基于CIM的新城新區數字孿生城市建設研究

汪艷霞

(福州市勘測院有限公司,福建 福州 350000)

0 引 言

中國新城新區是為了政治、經濟、社會、生態、文化等多方面的需要,經由主動規劃與投資建設而成的相對獨立的城市空間單元,包含經濟特區、經濟技術開發區、高新技術產業開發區以及產業新城、智慧新城、生態低碳新城等等[1]。新城新區是新制度、新產業、新技術、新設施等方面的集成與融合,開展“數字新區”的建設,是當前新城新區發展的方向與最重要的內容[2]。與傳統城市相比,新城新區的智慧城市建設與新城的空間規劃、產業規劃、基礎設施規劃可以同步實施,成為全國智慧城市建設實踐的熱點,也是新城新區建設發展的“生力軍”[3]。其中,數字孿生城市是當前各地智慧城市建設的主要方向,通過建立與物理城市相對應的“數字世界”,實現城市全要素的數字化和可視化,在“數字世界”中模擬仿真、洞察態勢、提前預測、科學決策,來解決城市規劃、建設、管理、運行、服務等各方面的復雜性和不確定性[4-6],實現城市高效有序運行、精益智能治理、優化升級發展。本文立足于新城新區開展數字孿生城市建設的優勢,研究基于城市信息模型(City Information Modeling,CIM)的數字孿生城市建設內容和關鍵問題。

1 基于CIM的數字孿生城市建設情況

城市是一個多源數據和信息實時更新、持續不斷運行和發展的載體[7],城市信息模型(CIM)以建筑信息模型(BIM)、地理信息系統(GIS)、物聯網(IOT)等技術為基礎,整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維多尺度空間數據和物聯感知數據,構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體[8]。在我國,從《河北雄安新區規劃綱要》提出的“堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設”關于數字孿生城市的描述開始,經過2018—2019年技術架構發展,于2020年進入建設階段,成為數字孿生技術應用元年[9],特別是2021年國家“十四五”規劃綱要明確提出探索建設數字孿生城市[10],國務院、工信部、網安委、水利部、住建部等相關部委和北京、山東、江蘇、上海、天津、深圳、貴陽、南京、福州等各地方政府積極出臺數字孿生城市相關政策,支持數字孿生城市場景建設與產業發展,同時,各地也積極探索數字孿生城市建設,如深圳南山“圳智慧”平臺支撐智慧城市一體化建設[11]、廣州“穗智管”城市運行管理中樞探索適用于超大型城市的治理新路徑[12]、青島城市信息模型(CIM)平臺建設以“實景三維”為抓手構建陸海一體化平臺[13],特別是雄安新區[14,15]、青島西海岸新區、武漢長江新區、重慶兩江新區[16]、四川天府新區、上海臨港新區、中新天津生態城[17]等新區新城開展了基于CIM的數字孿生城市建設,實現城市治理的數字化和智慧化升級轉型。

2 基于CIM的數字孿生城市總體設計

基于CIM的數字孿生城市的建設是以CIM平臺為核心來建設新區新城的數字孿生體,其總體架構從結構上分為信息基礎設施、感知體系、數字底座、智能中樞、應用場景和城市大腦(如圖1所示)[18,19]。

圖1 數字孿生城市的總體架構設計

2.1 感知體系

感知體系是分布在城市物理空間中各類監控、監測設備體系,通過攝像頭、傳感器(如壓力、流量、降雨、噪聲、結構等)等各類對城市進行真實全面的實時感知,像“觸手”一樣實時感知城市微觀運行狀態,為數字底座提供實時更新的物聯網數據,是城市空間地理信息相對靜態數據的重要補充,是提前預警、趨勢預測等科學決策重要支撐,讓城市運行更加高效、合理、安全。

2.2 數字底座

數字底座是數字孿生城市建設的基石,支撐著智慧城市運營中心和智慧應用的建設,涵蓋了多維、多尺度的信息模型數據,以及全要素、全流程、全業務的數據融合,包含CIM數據、業務數據、物聯網數據、互聯網數據等內容。

(1)CIM數據

CIM數據是數字底座業務數據、物聯網數據等信息的空間承載體,包含地形、建筑、交通、管線管廊、植被、水系、地質等數據[8,20],以應用場景需求為導向,按照《城市信息模型(CIM)基礎平臺技術導則(修訂版)》中CIM進行分級分類建設,涵蓋規劃設計、工程建設、竣工構建城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來的多維度多尺度的三維數字空間,如圖2所示。

