田 穎，楊 滔，黨 安 榮

(1.清華大學(xué)，北京 100084； 2.中規(guī)院(北京)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，北京 100044)

0 引言

在新一代數(shù)字技術(shù)推動(dòng)下，城市治理相關(guān)理論和技術(shù)體系加速迭代，城市作為復(fù)雜巨系統(tǒng)，其規(guī)劃的復(fù)雜性特征日益凸顯并逐步被認(rèn)識(shí)。2017年雄安新區(qū)提出建設(shè)數(shù)字孿生城市的系統(tǒng)構(gòu)想，旨在順應(yīng)城市的復(fù)雜性，提升城市自組織和自適應(yīng)能力，各方圍繞數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)理論和技術(shù)方案進(jìn)行了一系列探索。國(guó)家十四五規(guī)劃明確提出推進(jìn)城市大腦建設(shè)，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。城市信息模型(City Information Model，CIM)作為數(shù)字孿生城市復(fù)雜巨系統(tǒng)的重要支撐，從輔助城市規(guī)劃建設(shè)管理的局部工作向全面賦能城市現(xiàn)代化治理發(fā)展，其重要性越發(fā)凸顯。CIM能通過有組織、協(xié)調(diào)和集成的工作流程管理城市信息，促進(jìn)城市信息共享，支撐城市多主體參與，從而為現(xiàn)代化治理模式轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。目前，關(guān)于CIM的關(guān)鍵技術(shù)已有一定研究成果[1,2]，但大多從現(xiàn)有技術(shù)如何支撐CIM建設(shè)的角度，較為零散且不成體系，鮮有研究從CIM的內(nèi)涵和定位出發(fā)，以需求為導(dǎo)向構(gòu)建其技術(shù)體系全貌。因此，本文從研發(fā)背景、內(nèi)涵定位出發(fā)，構(gòu)建CIM的技術(shù)體系框架，解析其關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)，以期助力CIM建設(shè)和應(yīng)用，服務(wù)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型和新型智慧城市發(fā)展。

1 研發(fā)背景解析

1.1 政策背景

早期國(guó)家與部委的CIM相關(guān)政策是從工程項(xiàng)目制度改革、建筑信息模型(Building Information Model，BIM)發(fā)展而來，這些激勵(lì)政策加快了CIM的相關(guān)技術(shù)研發(fā)及探索，提出構(gòu)建CIM的關(guān)鍵技術(shù)，包括BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)、海量數(shù)據(jù)處理、三維建模等(表1)。

表1 CIM相關(guān)政策及技術(shù)要求Table 1 CIM-related policies and technical requirements

1.2 研發(fā)進(jìn)展

CIM的研發(fā)與技術(shù)進(jìn)步是相輔相成的。錢學(xué)森先生在1994年將虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality)翻譯為靈境技術(shù)，認(rèn)為靈境技術(shù)是繼計(jì)算機(jī)革命之后又一項(xiàng)革命性技術(shù)，為當(dāng)今數(shù)字孿生城市建設(shè)提供了重要啟示。2017年雄安新區(qū)在物理城市大規(guī)模建設(shè)開始前就啟動(dòng)了包括CIM在內(nèi)的數(shù)字城市支撐系統(tǒng)建設(shè)。隨著靈境技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)進(jìn)步以及雄安新區(qū)帶動(dòng)的CIM建設(shè)熱潮，CIM的概念及建設(shè)框架逐漸受到關(guān)注[3-10]，相關(guān)研究也呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖1)。很多城市研究者意識(shí)到CIM對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)以及精細(xì)化治理的突出作用。2018年開始，廣州、南京、北京副中心、深圳、廈門、蘇州等城市相繼開展CIM建設(shè)，相關(guān)實(shí)踐研究也逐漸展開[11-13]。

資料來源：筆者檢索Web of Science及知網(wǎng)論文庫(kù)中主題及關(guān)鍵詞為城市信息模型或CIM共487篇相關(guān)成果，經(jīng)過人工核查相關(guān)度以及去重，共134篇。圖1 2013-2021年CIM相關(guān)研究成果Fig.1 CIM-related studies from 2013 to 2021

