鐘添榮，仇巍巍

（1. 福州閩地勘測規(guī)劃有限公司，福州 350000；2.自然資源部信息中心，北京 100830）

0 引言

CIM是數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)核心[1]，利用其可擴展性可以接入人口、房屋、住戶水電燃氣、安防警務(wù)、交通、旅游資源、公共醫(yī)療等諸多城市公共系統(tǒng)的信息資源，實現(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。

本文從3個方面廣義理解數(shù)字孿生城市的概念。（1）建筑信息模型（BIM）數(shù)據(jù)就是城市單一實體的數(shù)據(jù)，是城市的細胞。（2）GIS作為所有數(shù)據(jù)的載體，對數(shù)據(jù)進行融合。（3）通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）為CIM平臺帶來實時呈現(xiàn)，呈現(xiàn)客觀世界的所有狀態(tài)。

數(shù)字孿生一詞最早誕生于工業(yè)界，但在智慧城市方面的應(yīng)用則來源于2018年通過的《雄安規(guī)劃綱要》，雄安新區(qū)提出“堅持數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)”，明確“數(shù)字孿生城市”概念。以城市復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論為認知基礎(chǔ)，以數(shù)字孿生技術(shù)為實現(xiàn)手段，通過構(gòu)建實體城市與數(shù)字城市相互映射、協(xié)同交互的智慧城市孿生平臺，能夠?qū)⒊鞘邢到y(tǒng)的“隱秩序”顯性化，更好地尊重和順應(yīng)城市發(fā)展的自組織規(guī)律。它不是智慧城市的N·0版本，而是數(shù)字時代城市實踐的全新探索（1·0版），是雄安新區(qū)探索面向未來的城市發(fā)展新模式的重要創(chuàng)新[2]。

近年來，在城市建設(shè)過程中，以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能（AI）等技術(shù)為基礎(chǔ)的城市信息模型（CIM）[3]同步形成與實體城市“孿生”的數(shù)字城市，實現(xiàn)城市從規(guī)劃、建設(shè)到管理的全方位、全要素、全過程的在線化、數(shù)字化和智能化，改變城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施。

1 總體框架

以CIM智慧孿生技術(shù)為智慧城市體系架構(gòu)的核心技術(shù)，建立城市智慧中樞，實現(xiàn)城市全要素的數(shù)字化、虛擬化及時空可視化，打造物理空間和虛擬空間的孿生互動，為智慧城市各領(lǐng)域的應(yīng)用提供交互引擎、業(yè)務(wù)場景和數(shù)據(jù)共享平臺?？傮w框架如圖1所示。

圖1 基于CIM的智慧城市孿生應(yīng)用平臺總體框架

2 平臺功能

2.1 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備感知

通過各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等所需信息，通過各類網(wǎng)絡(luò)接入，結(jié)合CIM數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施感知、軌跡追溯、智能發(fā)現(xiàn)、設(shè)備管理、遠程操控、態(tài)勢感知等應(yīng)用，建立物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別、管理和控制[4]。

2.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施感知

通過傳感器與城市管網(wǎng)、閥門井室、古樹名木、下穿隧道、路燈燈桿等公共基礎(chǔ)設(shè)施融合，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施“被感知”。

2.1.2 軌跡追溯

通過車輛、人員、資源等位置及移動軌跡等歷史數(shù)據(jù)存儲、追溯版本索引建立、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等方法，實現(xiàn)車輛、人員、資源等位置及移動軌跡追溯。

2.1.3 智能發(fā)現(xiàn)

基于AI設(shè)備，實現(xiàn)環(huán)境污染、違法停車、垃圾滿溢、井蓋異動等城市運行狀態(tài)及市容秩序“智能發(fā)現(xiàn)”。

2.1.4 設(shè)備管理

通過感知設(shè)備管理平臺對城市管網(wǎng)、閥門井室、古樹名木、下穿隧道、路燈燈桿等公共基礎(chǔ)設(shè)施的海量設(shè)備和數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。

2.1.5 遠程操控

通過對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行遠程操控，實現(xiàn)數(shù)字城市對物理城市的反向控制；針對具有一定運算和處理能力的設(shè)備，實現(xiàn)智能干預(yù)。

