基于CIM的新城新区数字孪生城市建设研究

汪艳霞

(福州市勘测院有限公司,福建 福州 350000)

0 引 言

中国新城新区是为了政治、经济、社会、生态、文化等多方面的需要,经由主动规划与投资建设而成的相对独立的城市空间单元,包含经济特区、经济技术开发区、高新技术产业开发区以及产业新城、智慧新城、生态低碳新城等等[1]。新城新区是新制度、新产业、新技术、新设施等方面的集成与融合,开展“数字新区”的建设,是当前新城新区发展的方向与最重要的内容[2]。与传统城市相比,新城新区的智慧城市建设与新城的空间规划、产业规划、基础设施规划可以同步实施,成为全国智慧城市建设实践的热点,也是新城新区建设发展的“生力军”[3]。其中,数字孪生城市是当前各地智慧城市建设的主要方向,通过建立与物理城市相对应的“数字世界”,实现城市全要素的数字化和可视化,在“数字世界”中模拟仿真、洞察态势、提前预测、科学决策,来解决城市规划、建设、管理、运行、服务等各方面的复杂性和不确定性[4-6],实现城市高效有序运行、精益智能治理、优化升级发展。本文立足于新城新区开展数字孪生城市建设的优势,研究基于城市信息模型(City Information Modeling,CIM)的数字孪生城市建设内容和关键问题。

1 基于CIM的数字孪生城市建设情况

城市是一个多源数据和信息实时更新、持续不断运行和发展的载体[7],城市信息模型(CIM)以建筑信息模型(BIM)、地理信息系统(GIS)、物联网(IOT)等技术为基础,整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度空间数据和物联感知数据,构建起三维数字空间的城市信息有机综合体[8]。在我国,从《河北雄安新区规划纲要》提出的“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设”关于数字孪生城市的描述开始,经过2018—2019年技术架构发展,于2020年进入建设阶段,成为数字孪生技术应用元年[9],特别是2021年国家“十四五”规划纲要明确提出探索建设数字孪生城市[10],国务院、工信部、网安委、水利部、住建部等相关部委和北京、山东、江苏、上海、天津、深圳、贵阳、南京、福州等各地方政府积极出台数字孪生城市相关政策,支持数字孪生城市场景建设与产业发展,同时,各地也积极探索数字孪生城市建设,如深圳南山“圳智慧”平台支撑智慧城市一体化建设[11]、广州“穗智管”城市运行管理中枢探索适用于超大型城市的治理新路径[12]、青岛城市信息模型(CIM)平台建设以“实景三维”为抓手构建陆海一体化平台[13],特别是雄安新区[14,15]、青岛西海岸新区、武汉长江新区、重庆两江新区[16]、四川天府新区、上海临港新区、中新天津生态城[17]等新区新城开展了基于CIM的数字孪生城市建设,实现城市治理的数字化和智慧化升级转型。

2 基于CIM的数字孪生城市总体设计

基于CIM的数字孪生城市的建设是以CIM平台为核心来建设新区新城的数字孪生体,其总体架构从结构上分为信息基础设施、感知体系、数字底座、智能中枢、应用场景和城市大脑(如图1所示)[18,19]。

图1 数字孪生城市的总体架构设计

2.1 感知体系

感知体系是分布在城市物理空间中各类监控、监测设备体系,通过摄像头、传感器(如压力、流量、降雨、噪声、结构等)等各类对城市进行真实全面的实时感知,像“触手”一样实时感知城市微观运行状态,为数字底座提供实时更新的物联网数据,是城市空间地理信息相对静态数据的重要补充,是提前预警、趋势预测等科学决策重要支撑,让城市运行更加高效、合理、安全。

2.2 数字底座

数字底座是数字孪生城市建设的基石,支撑着智慧城市运营中心和智慧应用的建设,涵盖了多维、多尺度的信息模型数据,以及全要素、全流程、全业务的数据融合,包含CIM数据、业务数据、物联网数据、互联网数据等内容。

(1)CIM数据

CIM数据是数字底座业务数据、物联网数据等信息的空间承载体,包含地形、建筑、交通、管线管廊、植被、水系、地质等数据[8,20],以应用场景需求为导向,按照《城市信息模型(CIM)基础平台技术导则(修订版)》中CIM进行分级分类建设,涵盖规划设计、工程建设、竣工构建城市地上地下、室内室外、历史现状未来的多维度多尺度的三维数字空间,如图2所示。

