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近年来，在智慧城市领域，“数字孪生”已成为网红词汇，那么数字孪生与传统的数字城市技术BIM、GIS又有何关联呢？本期介绍数字孪生的关键技术CIM的相关概念与发展状况，并论述基于“数字孪生”的城市建设与管理新范...
从BIM+GIS到CIM
2018年11月，住房和城乡建设部发布行业标准《“多规合一”业务协同平台技术标准》的征求意见，鼓励“有条件的城市，可在BIM应用的基础上建立CIM”。
那么什么是CIM？首先我们得从BIM说起。BIM是指建筑信息模型（Building Information Modeling），简单地说，BIM就是贯穿从建筑的设计、施工、运行直至终结的建筑全寿命周期，将各种信息始终整合于一个三维模型信息数据库中。
借助BIM这个高度集成的三维模型，极大地提高了建筑工程的信息化程度，为建筑工程项目涉及的各方人员提供一个工程信息交换和共享的平台。诞生于工程建筑领域的BIM技术当前已经获得广泛的认可和应用，它让建筑施工变得更高效、更绿色、更安全，整体成本更低。然而CONTROL ENGINEERING China版权所有，BIM在提供精确的地理位置、建筑物周边环境整体展示和空间地理信息分析上存在不足，而三维GIS（地理信息模型）正好可以对这些不足进行补充，完成建筑物的地理位置定位及周边环境空间分析，完善大场景的展示，使得信息更完整及全面。通过和GIS技术进行融合，BIM的应用范围从单一建筑物拓展到建筑群以及道路、隧道、铁路、港口、水电等工程领域。
BIM整合的是城市建筑物的整体信息，而GIS则整合及管理建筑物的外部环境信息，它们的融合创建了一个包含城市大量信息的虚拟城市模型。因而，引出了CIM的概念。
CIM是指城市信息模型（City Information Modeling)，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数据构成的，属于智慧城市建设的基础数据。基于BIM和GIS技术的融合，CIM将数据颗粒度精确到城市建筑物内部的单个模块，将静态的传统数字城市增强为可感知的、实时动态的、虚实交互的智慧城市，为城市综合管理和精细治理提供了重要的数据支撑。
CIM从开始提出之初，指的是城市信息模型（City Information Modeling）。在2015年的规划实务论坛上，同济大学吴志强院士对CIM的定义进行了进一步的拔高，提出城市智慧模型（City Intelligent Model）。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，仅靠BIM这个单个细胞还不够，需要大量细胞再加上网络连接构成的CIM才可以。
无论“CIM”中的字母I指信息还是智慧，CIM这个概念的提出，把公众的视野从单一建筑拔高到建筑群甚至城市一级，给予智慧城市更有力的支撑。
在CIM的范畴里，GIS可以提供以下四个方面的能力：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；提供各个BIM单体之间相互连接的能力，比如道路、地下管廊与管线等;提供空间分析和管理的能力；提供大规模建筑群BIM数据的管理能力。
前三个都是GIS传统擅长的能力，并且已经得到成熟的发展；第四个是GIS在CIM领域面临的新挑战。在CIM层面，管理对象是一个区域甚至一个城市的BIM数据。BIM的数据量是十分巨大的，单个建筑物的BIM数据就高达一两百GB，由几百万个三维部件组成。城市级的数据量更加是不可想象。经过这几年的发展，GIS软件不仅实现了对接访问BIM相关软件的数据格式，而且实现了管理大规模建筑物的BIM数据的能力。
从CIM到数字孪生
数字孪生一词最早诞生于工业界控制工程网版权所有，但是其在智慧城市方面的应用则来源于2018年通过的《雄安规划纲要》，纲要提出：“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，打造全球领先的数字城市”、“建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市”等建设内容。中国信息通信研究院院长刘多在接受采访时说：“雄安新区是数字城市与现实城市同步规划、同步建设的城市，两座城市将开展互动，打造数字孪生城市和智能城市。”
近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，同步形成与实体城市“孪生”的数字城市，实现城市从规划、建设到管理的全过程、全要素、全方位的数字化、在线化和智能化，改变城市面貌，重塑城市基础设施。