CIM的關(guān)鍵支撐技術(shù)從地理信息系統(tǒng)(GIS)應(yīng)用，發(fā)展到GIS與BIM結(jié)合，逐步演變?yōu)锽IM、GIS與IoT共同作用。如果將GIS作為三維城市模型支撐，則CIM已有很長(zhǎng)的發(fā)展歷史，可通過三維可視化的角度更綜合地認(rèn)識(shí)和理解城市。2000 年Billen提出CIM是城市尺度的3D GIS模型，由建筑物、植被、交通網(wǎng)、公共設(shè)施和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[14]。CIM代表智慧城市中各種智慧應(yīng)用的能力，如城市交通、行為導(dǎo)航、城市氣候和城市形態(tài)等[15]。隨著BIM的成熟與應(yīng)用，CIM逐漸發(fā)展到BIM與GIS結(jié)合[16]，如Isikdag等提出將BIM模型導(dǎo)入ArcGIS平臺(tái)，服務(wù)于火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)[17]。BIM用于表示建筑物在設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)全過程中使用和創(chuàng)建的信息[18]，通過信息共享為整個(gè)建筑生命周期的決策奠定可靠的信息基礎(chǔ)。CIM從建筑尺度擴(kuò)展到城市，實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維全鏈條的信息管理，從而解決城市信息孤島問題，將城市不同階段的數(shù)據(jù)鏈接以改變城市治理的模式[1]。隨著IoT技術(shù)日益成熟，其與 BIM、GIS一并成為 CIM 的關(guān)鍵技術(shù)支持并融入CIM中[19,20]。隨著對(duì)CIM相關(guān)技術(shù)研究的不斷深入，關(guān)于數(shù)據(jù)融合[3,15]、可視化[21]、三維建模[22-26]等相關(guān)技術(shù)也都有所進(jìn)展。

2 概念內(nèi)涵解析

2.1 CIM的定義

CIM的定義總體可分為兩方面：1)從目標(biāo)理解，強(qiáng)調(diào)通過智能建模提升城市治理能力。吳志強(qiáng)院士將 CIM解釋為城市智能模型(City Intelligent Model)，認(rèn)為城市智能模型在城市信息模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步賦予了智能(intelligent)目標(biāo)，其內(nèi)涵不僅指城市信息模型中海量數(shù)據(jù)的收集、儲(chǔ)存和處理，更強(qiáng)調(diào)基于模型解決發(fā)展過程中的問題[8]；Zingariello 將CIM定義為城市智能建模，有助于清楚顯示有關(guān)的城市信息以及城市進(jìn)程的所有參與者共享設(shè)計(jì)[7]；Lehner等將CIM視作城市尺度的數(shù)字孿生體，期望CIM可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型和物理實(shí)體間的智能交互[27]。2)從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理解，認(rèn)為CIM是三維數(shù)字空間的城市信息有機(jī)綜合體[28]，是一種跨學(xué)科、跨部門的空間數(shù)據(jù)模型生成方法[4]。在CIM的實(shí)踐中這兩方面含義都有充分體現(xiàn)。2017年雄安新區(qū)在物理城市大規(guī)模建設(shè)開始前就啟動(dòng)了包括CIM在內(nèi)的數(shù)字城市支撐系統(tǒng)建設(shè)，為基于虛實(shí)映射的人民城市自組織、自適應(yīng)能力的形成打下基礎(chǔ)，劉春成將雄安CIM定義為城市信息模型、城市智能模型、城市智能治理三層含義[13]。

隨著CIM實(shí)踐不斷開展，對(duì)CIM的期望已經(jīng)超出三維信息綜合體的概念，其不僅可以記錄和分析現(xiàn)狀并發(fā)現(xiàn)問題，也強(qiáng)調(diào)基于三維模型分析和模擬未來。本文結(jié)合CIM的不同維度及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為CIM是數(shù)字孿生城市的支撐系統(tǒng)，通過構(gòu)建城市尺度的數(shù)字孿生體匯聚城市的全時(shí)空信息，記錄、分析、模擬城市的過去、現(xiàn)狀、未來以及地上、地表、地下，以數(shù)字化再現(xiàn)真實(shí)城市，以便支撐城市的規(guī)劃系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)、公共服務(wù)系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，形成新的社會(huì)參與方式和智能治理模式。

