城市信息模型（City Information Model,CIM）平台是数字孪生城市的核心，随着数字孪生应用需求的不断增长，正发挥着越来越重要的作用。从CIM平台的现实意义、架构组成、产业生态、平台构建几方面介绍了CIM平台的发展现状和未来展望。
关键词：CIM；城市大脑;数字孪生城市
Building CIM platform to promote the landing of digital twin city
CHEN Cai,ZHANG Yuxiong
(Industry and Planning Research Institute,China Academy of Information and Communications Technology,Beijing 100037,China)
Abstract:The City Information Model(CIM)platform is the core of the digital twin city.It is of great importance as the demand for digital twin applications conlinues to expand.This paper introduces the development status and future prospects of the CIM platform from the aspects of practical significance,structure composition,industrial ecology,and platform construction.
Key words：CIM；city brain；digital twin city
一、引言
CIM平台是实现精准映射城市运行状态、挖掘洞悉城市运行规律、模拟仿真城市未来趋势的综合信息载体与核心平台[1-2],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。
简单来看,CIM平台等于CIM模型加上各类异构多源数据[3]。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系统（Geographic Information System,GIS）数据,以及动态变化的感知信息IOT（物联网）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。
二、CIM平台的现实意义
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大方面。
一是,CIM平台构筑城市“全周期管理”能力，提高城市韧性。习近平总书记提出，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、避免在物理空间中犯错、降低城市运行成本;在事中控制环节,CIM平台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，使其固化在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；当城市地下管网出现故障报警时,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。
三、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。一方面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的数字孪生体，但CIM更应该关注重点场景和重点事件的孪生;另一方面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的仿真推演。
从架构上看,CIM平台主要由数据采集、模型构建、数据呈现与渲染三大部分构成次（见图1）。
3.1多源数据采集是模型构建的基础
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。地上地下、室内室外、虚实一体、开放鲜活的时空数据资源是数字孪生城市建设最为关键的基础。模型数据采集对象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。数据类型主要为城市街景数据、GIS数据、BIM数据、CAD（计算机辅助设计）数据、激光点云数据、倾斜摄影数据等。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。
3.2模型平台是数字孪生城市的“骨架”
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[1]。
3.3实时数据呈现与渲染是赋能业务的核心
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进行效果渲染，比如根据天气动态数据（云层高度、风向、边缘噪波尺寸等）对阴、晴、雨、雪等多种真实天气进行模拟;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[2]。
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在二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、CIM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，以实现基于统一时空基础的规划、分析和决策。
四、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，共同推动CIM生态壮大发展。从参与企业的原有主业看,CIM平台产业可分为以下4类。
第一类是传统地理信息、地理测绘等企业,这些企业多年来深耕地理信息、时空大数据等，具有搭建CIM平台的先发优势,其典型的代表企业有超图公司、泰瑞数创、四维图新等。
第二类是BIM类企业，这些企业从建筑领域逐渐转向城市领域、园区领域,扩大信息模型的建设范畴,搭建一体化CIM平台。其典型的代表企业有中国城市规划设计研究院、广联达软件、鲁班软件等。
第三类是建模、仿真类企业，借助制造业数字孪生体系、交通模拟仿真等领域的积累优势，快速进军CIM平台市场，其典型的代表企业有达索系统、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，提供行业分析算法模型，共同助力CIM生态壮大。
第四类是互联网、运营商等企业。互联网企业纷纷跨界，如阿里巴巴与中国城市规划设计研究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、四方伟业等。
五、构建CIM平台的建议
5.1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。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。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，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。从发展阶段看，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;数字孪生城市是智慧城市的中远期实现，要以点带面，逐步推行;随着技术的不断演进,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。
5.2建立与GIS底图和上层应用松耦合弹性可伸缩的CIM平台
当前,传统的GIS产品非常成熟，具有功能强大的GIS引擎和灵活全面的各类GIS组件，GIS产品可以为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、弹性开放的架构。一是要兼容底层的不同GIS引擎和底图系统，形成跨平台和网络的移植能力；二是要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实现赋能支撑。
5.3制定基于异构数据的时空融合标准与统一数据框架
CIM平台的工作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，以及多模态数据融合表达;二是要构建涵盖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;三是要在数据层建立城市级海量感知数据的实时接入服务标准,研研数据动态加载与处理技术,实现跨行业、跨领域的数据实时接入。
5.4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呈指数上升，一旦系统平台被攻破或数据泄露，将引发重大的城市安全事故。目前来看，我国在传感、CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、PLM（产品生命周期管理）、VR/AR（虚拟现实/增强现实）渲染、仿真建模等领域的核心技术依赖国外的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。
六、结束语
综上所述,CIM平台作为数字孪生城市建设的基础支撑，总体组成架构已较为成熟，随着数字孪生应用场景需求的不断深化，将会持续释放未来城市模拟仿真价值。
参考文献
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[2]陈才.数字孪生城市的理念与特征[N].人民邮电，2017-12-15（06）.
[3]陈才.新时代数字孪生城市来临[J].中国信息界,2018（3）：74-77.
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[8]张霖.关于数字孪生的冷思考及其背后的建模和仿真技术[J].系统仿真学报.2020（4）:1-10.
作者简介：
陈才中国信息通信研究院产业与规划研究所信息化应用研究部主任，高级工程师，博士，国际电信联盟（ITU-D）智慧社会研究组（SG2 Q1）副报告人,主要从事信息化发展、智慧城市、物联网等方面的研究工作
张育雄中国信息通信研究院产业与规划研究所数字孪生城市中心主任，主要从事数字孪生城市、信息化应用、新型基础设施等方面的研究与政策制定工作