2.1.6 態(tài)勢感知

支持多制式設(shè)備協(xié)同、海量物聯(lián)數(shù)據(jù)匯聚分析，物理規(guī)律和機理分析；支持在海量數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，與云計算、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)融合，推演城市環(huán)境中不同管理要素的變化規(guī)律，實現(xiàn)態(tài)勢感知。

2.2 數(shù)字化展示

通過空天、地面、地下、水下不同層面和不同級別的數(shù)據(jù)采集，結(jié)合新型測繪技術(shù)，對城市進行全要素數(shù)字化和語義化建模，實現(xiàn)由粗到細、從宏觀到微觀、從室外到室內(nèi)等不同粒度、不同精度的城市孿生還原，形成全空間一體化且相互關(guān)聯(lián)的城市CIM數(shù)據(jù)，實現(xiàn)場景圖層展示、實體模型展示等數(shù)字空間與物理空間一一映射應(yīng)用，為數(shù)字孿生城市可視化展現(xiàn)、智能計算分析、仿真模擬和智能決策等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，共同支撐城市智慧應(yīng)用[5]。

2.2.1 場景圖層展示

實現(xiàn)地形層、道路層、建筑層、綠化層、水域?qū)蛹俺鞘兄卫矸矫娴娜丝趯?、產(chǎn)業(yè)層、部件層、公共服務(wù)資源層等多類圖層展示。

2.2.2 實體模型展示

針對城市實體單體建模以及不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶓w對象精細程度的需求，多尺度、分層次在數(shù)字空間呈現(xiàn)實體，涵蓋建筑、交通、植被、水系、城市設(shè)施、管線等全要素地理實體類型。

2.3 三維可視化

通過圖形引擎多層次實時渲染呈現(xiàn)數(shù)字孿生體的能力，實現(xiàn)CIM數(shù)據(jù)的渲染，既可以渲染宏大開闊的城市場景，又可展示地理信息局部特征，實現(xiàn)城市全貌大場景到城市細節(jié)，再到城市實時視頻的多層次渲染，真實展現(xiàn)城市樣貌、自然環(huán)境、城市細節(jié)、城市實時交通等各種場景，實現(xiàn)三維實體、大數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯、應(yīng)用場景等可視化，實現(xiàn)大屏端、桌面端、網(wǎng)頁端、移動端、 XR設(shè)備端多終端一體化展示，滿足不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景需求。

（1）三維實體可視化。根據(jù)物理實體的幾何、顏色、紋理、材質(zhì)等本體屬性以及光照、溫度、濕度的環(huán)境屬性進行可視化。

（2）大數(shù)據(jù)可視化。針對特定數(shù)據(jù)屬性，定向分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)論，提供數(shù)據(jù)的系統(tǒng)表現(xiàn)能力，以數(shù)據(jù)視圖形式動態(tài)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、指標(biāo)等變化情況，也可針對多類型數(shù)據(jù)進行單一化趨勢、變化、狀態(tài)呈現(xiàn)。

（3）業(yè)務(wù)邏輯可視化。針對特定行業(yè)，提供業(yè)務(wù)管理與業(yè)務(wù)流程的可視化渲染，根據(jù)行業(yè)研究經(jīng)驗與行業(yè)業(yè)務(wù)類型進行業(yè)務(wù)流程邏輯拆分。

（4）應(yīng)用場景可視化。根據(jù)業(yè)務(wù)需求、場景范圍等條件，呈現(xiàn)具體場景渲染效果，主要包括超大場景動態(tài)縮放加載渲染、自然現(xiàn)象效果渲染等。

2.4 數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

以城市多源、多類型CIM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以城市時空數(shù)據(jù)為主要索引，構(gòu)建多層次時空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)模型融合框架，形成以政務(wù)數(shù)據(jù)為主干、基礎(chǔ)地理和自然資源數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、社會數(shù)據(jù)為補充的全空間、全要素、全過程、一體化的多時空自然資源大數(shù)據(jù)體系[6]。

2.4.1 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

以管理對象（實體模型對象）為關(guān)聯(lián)標(biāo)識，將城市各種原始、離散的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)疊加在統(tǒng)一的三維空間、一維時間之中，通過對管理對象的各種屬性信息、業(yè)務(wù)狀態(tài)信息進行多維關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與業(yè)務(wù)集成。