2.2 CIM的定位

CIM是數(shù)字孿生城市的支撐系統(tǒng)，匯集城市全要素、全流程信息，輔助智能規(guī)劃設(shè)計(jì)和現(xiàn)代化治理，并不是簡(jiǎn)單信息化和計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的堆砌，而是實(shí)現(xiàn)社會(huì)需求、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源局限三大維度的協(xié)同。以新技術(shù)平衡經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、社會(huì)文化需求、土地和人才等資源局限之間的矛盾，構(gòu)建以人為核心、充滿人文關(guān)懷的城市系統(tǒng)，服務(wù)數(shù)字中國(guó)和智慧社會(huì)。為平衡各維度需求之間的關(guān)系，CIM的技術(shù)需要更敏捷感知城市運(yùn)行狀態(tài)，更準(zhǔn)確識(shí)別城市問題，更多元方式公眾參與，從而提升土地利用效率和人才的匹配程度，以更低的成本實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境及文化的保護(hù)，產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展(圖2)。

圖2 CIM定位示意Fig.2 Schematic diagram of the role of CIM

3 技術(shù)體系解析

CIM建設(shè)是一項(xiàng)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域、跨部門的系統(tǒng)性工程，需要從全局出發(fā)，以人的需求為導(dǎo)向，通過數(shù)據(jù)治理、智能模型分析、人機(jī)交互技術(shù)的綜合集成，形成由這“三大體系”共同構(gòu)成的“人機(jī)協(xié)同”技術(shù)體系框架(圖3)。這三大體系的技術(shù)之間以系統(tǒng)工程為指導(dǎo)，正如錢學(xué)森先生所說，系統(tǒng)工程是“組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃”[29]。復(fù)雜系統(tǒng)理論成為認(rèn)識(shí)數(shù)字孿生城市的重要思想工具，系統(tǒng)工程和復(fù)雜系統(tǒng)理論為CIM建設(shè)提供哲學(xué)思路，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)決策到智能決策再到智慧決策的提升。新型基礎(chǔ)設(shè)施是CIM最底層的設(shè)施，包含邊緣計(jì)算、超級(jí)計(jì)算、云計(jì)算、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，為CIM的數(shù)據(jù)采集/融合/管理、人工智能計(jì)算分析和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality)/虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality)提供服務(wù)。在思想方法的統(tǒng)一認(rèn)知以及城市共同建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施支撐之上，構(gòu)建相互作用的開放、共建、共享的三個(gè)技術(shù)體系，每個(gè)體系通過關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)處理、分析、互動(dòng)等逐漸提升的目標(biāo)。

圖3 CIM平臺(tái)的技術(shù)體系框架Fig.3 Technical framework of CIM

3.1 數(shù)據(jù)治理體系目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)是CIM運(yùn)行的根本，其底層首先要建立一個(gè)數(shù)據(jù)治理體系，完成海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)從采集、融合、存儲(chǔ)、服務(wù)為一體的數(shù)據(jù)治理。其中每個(gè)環(huán)節(jié)均涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，保證城市實(shí)現(xiàn)從宏觀到微觀、從地上到地下、從過去到未來的多場(chǎng)景展示和分析，作為建設(shè)全覆蓋、全要素、綜合服務(wù)的數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)。

(1)綜合采集，實(shí)現(xiàn)多源匯聚。數(shù)據(jù)采集相關(guān)技術(shù)是數(shù)據(jù)治理體系的基礎(chǔ)，從CIM所需數(shù)據(jù)類型入手，明確不同類型數(shù)據(jù)需要的采集技術(shù)。參考《城市信息模型CIM基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)導(dǎo)則》(修訂版)，CIM主要數(shù)據(jù)分類為時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源調(diào)查與登記數(shù)據(jù)、規(guī)劃管控?cái)?shù)據(jù)、項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)、公共專題數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)采集技術(shù)如圖4所示。時(shí)空基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、資源調(diào)查與登記數(shù)據(jù)采集通過航天遙感、航空攝影測(cè)量、地面三維激光掃描、多源定位技術(shù)以及資料收集等技術(shù)共同完成。前兩種技術(shù)便于獲取大范圍城市數(shù)據(jù)，地面三維激光掃描生成城市要素的三維模型，適用于單體建筑或小規(guī)模高精度三維物體采集；通過定位技術(shù)確定模型、地圖等數(shù)據(jù)的空間位置，將資料收集的結(jié)果作為補(bǔ)充和驗(yàn)證。規(guī)劃管控和項(xiàng)目管理兩類數(shù)據(jù)主要涉及規(guī)劃成果以及流程數(shù)據(jù)，以資料收集和錄入為主。公共專題數(shù)據(jù)包含人口、地址、經(jīng)濟(jì)、法人等數(shù)據(jù)，一方面可通過統(tǒng)計(jì)、公安等口徑的資料收集獲取，同時(shí)也可通過移動(dòng)設(shè)備獲取，與定位技術(shù)相關(guān)。隨著傳感器鋪設(shè)增多，可輕易獲取建筑狀態(tài)、交通、氣象、環(huán)境質(zhì)量等相關(guān)感知數(shù)據(jù)，物聯(lián)感知技術(shù)指用于物聯(lián)網(wǎng)底層感知信息的技術(shù)，包括射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)、傳感器技術(shù)、多媒體信息采集技術(shù)及二維碼技術(shù)等。