图2 CIM数据内容构成

地上CIM数据包含地形模型和要素模型。地形模型通常也称为地理场景,根据数字高程模型(DEM)数据生成地形起伏信息并根据数字正射影像(DOM)数据进行纹理贴图,生成三维地形模型,呈现区域的地理场景变化。要素模型按照不同要素类型分为建筑、交通、水系、植被等不同要素模型数据,其中交通、水系、植被根据数字线划图(DLG)提取轮廓线结合数字正射影像(DOM)数据分别进行路面纹理、水波纹理贴图、植被类型纹理,形成CIM2级的交通模型、水系模型和植被模型。建筑模型按照重要程度不同进行标准模型(CIM3级)和精细模型(CIM4级)进行建设,一般建筑和厂房根据 1∶500～1∶2 000的DLG数据获取轮廓信息结合倾斜摄影获取高程和纹理进行生产并满足光影渲染效果。重点区域的建筑(如CBD、综合体)根据 1∶500以上的DLG数据获取轮廓信息、倾斜摄影获取纹理信息、激光点云获取特征并结合外业照片进行光影渲染后生成精细模型。同时,建筑模型按照不同提供阶段分为方案设计模型、施工建设模型和竣工模型(即现状模型)。

地下CIM模型数据包含地质模型、地下管廊(管线)模型和地下空间设施。地质模型是地下分层土层体块数据,根据地质钻孔数据进行插值生成。地下管廊(管线)模型数据根据管廊和不同类型管线数据分类,以探测二维数据为基础进行参数化建模和数据表处理,形成管廊管线BIM模型,形成CIM4级模型。地下空间设施以探测数据为基础,采用激光点云扫描和实景照片采集,形成地下道路、地下停车场、地下人防工程等建模,形成CIM5级模型。

(2)业务数据

业务数据是在城市的规划、建设、管理、服务等全过程、各方面产生的各类业务信息,是政府部门如城市规划设计、城市建设、城市管理与执法、生态环境保护、政务服务、产业经济运行等,是城市各类管理、服务的“属性信息”,由CIM数据承载关联。

(3)物联网数据

物联网数据包含物联网设备信息和设备监控监测产生的数据,设备信息至少包含设备位置、设备编码以及传输频次、监测阈值等信息,监测信息是设备的时序传输数值,监控是视频流信息等,实时“看到”城市运行状态和指标特征。

(4)互联网数据

互联网数据是网络媒体、社交媒体、移动通信等大数据分析形成的互联网舆情动态数据,如人口大数据、交通大数据、社会舆情等。

2.3 智能中枢

智能中枢主要通过CIM平台实现空间数据、业务数据、物联网数据、互联网数据的汇聚、接入和更新、管理,并以统一的资源目录提供服务,提供数字底座的全息孪生场景展示、查询、分析功能,以开发接口为各智慧化应用提供智能化、人性化、个性化的按需服务,同时提供移动端应用服务能力(如图3所示),旨在满足城市规划、建设、管理、生态、产业、民生等诸多领域的多元化需求,为其提供数据赋能和基础能力支撑,同时通过智慧应用的业务数据回流至智能中枢,进一步丰富数字底座,构建智能中枢与智慧应用的“双向信息流”,实现深度融合。因此,智能中枢是数字孪生城市建设的“信息枢纽”和“能力中心”。

图3 CIM平台功能构成

2.4 智慧城市运营中心(IOC)

智慧城市运营中心(Intelligent Operations Center for Smarter Cities,IOC),通常称为“城市大脑”,具备城市数据资源一体化呈现、实时监测、决策分析、事件管理等能力,描绘城市“画像”,为城市的决策者、业务人员提供全面、科学、准确的数据支撑以及科学决策支撑,让城市治理更加精益、城市运营更加高效、城市服务更加智能,成为城市高质量发展的新引擎和新动能。

2.5 智慧应用

基于数字底座和智能中枢,开展各智慧应用场景建设,根据应用服务领域,分为城市治理、民生服务、产业创新、生态绿城等4方面,实现数字孪生城市应用场景与物理城市的动态交互。