圖2 CIM數據內容構成

地上CIM數據包含地形模型和要素模型。地形模型通常也稱為地理場景,根據數字高程模型(DEM)數據生成地形起伏信息并根據數字正射影像(DOM)數據進行紋理貼圖,生成三維地形模型,呈現區域的地理場景變化。要素模型按照不同要素類型分為建筑、交通、水系、植被等不同要素模型數據,其中交通、水系、植被根據數字線劃圖(DLG)提取輪廓線結合數字正射影像(DOM)數據分別進行路面紋理、水波紋理貼圖、植被類型紋理,形成CIM2級的交通模型、水系模型和植被模型。建筑模型按照重要程度不同進行標準模型(CIM3級)和精細模型(CIM4級)進行建設,一般建筑和廠房根據 1∶500～1∶2 000的DLG數據獲取輪廓信息結合傾斜攝影獲取高程和紋理進行生產并滿足光影渲染效果。重點區域的建筑(如CBD、綜合體)根據 1∶500以上的DLG數據獲取輪廓信息、傾斜攝影獲取紋理信息、激光點云獲取特征并結合外業照片進行光影渲染后生成精細模型。同時,建筑模型按照不同提供階段分為方案設計模型、施工建設模型和竣工模型(即現狀模型)。

地下CIM模型數據包含地質模型、地下管廊(管線)模型和地下空間設施。地質模型是地下分層土層體塊數據,根據地質鉆孔數據進行插值生成。地下管廊(管線)模型數據根據管廊和不同類型管線數據分類,以探測二維數據為基礎進行參數化建模和數據表處理,形成管廊管線BIM模型,形成CIM4級模型。地下空間設施以探測數據為基礎,采用激光點云掃描和實景照片采集,形成地下道路、地下停車場、地下人防工程等建模,形成CIM5級模型。

(2)業務數據

業務數據是在城市的規劃、建設、管理、服務等全過程、各方面產生的各類業務信息,是政府部門如城市規劃設計、城市建設、城市管理與執法、生態環境保護、政務服務、產業經濟運行等,是城市各類管理、服務的“屬性信息”,由CIM數據承載關聯。

(3)物聯網數據

物聯網數據包含物聯網設備信息和設備監控監測產生的數據,設備信息至少包含設備位置、設備編碼以及傳輸頻次、監測閾值等信息,監測信息是設備的時序傳輸數值,監控是視頻流信息等,實時“看到”城市運行狀態和指標特征。

(4)互聯網數據

互聯網數據是網絡媒體、社交媒體、移動通信等大數據分析形成的互聯網輿情動態數據,如人口大數據、交通大數據、社會輿情等。

2.3 智能中樞

智能中樞主要通過CIM平臺實現空間數據、業務數據、物聯網數據、互聯網數據的匯聚、接入和更新、管理,并以統一的資源目錄提供服務,提供數字底座的全息孿生場景展示、查詢、分析功能,以開發接口為各智慧化應用提供智能化、人性化、個性化的按需服務,同時提供移動端應用服務能力(如圖3所示),旨在滿足城市規劃、建設、管理、生態、產業、民生等諸多領域的多元化需求,為其提供數據賦能和基礎能力支撐,同時通過智慧應用的業務數據回流至智能中樞,進一步豐富數字底座,構建智能中樞與智慧應用的“雙向信息流”,實現深度融合。因此,智能中樞是數字孿生城市建設的“信息樞紐”和“能力中心”。

圖3 CIM平臺功能構成

2.4 智慧城市運營中心(IOC)

智慧城市運營中心(Intelligent Operations Center for Smarter Cities,IOC),通常稱為“城市大腦”,具備城市數據資源一體化呈現、實時監測、決策分析、事件管理等能力,描繪城市“畫像”,為城市的決策者、業務人員提供全面、科學、準確的數據支撐以及科學決策支撐,讓城市治理更加精益、城市運營更加高效、城市服務更加智能,成為城市高質量發展的新引擎和新動能。

2.5 智慧應用

基于數字底座和智能中樞,開展各智慧應用場景建設,根據應用服務領域,分為城市治理、民生服務、產業創新、生態綠城等4方面,實現數字孿生城市應用場景與物理城市的動態交互。