圖4 數(shù)據(jù)類型及對(duì)應(yīng)采集技術(shù)Fig.4 Data types and corresponding collection techniques

(2)數(shù)據(jù)融合，解決異構(gòu)性。數(shù)據(jù)融合是將多源數(shù)據(jù)集成的一個(gè)多環(huán)節(jié)過程。數(shù)據(jù)采集后，相同語(yǔ)義的信息(如建筑物、人口、企業(yè)等)往往存儲(chǔ)于不同信息化系統(tǒng)或資料中，因設(shè)計(jì)單位、錄入時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)要求不同，相同語(yǔ)義的信息也會(huì)出現(xiàn)或多或少的異構(gòu)性，為保證CIM使用數(shù)據(jù)的一致性和權(quán)威性，必須基于統(tǒng)一的語(yǔ)義數(shù)據(jù)資源目錄體系，經(jīng)過數(shù)據(jù)抽取、清洗、轉(zhuǎn)換、輕量化和融合等階段，形成標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫(kù)，作為CIM的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具體數(shù)據(jù)融合處理流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)融合處理流程Fig.5 Flowchart of data fusion processing

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，解決存取需求。數(shù)字孿生城市需要處理的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)分布式、高性能、高吞吐態(tài)勢(shì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)面向需求有不同的發(fā)展方向，總體可分為基礎(chǔ)存儲(chǔ)技術(shù)及服務(wù)不同數(shù)據(jù)格式的應(yīng)用型存儲(chǔ)技術(shù):前者包括分布式存儲(chǔ)(可應(yīng)對(duì)超大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)問題)和軟件定義存儲(chǔ)(可克服硬件的局限)，是存儲(chǔ)技術(shù)突破的兩個(gè)方向，對(duì)CIM均具有很高的應(yīng)用價(jià)值；后者針對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)格式對(duì)應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)(relational database)，非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)可使用非關(guān)系型(NoSQL)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4)數(shù)據(jù)服務(wù)，保證數(shù)據(jù)共享。數(shù)據(jù)服務(wù)包含數(shù)據(jù)索引、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布等相關(guān)技術(shù)，使存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以被快速調(diào)用。數(shù)據(jù)索引針對(duì)表格、圖片、矢量、柵格、三維模型等不同類型數(shù)據(jù)，分別建立數(shù)據(jù)庫(kù)索引，形成數(shù)據(jù)和索引之間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，保證數(shù)據(jù)庫(kù)表中每類數(shù)據(jù)的唯一性，提高數(shù)據(jù)檢索速度，加快庫(kù)表之間的連接速度，從而提高數(shù)據(jù)庫(kù)使用效能。數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布基于數(shù)據(jù)資源目錄以接口、文件、數(shù)據(jù)庫(kù)3種方式提供，數(shù)據(jù)使用方可通過申請(qǐng)方式或訂閱方式自動(dòng)獲取所需數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定、高效的共享。

3.2 智能模型體系目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

智能模型體系目標(biāo)是模擬真實(shí)城市狀態(tài)并進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)。一是以三維模型構(gòu)建虛擬城市，從而易觀察和感知城市；二是通過空間編碼的形式，將城市數(shù)據(jù)與三維模型連接，作為數(shù)據(jù)分析和算法模型的構(gòu)建基礎(chǔ)；三是以智能算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析，發(fā)現(xiàn)城市的規(guī)律，輔助城市運(yùn)行。模型以某種形式對(duì)系統(tǒng)中所求解問題的本質(zhì)屬性進(jìn)行描述，用以揭示系統(tǒng)中所求問題及其變化規(guī)律[30]。計(jì)算機(jī)通過一組參數(shù)及其相互關(guān)系描述問題，以總結(jié)過去、評(píng)價(jià)現(xiàn)狀并推演未來。