(1)CIM+智慧城市治理

以雄安新区规划建设BIM管理平台为典型,实现规划与建设、建设与实施、实施与反馈的城市规-建-管的全流程闭环,推进城市治理体系和治理能力的现代化[15]。智慧规划主要面向自然资源与规划部门,实现国土空间规划一张蓝图以及从规划编制、规划审批、方案审查到实施监督全过程的智慧化应用。智慧建设主要面向住房保障与城乡建设部门,实现建设项目全过程信息化串联管理以及智慧工地等智慧化应用。智慧管理主要面向城市综合管理与运营部门,实现市政、园林、环卫以及社区等城市综合管理和社会治理的智慧化应用。

(2)CIM+智慧生态绿城

面向生态文明城市、公园城市、森林城市等特色定位,开展智慧化应用,如智慧生态环境(水生态、环境质量、生态红线等)、智慧美丽海湾、智慧公园等,为政府部门、社会公众构建人与自然、生态和谐的环境。

(3)CIM+智慧民生服务

面向民生问题,建设互联网+政务服务(一网通办)、智慧出行、智慧教育、智慧医疗等民生问题智慧化应用,让数字孪生技术造福于民、惠及于企,构建宜居宜业的新区新城。

(4)CIM+智慧产业创新

面向产业数字化转型,开展智慧招商、智慧园区、智慧港口、智慧商圈等智能化平台应用,赋能产业数字化转型和发展,促进实体经济由粗放式发展向精细化管控的转变,用数字化、智能化技术解决产业发展瓶颈,实现新增长突破。

3 关键问题

3.1 CIM数据更新技术

CIM数据的建设虽然为各类CIM+智慧化应用提供了直观的场景呈现,新区新城是当前城市重点建设发展区域,处于不同建设发展阶段,城市地表信息的变化率为5%～50%不等[21,22],数字孪生城市的建设需要高现势性的CIM数据,对CIM数据的更新提出了更高的要求。通常城市空间地理信息更新方式主要包含集中更新和众包更新两种:集中更新一般由专业部门按一定周期对数据进行集中采集和更新,数据质量高但现势性难以保证;众包更新一般指大众或者图商对数据进行动态采集和上传,数据质量无法保障不过更新效率高[23,24]。因而,可以借鉴基于业务实现地名地址数据更新的方式[25],将CIM模型与城市规划、方案设计、建设、竣工和运营的业务融合,实现基于城市治理的规-建-管业务的CIM数据动态更新,形成新区新城的CIM数据自生长模式,如图4和图5所示。现状CIM数据支撑智慧规划、智慧建设、智慧管理的各类智慧化应用,在智慧规划阶段基于设计方案三维审查来形成的设计方案CIM模型,用于指导后续基于智慧建设的施工图设计和施工进度形成施工BIM模型数据,同时,在项目建设完成后在施工BIM模型数据基础上进一步更新形成竣工CIM模型随项目竣工验收同步提交,一方面用来更新现状CIM数据,同时也在项目移交后进入管理运维阶段,基于CIM模型进行城市的智慧化综合管理,并在城市管理运维过程中进行动态更新形成运维CIM模型,以更新现状CIM数据,形成基于业务的城市规-建-管的全过程CIM模型数据传递与动态更新迭代,记录新区新城的过去、现在与未来发展过程,以改善常规城市空间地理信息更新慢或者质量不高的问题,更好地支撑数字孪生城市的建设与应用。

图4 基于业务的CIM数据动态更新模式

图5 CIM数据业务迭代更新示例

3.2 面向多应用场景的中枢服务能力

数字孪生城市的中枢服务,应满足不同行业领域、不同业务类型、不同部门用户的应用需求,需具备智能化、人性化、个性化等特点[5,19],因而,智能中枢需具备:①逼真高效的三维可视化效果,更加直观地展现不同设计方案的呈现效果以及生态景观(如海湾、景点)的美观性,满足数字孪生高逼真可视化展现的中枢服务能力需求;②强大的空间分析和融合分析能力,与业务融合,提供二、三维空间分析能力,以及将矢量数据、影像数据、CIM模型数据、业务数据、IOT监测数据等进行集成融合和挖掘分析,提供诸如天际线分析、退距分析、邻近设施分析、时空变化分析、事件影响分析等等,为智慧化应用提供融合分析支撑。③人工智能(AI)分析,随着人工智能技术的发展,各类智慧化应用期望基于AI分析来提升业务服务效率,如基于水务物联网监测数据来分析漏损情况,基于视频监控来发现城管问题等,为城市综合治理提供公共的AI算法,是开展智慧化应用的趋势。

