(guī)劃管理的“一張藍(lán)圖”，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行規(guī)劃評(píng)估、多方協(xié)同、動(dòng)態(tài)優(yōu)化與實(shí)施監(jiān)管。在充分保證“一張藍(lán)圖”實(shí)時(shí)性和有效性的前提條件下，通過對(duì)各種規(guī)劃方案及結(jié)果進(jìn)行仿真模擬及可視化展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方案的優(yōu)化和遴選。
2、城市建設(shè)管理
在城市建設(shè)規(guī)劃的設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，搭建復(fù)原設(shè)計(jì)方案周邊環(huán)境，一方面能夠在可視化的環(huán)境中進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，而另一方面能夠充分的考慮到設(shè)計(jì)方案和現(xiàn)有環(huán)境的互相影響和制約，讓原先到施工環(huán)節(jié)才能暴露出來(lái)的問題事先暴露在虛擬設(shè)計(jì)過程中，便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)對(duì)這些問題進(jìn)行優(yōu)化。
在施工環(huán)節(jié)，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)中對(duì)象具有的時(shí)空特點(diǎn)，將施工方案和計(jì)劃進(jìn)行仿真模擬，深入分析工程進(jìn)度和計(jì)劃的合理性，對(duì)施工流程進(jìn)行全方位管理。
3、城市運(yùn)維管理
在運(yùn)維管理環(huán)節(jié)，運(yùn)用城市實(shí)體中各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器和智能終端實(shí)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)，基于CIM模型，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施、地下空間、道路交通、生態(tài)環(huán)境、能源系統(tǒng)等運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化綜合展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)、基于仿真模擬的決策推演及綜合防災(zāi)的快速響應(yīng)和應(yīng)急處理能力，使城市運(yùn)作更平穩(wěn)、安全和高效。
現(xiàn)階段，以CIM技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生規(guī)建管技術(shù)平臺(tái)已從理念邁向成果落地環(huán)節(jié)，現(xiàn)階段在雄安新區(qū)、北京新機(jī)場(chǎng)臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)、北京城市副中心、福州濱海新城、青島中央商務(wù)區(qū)、北京未來(lái)科學(xué)城等進(jìn)行了實(shí)踐，形成了較好的創(chuàng)新示范效應(yīng)和社會(huì)價(jià)值。
三、數(shù)字孿生在城市中的應(yīng)用與前景
數(shù)字孿生城市為城市治理產(chǎn)生新變革。由模型疊加數(shù)據(jù)搭建的數(shù)字孿生城市，在支撐城市治理這方面有幾個(gè)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：一是提供全景視野、城市多維度監(jiān)控和全量數(shù)據(jù)分析，對(duì)城市發(fā)展趨勢(shì)提前演練預(yù)測(cè)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理決策，以仿真模擬驗(yàn)證管理決策，線上線下虛實(shí)迭代，促進(jìn)資源和能力的最佳配置，促進(jìn)科學(xué)決策；二是促進(jìn)精細(xì)管理，360度無(wú)死角監(jiān)控監(jiān)控，陸?？斩喾轿涣Ⅲw感知，城市治理可以運(yùn)籌帷幄之中而決勝千里之外；三是提供協(xié)作方式，突發(fā)狀況應(yīng)急反應(yīng)，全域協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)，就近調(diào)用資源。接下來(lái)將數(shù)字孿生在智慧城市構(gòu)建中的一些情景做一些設(shè)想：
1、數(shù)字孿生優(yōu)化交通出行。通過將物理世界中繁雜的交通系統(tǒng)，運(yùn)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、實(shí)景三維、語(yǔ)義化等技術(shù)進(jìn)行模擬，搭建可被機(jī)器理解的數(shù)字孿生交通環(huán)境，結(jié)合多源異構(gòu)的交通實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，搭建交通信息知識(shí)圖譜，對(duì)交通時(shí)空大數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)掘、分析及展示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的監(jiān)控預(yù)警、應(yīng)急處理及擁擠治理等功能。
2、數(shù)字孿生推動(dòng)智能駕駛發(fā)展。通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)對(duì)道路、地形、交通流、交通標(biāo)志、光線、天氣等的高精度仿真模擬。運(yùn)用高度逼真、情景豐富的仿真模擬平臺(tái)，基于真實(shí)道路數(shù)據(jù)、智能模型數(shù)據(jù)和案例情景數(shù)據(jù)對(duì)自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行檢測(cè)和訓(xùn)練，可以提高智能駕駛的決策執(zhí)行力和安全穩(wěn)定性，加快無(wú)人駕駛更加安全地落地推廣和普及。
3、數(shù)字孿生讓應(yīng)急演練更仿真。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以給用戶模擬一個(gè)真實(shí)出現(xiàn)的突發(fā)性災(zāi)難情景，并能迅速?gòu)?fù)原事故現(xiàn)場(chǎng)，例如火災(zāi)、暴雪、地震、泥石流等事件，讓用戶宛如親臨其境，更為生動(dòng)地感受在緊急事件出現(xiàn)時(shí)每一個(gè)行動(dòng)所產(chǎn)生的后果。
四、結(jié)語(yǔ)
做為新型智慧城市構(gòu)建的一種新思想、新模式，以CIM為核心技術(shù)的數(shù)字孿生城市正推動(dòng)著龐大的產(chǎn)業(yè)資源和智力資源參與生成城市級(jí)的創(chuàng)新平臺(tái)。在愈演愈烈的智慧城市構(gòu)建的浪潮中，占據(jù)CIM這塊技術(shù)高地，不僅僅有益于帶動(dòng)空間信息服務(wù)與智慧建造服務(wù)的發(fā)展，同時(shí)也為周邊行業(yè)及一些基礎(chǔ)性和應(yīng)用型的技術(shù)指明了新的發(fā)展方向。數(shù)字孿生城市的虛實(shí)結(jié)合、精確映射的特性對(duì)技術(shù)提出了新的要求，比如說(shuō)減少地理測(cè)繪的周期、提高信息采集刷新的頻次、提高數(shù)據(jù)加載與圖形渲染的速率、規(guī)范數(shù)據(jù)采集和結(jié)合的標(biāo)準(zhǔn)、增強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析發(fā)掘能力等。增城城鄉(xiāng)院將持續(xù)專注于前沿GIS技術(shù)，并積極開展CIM及數(shù)字孿生城市的探索和學(xué)習(xí)，推動(dòng)增城城市建設(shè)的智慧化。