(1)三維建模，輔助全息感知。城市三維模型需進(jìn)行分級(jí)和分類處理。分級(jí)方面涉及模型精度，如白模、貼圖精模、分層分戶精模、構(gòu)件精模等多種類型的三維模型能滿足不同場(chǎng)景下的應(yīng)用需求。為保證顯示效果和屬性信息的有效表達(dá)，大尺度場(chǎng)景幾何數(shù)據(jù)和屬性信息的精度較低，隨著場(chǎng)景縮小，平臺(tái)可展示更多細(xì)節(jié)；不同精度等級(jí)所表達(dá)的幾何信息、材質(zhì)信息和屬性信息需結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)城市子系統(tǒng)，城市三維模型可按不同標(biāo)準(zhǔn)分類，如按照要素可分為十大類：城市地形模型、水利三維模型、建筑三維模型、文保單位三維模型、交通三維模型、管線管廊三維模型、場(chǎng)地三維模型、地下空間三維模型、植被三維模型以及城市家居三維模型。

(2)編碼服務(wù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射。編碼服務(wù)是將物理城市的信息映射到數(shù)字城市。一方面要打造城市全覆蓋的數(shù)字物體編碼(包括物體編碼規(guī)則和標(biāo)識(shí)解析技術(shù))體系(數(shù)字標(biāo)識(shí))，能為各部門、各行業(yè)、各系統(tǒng)平臺(tái)的物體對(duì)象統(tǒng)一分配全球唯一的數(shù)字標(biāo)識(shí)。另一方面要建構(gòu)空間編碼體系，通過編碼將物體對(duì)象準(zhǔn)確定位到空間，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的空間匹配?，F(xiàn)已有不同類型的空間單元編碼，主要包含管理單元、規(guī)劃單元和不動(dòng)產(chǎn)單元，分別對(duì)應(yīng)各自的管理網(wǎng)格編碼方法，為統(tǒng)一空間編碼，需將空間圖層疊合比對(duì)，找到空間劃分的最小單元。將空間編碼與標(biāo)準(zhǔn)地址進(jìn)行關(guān)聯(lián)，基于空間編碼的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)規(guī)則建立跨部門數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)紐帶，作為CIM建設(shè)的基礎(chǔ)。

(3)算法模型，實(shí)現(xiàn)推演仿真。算法模型以基礎(chǔ)算子(如疊加、裁剪、空間關(guān)聯(lián)分析等)為支撐，組成空間分析計(jì)算、仿真模擬等更綜合的模型。通用空間分析是疊加多種算子，對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析及結(jié)果展示，包含基于實(shí)體關(guān)聯(lián)有向圖的深度查詢以及水文分析、可視性分析、日照分析與視覺景觀分析等。仿真模擬指對(duì)現(xiàn)實(shí)地理空間和方案進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，預(yù)測(cè)不同場(chǎng)景下的發(fā)展趨勢(shì)，涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、空間深度學(xué)習(xí)等多類人工智能技術(shù)。預(yù)測(cè)空間結(jié)構(gòu)和分類特征的K近鄰分類法、決策樹分析法、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林等算法以及模擬/分析城市系統(tǒng)特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳算法等為城市信息的挖掘提供了更智能高效的方法，提高了多場(chǎng)景預(yù)測(cè)的能力。

3.3 人機(jī)交互體系目標(biāo)及關(guān)鍵技術(shù)

CIM為服務(wù)人的需求，要建立良好的人機(jī)交互機(jī)制。首先要構(gòu)建軟件架構(gòu)，保證基本的可視化、搜索、用戶使用等功能；其次要滿足CIM的安全、平穩(wěn)、二次開發(fā)等使用需求，保證不同業(yè)務(wù)的需要；三是構(gòu)建平臺(tái)的集成架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源的靈活組合、快速調(diào)用，使CIM可在高效靈活的框架下運(yùn)作，并通過前端交互滿足友好使用之需。