(1)CIM+智慧城市治理

以雄安新區規劃建設BIM管理平臺為典型,實現規劃與建設、建設與實施、實施與反饋的城市規-建-管的全流程閉環,推進城市治理體系和治理能力的現代化[15]。智慧規劃主要面向自然資源與規劃部門,實現國土空間規劃一張藍圖以及從規劃編制、規劃審批、方案審查到實施監督全過程的智慧化應用。智慧建設主要面向住房保障與城鄉建設部門,實現建設項目全過程信息化串聯管理以及智慧工地等智慧化應用。智慧管理主要面向城市綜合管理與運營部門,實現市政、園林、環衛以及社區等城市綜合管理和社會治理的智慧化應用。

(2)CIM+智慧生態綠城

面向生態文明城市、公園城市、森林城市等特色定位,開展智慧化應用,如智慧生態環境(水生態、環境質量、生態紅線等)、智慧美麗海灣、智慧公園等,為政府部門、社會公眾構建人與自然、生態和諧的環境。

(3)CIM+智慧民生服務

面向民生問題,建設互聯網+政務服務(一網通辦)、智慧出行、智慧教育、智慧醫療等民生問題智慧化應用,讓數字孿生技術造福于民、惠及于企,構建宜居宜業的新區新城。

(4)CIM+智慧產業創新

面向產業數字化轉型,開展智慧招商、智慧園區、智慧港口、智慧商圈等智能化平臺應用,賦能產業數字化轉型和發展,促進實體經濟由粗放式發展向精細化管控的轉變,用數字化、智能化技術解決產業發展瓶頸,實現新增長突破。

3 關鍵問題

3.1 CIM數據更新技術

CIM數據的建設雖然為各類CIM+智慧化應用提供了直觀的場景呈現,新區新城是當前城市重點建設發展區域,處于不同建設發展階段,城市地表信息的變化率為5%～50%不等[21,22],數字孿生城市的建設需要高現勢性的CIM數據,對CIM數據的更新提出了更高的要求。通常城市空間地理信息更新方式主要包含集中更新和眾包更新兩種:集中更新一般由專業部門按一定周期對數據進行集中采集和更新,數據質量高但現勢性難以保證;眾包更新一般指大眾或者圖商對數據進行動態采集和上傳,數據質量無法保障不過更新效率高[23,24]。因而,可以借鑒基于業務實現地名地址數據更新的方式[25],將CIM模型與城市規劃、方案設計、建設、竣工和運營的業務融合,實現基于城市治理的規-建-管業務的CIM數據動態更新,形成新區新城的CIM數據自生長模式,如圖4和圖5所示?，F狀CIM數據支撐智慧規劃、智慧建設、智慧管理的各類智慧化應用,在智慧規劃階段基于設計方案三維審查來形成的設計方案CIM模型,用于指導后續基于智慧建設的施工圖設計和施工進度形成施工BIM模型數據,同時,在項目建設完成后在施工BIM模型數據基礎上進一步更新形成竣工CIM模型隨項目竣工驗收同步提交,一方面用來更新現狀CIM數據,同時也在項目移交后進入管理運維階段,基于CIM模型進行城市的智慧化綜合管理,并在城市管理運維過程中進行動態更新形成運維CIM模型,以更新現狀CIM數據,形成基于業務的城市規-建-管的全過程CIM模型數據傳遞與動態更新迭代,記錄新區新城的過去、現在與未來發展過程,以改善常規城市空間地理信息更新慢或者質量不高的問題,更好地支撐數字孿生城市的建設與應用。

圖4 基于業務的CIM數據動態更新模式

圖5 CIM數據業務迭代更新示例

3.2 面向多應用場景的中樞服務能力

數字孿生城市的中樞服務,應滿足不同行業領域、不同業務類型、不同部門用戶的應用需求,需具備智能化、人性化、個性化等特點[5,19],因而,智能中樞需具備:①逼真高效的三維可視化效果,更加直觀地展現不同設計方案的呈現效果以及生態景觀(如海灣、景點)的美觀性,滿足數字孿生高逼真可視化展現的中樞服務能力需求;②強大的空間分析和融合分析能力,與業務融合,提供二、三維空間分析能力,以及將矢量數據、影像數據、CIM模型數據、業務數據、IOT監測數據等進行集成融合和挖掘分析,提供諸如天際線分析、退距分析、鄰近設施分析、時空變化分析、事件影響分析等等,為智慧化應用提供融合分析支撐。③人工智能(AI)分析,隨著人工智能技術的發展,各類智慧化應用期望基于AI分析來提升業務服務效率,如基于水務物聯網監測數據來分析漏損情況,基于視頻監控來發現城管問題等,為城市綜合治理提供公共的AI算法,是開展智慧化應用的趨勢。