2.4.2 數(shù)據(jù)模型融合

以業(yè)務(wù)運行模型為基礎(chǔ)，通過節(jié)點（實體模型對象）及節(jié)點之間邏輯關(guān)系，構(gòu)建物理實體之間關(guān)聯(lián)關(guān)系、指標(biāo)關(guān)系、空間關(guān)系等，從而快速形成數(shù)據(jù)模型及知識圖譜，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及知識圖譜融通相關(guān)數(shù)據(jù)資源，主要包括物理對象屬性、物理對象活動運行、物理對象關(guān)系等數(shù)據(jù)。

2.5 數(shù)據(jù)共享服務(wù)

面對物理實體產(chǎn)生的不同類型、不同形態(tài)、不同來源的海量CIM數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)實時性與質(zhì)量要求前提下，以數(shù)據(jù)共享服務(wù)方式供給行業(yè)機理模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，實現(xiàn)數(shù)字孿生更精確、全面的呈現(xiàn)和表達，實現(xiàn)數(shù)據(jù)目錄、數(shù)據(jù)權(quán)限控制、數(shù)據(jù)接口服務(wù)、服務(wù)管理等功能。

（1）數(shù)據(jù)目錄。與智慧城市類似，數(shù)字孿生城市應(yīng)支持統(tǒng)一的政務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理、自然資源數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)服務(wù)目錄功能。

（2）數(shù)據(jù)權(quán)限控制。基于數(shù)據(jù)服務(wù)目錄形成各類數(shù)據(jù)消費接口的數(shù)據(jù)組裝能力，實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)接口定義、發(fā)布及數(shù)據(jù)接口權(quán)限控制。

（3）數(shù)據(jù)接口服務(wù)。支持實時和歷史數(shù)據(jù)接口服務(wù)，以滿足對數(shù)字孿生城市實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的消費場景需求。

（4）服務(wù)管理。支持界面化的數(shù)據(jù)接口服務(wù)管理、向?qū)Ｊ胶湍_本模式生成API、界面化編輯接口腳本，實現(xiàn)API的創(chuàng)建。

2.6 空間分析應(yīng)用

基于數(shù)字孿生CIM城市三維模型，結(jié)合時空網(wǎng)格技術(shù)、北斗定位服務(wù)等[7]，針對具體業(yè)務(wù)需求，進行空間數(shù)據(jù)相關(guān)計算、分析、查看、展示，實現(xiàn)空間測量、時空分析、空間路徑規(guī)劃、空間統(tǒng)計分析等應(yīng)用功能。

2.6.1 空間測量

提供距離測量、面積測量、體積測量等測量功能，可在三維場景中進行線段長度測量、閉合圖形面積與周長的測量。

2.6.2 時空分析

提供疊加分析、序列分析、預(yù)測分析和可視域分析等時空分析功能。以可視域分析為例，可基于某個觀察點展示一定的水平視角、垂直視角及指定范圍半徑內(nèi)區(qū)域所有通視點的集合，可以幫助了解城市空間內(nèi)任一點的可見區(qū)域情況。

2.6.3 空間路徑規(guī)劃

提供路徑規(guī)劃、全景圖定制及場景標(biāo)注等功能。以空間路徑規(guī)劃為例，可結(jié)合CIM數(shù)據(jù)，根據(jù)真實世界中的路網(wǎng)分布，實現(xiàn)起始點與目的地之間的最短路徑規(guī)劃、繪制、場景標(biāo)注及全景圖展示等。

2.6.4 空間統(tǒng)計分析

提供空間區(qū)域分析、疊加分析、序列分析、預(yù)測分析和可視域分析等時空分析統(tǒng)計功能。以空間區(qū)域分析為例，可以通過制定特定空間區(qū)域，快速定位搜索對象，快速統(tǒng)計空間中的對象數(shù)據(jù)等。

2.7 模擬仿真應(yīng)用

基于CIM通過數(shù)據(jù)建模、事態(tài)擬合，實現(xiàn)空間模擬、流程模擬、綜合模擬等仿真應(yīng)對，對某些特定事件進行評估、計算、推演，為管理方案和設(shè)計方案提供反饋參考。