因此,面向多应用场景的智能中枢的建设,需要在CIM平台中实现云渲染引擎、GIS引擎和AI引擎的融合,在基于GIS引擎集成BIM引擎服务来对数据底座进行统一管理的基础上,借助云渲染引擎在游戏场景中高逼真的显示效果,同时在服务器集成GIS的强大的二三维空间分析和融合分析服务能力,并将AI算法的分析能力进行融合,以浏览器展示的方式提供大屏端、PC端、移动端、触摸屏等的自适应适配,对GIS分析和AI分析结果进行可视化渲染,实现高效可视化效果与强大分析能力的中枢能力服务,即一套数据在云渲染引擎、GIS引擎、AI引擎的三引擎服务和大屏端、PC端、移动端的多端服务,形成“一源三引擎多端”的服务体系,满足不同应用场景和应用场所对CIM服务的个性化需求,如图6所示。

图6 中枢服务能力集成

3.3 海量数据的融合应用

数字孪生城市数字底座基本上已经达到了TB级以上的数据,随着城市更新、发展和运行不断产生新的数据,必将面临超过PB级的数据管理,同时数字底座中的数据类型包含栅格数据、矢量数据、模型数据、属性数据、文件数据等,这些数据可能来源于自行生产建设,也可能来自不同应用系统的数据汇交。因此,需要构建一套统一的数据标准和数据资源目录体系,对汇聚、采集、产生的数据进行抽取、清洗、转换、轻量化、融合和组装等[26],形成宏观与微观、静态与动态、过去与现状和未来、地上与地表和地下等全维度、全时空融合的数字底座。

按照地块-项目-实体三个层级对数据进行融合,在地块级以宗地代码关联规划编制、选址红线、用地报批、土地供应等规划阶段信息;在项目级关联宗地代码以串联规划阶段信息,并以项目唯一标识码关联用地规划许可、设计方案CIM模型、工程规划许可等规划阶段信息,施工BIM模型、施工许可以及施工过程中人员、质量、安全、设备等监管信息的建设阶段信息,以及竣工CIM模型和竣工验收及备案信息等竣工阶段信息;在实体级以实体编码对进入运维阶段的信息进行唯一编码,并串联登记和交易信息,以及运行和运维过程中产生的各类数据,如监控信息、水电气信息、碳排放数据、人员流程信息、设施管养运维信息、安全状态等所有运维信息。同时在项目建设阶段和运维阶段所有的视频监控、物联网监测等信息根据设备空间位置,互联网数据根据其空间位置,关联至项目编码和实体编码。从而实现CIM模型数据、业务数据、物联网数据以及互联网数据的融合,形成新区新城在地块-项目-实体等数据图谱,构建新区新城的“画像”。

同时,为了实现对数字底座的高性能管理服务,需要基于云计算和云边结合的策略,实现对海量数据的实时处理。此外,采用视图比例尺来自动化控制CIM模型数据的分级展示以实现快速的可视化,让城市的各参与主体可以直观地了解城市的现状和发展过程。同时,采用北斗网格码、地理实体编码等编码技术,实现对海量空间对象及关联的业务信息的快速检索和高效计算分析等。通过研究海量数据的处理、可视化、查询、分析等关键技术来支撑数字底座的融合应用,为智慧应用和智慧城市运营中心提供有力的数据支持。

4 结 语

本文在研究新区新城的发展方向、数字孪生城市的作用以及建设情况等背景基础上,从感知体系、基础设施、数字底座、智能中枢、智慧城市运营中心、智慧应用等“5个层级”设计了基于CIM的数字孪生城市总体架构。其中数字底座包含了CIM数据、业务数据、物联网数据和互联网数据,通过海量数据的清洗融合、实时处理、分级控制展示、编码检索分析等关键技术来实现融合应用,并基于业务与CIM数据融合提出了CIM数据的动态更新与自生长模式,为数字孪生城市建设提供统一丰富、现势性高的数据底板。智能中枢面向智慧应用多场景的逼真高效三维可视化、强大的空间分析和融合分析、人工智能(AI)分析等需求,基于云渲染引擎、GIS引擎和AI引擎的融合服务,提供智能化、人性化、个性化的按需智能中枢服务,赋能智慧应用场景建设,打通数字孪生城市建设的“信息流”。基于CIM的数字孪生城市建设的研究为新区新城的高标准建设、生态文明建设、高质量发展提供夯实的数据基础和能力中枢,可为城市的新型智慧城市建设提供借鉴和参考。