业界视点-加快构建CIM平台,推动数字孪生城市落地

发布时间:2020 年 06 月 03 日  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
导读: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。

  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的演进与意义

  •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。

  CIM平台的架构组成

  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。

  •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。

  

图1 CIM平台是数字孪生城市的重要载体与核心平台

  •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。

  CIM平台的产业生态

  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。

 

 图2 CIM平台的架构组成

  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。

  构建CIM平台的建议

  •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。

  

图3 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。

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