2.7.1 空間模擬仿真

涉及體積、容積、距離、面積、碰撞、遮擋、強度、剛度等空間矢量參數(shù)的模擬仿真，常用在可視域分析、日照時長計算、深度計算、水體氣體淹沒與擴散、無人車訓(xùn)練、產(chǎn)品設(shè)計等典型場景。

2.7.2 流程模擬仿真

涉及父子級關(guān)系、前后拓撲關(guān)系、串聯(lián)并聯(lián)、節(jié)點分散、流轉(zhuǎn)效率等流程參數(shù)的模擬仿真，常用在應(yīng)急事件流程推算、工廠生產(chǎn)流程搭配、物流倉儲接駁、交通流量管理等場景。

2.7.3 綜合模擬仿真

融合前兩類的要素并疊加復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算，常用在應(yīng)急預(yù)案方案評估、人群疏散推演、產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整效果預(yù)估、港口翻箱優(yōu)化場景、工廠產(chǎn)線單元布置、無人車訓(xùn)練、智能駕駛?cè)藱C交互、大型復(fù)雜綜合交通態(tài)勢仿真推算等。

2.8 虛實融合應(yīng)用

針對具體對象或業(yè)務(wù)，實現(xiàn)視頻虛實融合、VR、AR等數(shù)字空間與物理空間的互操作與雙向互動，既能在數(shù)字空間再現(xiàn)與影響現(xiàn)實世界，也可在現(xiàn)實世界中進入虛擬空間，二者滿足實時、動態(tài)、自動、互動等屬性。涉及數(shù)字孿生場景的自動實時動態(tài)演變、數(shù)字孿生運行態(tài)勢自動實時動態(tài)還原、數(shù)字孿生系統(tǒng)反向干預(yù)物理世界、物理世界多入口觸達數(shù)字孿生系統(tǒng)等多種需求。

（1）視頻虛實融合。通過多路鏡頭重建三維立體空間，在三維數(shù)字孿生模型中實現(xiàn)鏡頭的聚焦、縮放、切換、視野調(diào)整，而非簡單的視頻貼圖。

（2）VR與AR。針對人員無法進入或還沒有物理實現(xiàn)的特殊場景，通過遠程VR控制及AR方式，輔助人員在物理場景下進行決策。

2.9 人工智能應(yīng)用

通過對城市數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí)，利用計算機視覺、機器學(xué)習(xí)、知識圖譜等人工智能技術(shù)，實現(xiàn)城市運行數(shù)據(jù)感知-圖像智能識別-知識圖譜構(gòu)建-數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)-智能決策的循環(huán)，推動智慧城市自我優(yōu)化運行，滿足政府、企業(yè)、市民按需、即時和精準(zhǔn)決策需求[8]。

2.9.1 圖像識別

使用計算機模仿人類視覺系統(tǒng)，讓計算機擁有類似人類提取、處理、理解和分析圖像及圖像序列的能力，相關(guān)技術(shù)包括圖像分類、目標(biāo)跟蹤、語義分割?？稍诔鞘芯C合治理中快速識別異常車輛和人員。

2.9.2 機器學(xué)習(xí)

利用機器學(xué)習(xí)和知識圖譜技術(shù)，通過學(xué)習(xí)歷史事件、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提供優(yōu)化策略形成修正決策，進而自動優(yōu)化預(yù)案并執(zhí)行，有效提高城市運行管理與服務(wù)效能。

2.10 工具集

通過CIM數(shù)據(jù)更新編輯、物聯(lián)感知數(shù)據(jù)處理、孿生應(yīng)用開發(fā)等，實現(xiàn)CIM與物理城市同生共長，簡化數(shù)字孿生城市和現(xiàn)實世界的對接，結(jié)合行業(yè)應(yīng)用場景構(gòu)建功能應(yīng)用擴展眾創(chuàng)能力，實現(xiàn)數(shù)字孿生城市的更大應(yīng)用價值。

2.10.1 更新編輯工具

通過CIM數(shù)據(jù)更新編輯平臺，融合各類實體數(shù)據(jù)，吸引全社會用戶參與實體場景數(shù)據(jù)采集、實體場景建模、城市級模型加載引擎等方面工作，有力支撐CIM與物理城市同生共長，實時同步更新且可編輯。