(1)引擎服務(wù)，構(gòu)建軟件基礎(chǔ)架構(gòu)。CIM需要不同類型的引擎支撐功能，包括GIS引擎、BIM引擎、IoT引擎、渲染引擎、搜索引擎、地址引擎等，均為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的核心組件。GIS+BIM引擎支持在CIM中的GIS服務(wù)發(fā)布、管理與聚合能力，包括三維數(shù)據(jù)發(fā)布和瀏覽、三維空間分析，支持各終端的服務(wù)訪問及多層次的擴(kuò)展開發(fā)，如高性能跨平臺(tái)的GIS引擎能深度融合云原生架構(gòu)；IoT引擎常用規(guī)則引擎技術(shù)，通過解析業(yè)務(wù)規(guī)則，統(tǒng)一數(shù)據(jù)輸入；三維渲染引擎是一種底層圖形處理工具，支持高層的圖形軟件開發(fā)，主要分為實(shí)時(shí)三維渲染引擎和離線三維渲染引擎，實(shí)時(shí)三維渲染引擎主要用于漫游等場(chǎng)景中三維畫面的生成，在CIM中應(yīng)用更多。

(2)業(yè)務(wù)服務(wù)，滿足多樣化功能需要。業(yè)務(wù)服務(wù)提供平臺(tái)的安全管理、運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、平臺(tái)開發(fā)接口等功能，各部門可根據(jù)具體業(yè)務(wù)需求，選取并組合必要的功能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)在不同場(chǎng)景中的業(yè)務(wù)能力復(fù)用。安全管理涵蓋數(shù)字水印、訪問控制、數(shù)字簽名等技術(shù)；運(yùn)維管理涵蓋服務(wù)監(jiān)控、故障管理、容量管理等通用服務(wù)；數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增值，包括數(shù)據(jù)全景展示、數(shù)據(jù)價(jià)值評(píng)估、隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)確權(quán)與溯源等服務(wù)，是數(shù)據(jù)資產(chǎn)化管理的最重要體現(xiàn)；開發(fā)管理提供二次開發(fā)服務(wù)接口(API)和開發(fā)工具包(SDK)。

(3)集成技術(shù)，解決海量數(shù)據(jù)處理與互動(dòng)。集成技術(shù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)資源的靈活組合、快速調(diào)用，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。CIM的集成可通過分布式、云原生、微服務(wù)的方式實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建數(shù)據(jù)、技術(shù)、業(yè)務(wù)的松耦合系統(tǒng)。分布式架構(gòu)為CIM的整體集成提供了新路徑，城市數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)等都可通過分布式方式進(jìn)行組織，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可用性。CIM未來不是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，而是將數(shù)據(jù)、模型和服務(wù)存儲(chǔ)于云端，平臺(tái)基于云設(shè)計(jì)，即云原生技術(shù)。微服務(wù)是一種以業(yè)務(wù)功能為主的服務(wù)設(shè)計(jì)概念，每項(xiàng)服務(wù)都具有自主運(yùn)行的業(yè)務(wù)功能，對(duì)外開放不受語(yǔ)言限制的API，應(yīng)用程序則是由一個(gè)或多個(gè)微服務(wù)組成，每項(xiàng)業(yè)務(wù)能力被當(dāng)成一個(gè)可裝配的積木塊，在不同的場(chǎng)景下可重復(fù)調(diào)用，這些技術(shù)之間相互關(guān)聯(lián)并相輔相成，共同構(gòu)成服務(wù)海量數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)需要的平臺(tái)架構(gòu)。人機(jī)互動(dòng)通過前端交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)，包含端口和協(xié)議，常用的端口方式為命令行界面(Command Line Interface，CLI)、圖形用戶界面(Graphical User Interface，GLI)，現(xiàn)在逐漸流行通過語(yǔ)音、視覺甚至腦電波交互方式。

4 發(fā)展趨勢(shì)解析

CIM是數(shù)字孿生城市支撐系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外都在不斷推進(jìn)CIM建設(shè)，本文分析實(shí)踐案例中每個(gè)層級(jí)中的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)(表2)。

表2 國(guó)內(nèi)外CIM實(shí)踐探索的趨勢(shì)匯總Table 2 Summary of trends of CIM construction practices at home and abroad