可以从下面三个方面从广义上去理解CIM的构成：BIM数据，就是城市单一实体的数据，是城市的细胞；GIS作为所有数据的承载，把数据进行融合；此外，通过IoT为CIM平台带来实时呈现，呈现客观世界所有的状态，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，同时利用CIM的可扩展性CONTROL ENGINEERING China版权所有，可以接入人口、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、公共医疗等诸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，在虚拟空间再造城市的一个拷贝，作为现实城市的镜像、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控一张图。整合所有基础空间数据（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）等城市规划相关信息资源，形成数据完备、结构合理、规范高效的数据统一服务体系，在数字孪生空间实现合并、叠加，解决其中的规划冲突，统一空间边界，形成规划管控的“一张蓝图”，以此为基础进行规划评估、多方协同、动态优化与实施监督。在充分保证“一张蓝图”实时性和有效性的前提下，通过对各种规划方案及结果进行模拟仿真及可视化展示CONTROL ENGINEERING China版权所有，实现方案的优化和遴选。
2、城市建设管理
在城市建设项目的设计阶段，利用数字孪生技术，构建还原设计方案周边环境，一方面可以在可视化的环境中进行交互设计，另一方面可以充分考虑设计方案和已有环境的相互影响和制约，让原来到施工阶段才能暴露出来的缺陷提前暴露在虚拟设计过程中，方便设计人员及时针对这些缺陷进行优化。
在施工阶段，利用数字孪生技术中对象具有的时空特性，将施工方案和计划进行模拟，分析施工进度和计划的合理性，对施工过程进行全面管控。
3、城市运维管理
在运维管理阶段，利用城市实体中各种物联网传感器和智能终端实时获取的数据，基于CIM模型，对城市基础设施、地下空间、道路交通、生态环境、能源系统等运行状况进行实时监测和可视化综合呈现，实现对设备的预测性维护、基于模拟仿真的决策推演以及综合防灾的快速响应和应急处理能力，使城市运行更稳定、安全和高效。
目前，以CIM技术为基础的数字孪生规建管技术平台已从概念走向成果落地阶段，目前在雄安新区、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，形成了很好的创新示范效应和社会价值。
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带来新变革。由模型叠加数据构建的数字孪生城市，在支撑城市治理方面有几个得天独厚的优势：一是提供全景视角、城市多维度观测和全量数据分析，对城市发展态势提前推演预判，以数据驱动决策，以仿真验证决策，线上线下虚实迭代，促使资源和能力的最优配置，促进科学决策；二是增进精细管理控制工程网版权所有，360度无死角监控检测，陆海空全方位立体感知，城市治理能够运筹帷幄之中而决胜千里之外；三是提供协同手段，突发事件应急反应，全域协调联动，就近调度资源。下面将数字孪生在智慧城市建设中的一些场景做一些构想：
1、数字孪生优化交通出行。通过将物理世界中复杂的交通系统，使用云计算、物联网、人工智能、大数据、实景三维、语义化等技术进行复制，构建可被机器理解的数字孪生交通环境，融合多源异构的交通实时数据，构建交通信息知识图谱，对交通时空大数据进行挖掘、分析及展示，从而实现对交通的监测预警、应急处理以及拥堵治理等功能。
2、数字孪生助力智能驾驶发展。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。利用高度逼真、场景丰富的仿真平台，基于真实道路数据、智能模型数据和案例场景数据对自动驾驶车辆进行测试和训练，能够提升智能驾驶的决策执行力和安全稳定性，加速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。利用数字孪生技术以及虚拟现实技术，可以给用户模拟一个真实发生的突发灾难场景，并能快速还原事故现场，例如火灾、暴雪、地震、泥石流等事件，让用户犹如身临其境，更加生动地体验在紧急事件发生时每个行动所带来的后果。
结语
作为新型智慧城市建设的一种新理念、新模式，以CIM为核心技术的数字孪生城市正带动着巨大的产业资源和智力资源参与形成城市级的创新平台。在愈演愈烈的智慧城市建设浪潮中，抢占CIM这块技术高地，不仅有助于拉动空间信息服务与智慧建造服务的发展，同时也为周边行业以及一些基础性和应用型的技术指出了新的发展方向。数字孪生城市的虚实融合、精准映射的特征对技术提出了新的要求，比如缩短地理测绘的周期、提高信息采集更新的频次、提升数据加载与图形渲染的速率、规范数据采集和融合的标准、增强实时数据的分析挖掘能力等。增城城乡院将继续专注前沿GIS技术，并积极开展CIM及数字孪生城市的探索和学习，推进增城城市建设的智慧化。
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