2.10.2 數(shù)據(jù)處理工具

通過對城市實時運行數(shù)據(jù)等物聯(lián)感知數(shù)據(jù)進行處理，為數(shù)字孿生城市建設(shè)提供重要基礎(chǔ)。通過搭建標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)接入與調(diào)用平臺，提高物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)獲取的便捷性，簡化數(shù)字孿生城市和現(xiàn)實世界的對接。

2.10.3 應(yīng)用開發(fā)工具

針對海量數(shù)字孿生應(yīng)用場景的城市運營管理和行業(yè)功能應(yīng)用開發(fā)需求，提供行業(yè)應(yīng)用擴展開發(fā)工具集，賦能行業(yè)應(yīng)用開發(fā)者。結(jié)合行業(yè)應(yīng)用場景構(gòu)建功能應(yīng)用，實現(xiàn)眾創(chuàng)擴展能力。

3 典型應(yīng)用案例及應(yīng)用場景

3.1 案例概述

基于CIM的智慧城市孿生應(yīng)用平臺具有精準(zhǔn)映射、虛實融合、模擬仿真等核心能力，由此衍生出城市風(fēng)險自動發(fā)現(xiàn)、城市運行規(guī)律主動洞察、人和物軌跡追蹤回溯、事件精準(zhǔn)定位管控、決策分析推演、預(yù)案仿真演練、預(yù)案優(yōu)化和執(zhí)行、要素資源高效配置等多種功能，將對構(gòu)建城市現(xiàn)代化治理體系和治理能力提供強有力的支撐。

3.2 典型場景

3.2.1 物聯(lián)網(wǎng)感知操控

通過傳感器與氣象監(jiān)測、社區(qū)及停車場車輛出入口、公共服務(wù)場所等公共基礎(chǔ)設(shè)施融合，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施“被感知”，如圖2所示。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)感知操控

3.2.2 三維可視化呈現(xiàn)

通過三維圖形引擎，多層次多角度渲染呈現(xiàn)數(shù)字孿生體。實現(xiàn)城市全貌大場景到城市細節(jié)，也可展示同一區(qū)域不同方案不同時段的三維可視化場景。

3.2.3 數(shù)據(jù)融合應(yīng)用

融合城市多源多類型CIM數(shù)據(jù)，建立時空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)多層次時空數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)模型融合應(yīng)用。

3.2.4 空間分析應(yīng)用

針對具體業(yè)務(wù)需求，在三維場景中進行線段長度測量，閉合圖形面積與周長的測量。

3.2.5 模擬仿真應(yīng)用

通過增加時間維度虛擬城市建設(shè)或工地施工進度，隨時直觀快速地對城市建設(shè)進度或工地施工計劃與實施進展進行對比，如圖3所示。

圖3 模擬仿真應(yīng)用

3.2.6 綜合場景應(yīng)用

城市擁有大量的攝像頭，通過攝像頭位置布局設(shè)點，利用“視頻+ CIM +人工智能”技術(shù)，將只能“看”的視頻圖像變成可查詢、采集、分析、搜索、追蹤、預(yù)警等的視頻地圖。

4 結(jié)束語

當(dāng)前，數(shù)字孿生城市涉及的新型測繪、標(biāo)識感知、協(xié)同計算、全要素表達、模擬仿真等多項關(guān)鍵技術(shù)自身發(fā)展和融合應(yīng)用還有待加強。海量數(shù)據(jù)加載、云邊計算協(xié)同、模擬仿真等技術(shù)成熟度不高；利用人工智能、邊緣計算對動態(tài)數(shù)據(jù)快速分析處理能力不足；設(shè)計軟件大部分由國外企業(yè)主導(dǎo)，核心技術(shù)自主水平不足，基礎(chǔ)研究有待加強，通過構(gòu)建軟件開源生態(tài)，帶動基礎(chǔ)軟件創(chuàng)新突破。GPU芯片、操作系統(tǒng)、驅(qū)動中間件較國外存在一定差距，傳感器從技術(shù)到成本都不能滿足全域感知部署需求，需要靠市場進行培育。