因此,面向多應用場景的智能中樞的建設,需要在CIM平臺中實現云渲染引擎、GIS引擎和AI引擎的融合,在基于GIS引擎集成BIM引擎服務來對數據底座進行統一管理的基礎上,借助云渲染引擎在游戲場景中高逼真的顯示效果,同時在服務器集成GIS的強大的二三維空間分析和融合分析服務能力,并將AI算法的分析能力進行融合,以瀏覽器展示的方式提供大屏端、PC端、移動端、觸摸屏等的自適應適配,對GIS分析和AI分析結果進行可視化渲染,實現高效可視化效果與強大分析能力的中樞能力服務,即一套數據在云渲染引擎、GIS引擎、AI引擎的三引擎服務和大屏端、PC端、移動端的多端服務,形成“一源三引擎多端”的服務體系,滿足不同應用場景和應用場所對CIM服務的個性化需求,如圖6所示。

圖6 中樞服務能力集成

3.3 海量數據的融合應用

數字孿生城市數字底座基本上已經達到了TB級以上的數據,隨著城市更新、發展和運行不斷產生新的數據,必將面臨超過PB級的數據管理,同時數字底座中的數據類型包含柵格數據、矢量數據、模型數據、屬性數據、文件數據等,這些數據可能來源于自行生產建設,也可能來自不同應用系統的數據匯交。因此,需要構建一套統一的數據標準和數據資源目錄體系,對匯聚、采集、產生的數據進行抽取、清洗、轉換、輕量化、融合和組裝等[26],形成宏觀與微觀、靜態與動態、過去與現狀和未來、地上與地表和地下等全維度、全時空融合的數字底座。

按照地塊-項目-實體三個層級對數據進行融合,在地塊級以宗地代碼關聯規劃編制、選址紅線、用地報批、土地供應等規劃階段信息;在項目級關聯宗地代碼以串聯規劃階段信息,并以項目唯一標識碼關聯用地規劃許可、設計方案CIM模型、工程規劃許可等規劃階段信息,施工BIM模型、施工許可以及施工過程中人員、質量、安全、設備等監管信息的建設階段信息,以及竣工CIM模型和竣工驗收及備案信息等竣工階段信息;在實體級以實體編碼對進入運維階段的信息進行唯一編碼,并串聯登記和交易信息,以及運行和運維過程中產生的各類數據,如監控信息、水電氣信息、碳排放數據、人員流程信息、設施管養運維信息、安全狀態等所有運維信息。同時在項目建設階段和運維階段所有的視頻監控、物聯網監測等信息根據設備空間位置,互聯網數據根據其空間位置,關聯至項目編碼和實體編碼。從而實現CIM模型數據、業務數據、物聯網數據以及互聯網數據的融合,形成新區新城在地塊-項目-實體等數據圖譜,構建新區新城的“畫像”。

同時,為了實現對數字底座的高性能管理服務,需要基于云計算和云邊結合的策略,實現對海量數據的實時處理。此外,采用視圖比例尺來自動化控制CIM模型數據的分級展示以實現快速的可視化,讓城市的各參與主體可以直觀地了解城市的現狀和發展過程。同時,采用北斗網格碼、地理實體編碼等編碼技術,實現對海量空間對象及關聯的業務信息的快速檢索和高效計算分析等。通過研究海量數據的處理、可視化、查詢、分析等關鍵技術來支撐數字底座的融合應用,為智慧應用和智慧城市運營中心提供有力的數據支持。

4 結 語

本文在研究新區新城的發展方向、數字孿生城市的作用以及建設情況等背景基礎上,從感知體系、基礎設施、數字底座、智能中樞、智慧城市運營中心、智慧應用等“5個層級”設計了基于CIM的數字孿生城市總體架構。其中數字底座包含了CIM數據、業務數據、物聯網數據和互聯網數據,通過海量數據的清洗融合、實時處理、分級控制展示、編碼檢索分析等關鍵技術來實現融合應用,并基于業務與CIM數據融合提出了CIM數據的動態更新與自生長模式,為數字孿生城市建設提供統一豐富、現勢性高的數據底板。智能中樞面向智慧應用多場景的逼真高效三維可視化、強大的空間分析和融合分析、人工智能(AI)分析等需求,基于云渲染引擎、GIS引擎和AI引擎的融合服務,提供智能化、人性化、個性化的按需智能中樞服務,賦能智慧應用場景建設,打通數字孿生城市建設的“信息流”?；贑IM的數字孿生城市建設的研究為新區新城的高標準建設、生態文明建設、高質量發展提供夯實的數據基礎和能力中樞,可為城市的新型智慧城市建設提供借鑒和參考。