總體而言，國(guó)外相關(guān)平臺(tái)更關(guān)注多主體參與、VR互動(dòng)、面向未來的推演，我國(guó)現(xiàn)階段更關(guān)注三維模型和感知網(wǎng)絡(luò)的建立，也在同步構(gòu)建仿真模擬等人工智能模型，以預(yù)測(cè)城市未來發(fā)展趨勢(shì)。CIM融合了互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、3D GIS以及人工智能(AI)、區(qū)塊鏈等諸多技術(shù)，使CIM平臺(tái)技術(shù)能力向海量數(shù)據(jù)分析、智慧推演預(yù)測(cè)、用戶功能開放演進(jìn)。

4.1 海量空間數(shù)據(jù)訪問分析速度加快

未來CIM面臨PB級(jí)以上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析工作，需提升海量數(shù)據(jù)訪問、存儲(chǔ)、分析處理的速度。1)不斷更新、提升硬件技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)，采用分布式、云邊結(jié)合技術(shù)提升數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。2)推廣完善數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，包括三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，建立可跨平臺(tái)使用的三維數(shù)據(jù)格式，滿足主流的Esri、Rvit、Bentley、達(dá)索等系統(tǒng)使用，如目前OGC/IFC標(biāo)準(zhǔn)就是很好的嘗試；空間編碼標(biāo)準(zhǔn)，建立全國(guó)甚至全球統(tǒng)一的物體編碼和空間編碼，可快速通過空間編碼檢索到對(duì)應(yīng)的空間位置信息以及通過空間編碼迅速檢索到物體，并實(shí)現(xiàn)計(jì)算和分析；管理標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一平臺(tái)的用戶管理、運(yùn)維管理、安全保障的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)未來跨平臺(tái)融合數(shù)據(jù)都有重要意義。

4.2 人工智能算法推演預(yù)測(cè)能力加強(qiáng)

CIM不是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、空間數(shù)據(jù)三維可視化平臺(tái)，未來核心能力是通過深度學(xué)習(xí)、加強(qiáng)學(xué)習(xí)等智能算法模擬城市的發(fā)展規(guī)律，提高城市決策的科學(xué)性，減少城市發(fā)展中的試錯(cuò)成本。將城市的海量數(shù)據(jù)以數(shù)字化方式記錄和分析，以歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為支撐，通過仿真模型的構(gòu)建，預(yù)演未來可能發(fā)生的情況，進(jìn)行多場(chǎng)景模擬。

CIM的智能模型體系未來將會(huì)向開放的智能模型庫(kù)方向發(fā)展，以開源的形式共同構(gòu)建服務(wù)城市規(guī)律的模型，并集合大眾智慧不斷更新算法。主要的算法模型包括：1)仿真模型，根據(jù)物聯(lián)感知、移動(dòng)設(shè)備等實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)模擬現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，如利用交通數(shù)據(jù)模擬三維交叉口的通行狀態(tài)；2)預(yù)警模型，根據(jù)歷史和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)分析未來是否達(dá)到警戒值，如人口增長(zhǎng)預(yù)警、土地開發(fā)量預(yù)警、暴雨災(zāi)害推演等；3)綜合決策模型，為城市開發(fā)保護(hù)決策提供支撐，如土地價(jià)值評(píng)估、可持續(xù)發(fā)展評(píng)估模型等。

4.3 公眾參與及開放共享服務(wù)水平提升

CIM需要服務(wù)城市多元主體，包括政府、企業(yè)、個(gè)人等，推動(dòng)城市決策的公平參與能力提升。城市的多元主體在規(guī)劃、建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)的各階段都能通過CIM充分表達(dá)自己的想法，提供自己的智慧。同時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)、加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)也使得用戶可通過“手勢(shì)”“語(yǔ)音”“視覺”“姿勢(shì)”“感知”等方式與機(jī)器進(jìn)行互動(dòng)，手機(jī)端、智能手表、智能眼鏡的應(yīng)用使共享隨時(shí)隨地發(fā)生。

平臺(tái)數(shù)據(jù)與算法服務(wù)均呈現(xiàn)開放共享的特點(diǎn)。一方面，區(qū)塊鏈改變了傳統(tǒng)信用體系，通過加密算法讓數(shù)據(jù)具有天然的可行性并保護(hù)隱私，讓公眾都有可能參與城市數(shù)據(jù)、算法模型的生產(chǎn)、使用和修正，這將大大提高CIM的開放程度，提升平臺(tái)活力。另一方面，開放數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)的支撐使平臺(tái)本身在開源的環(huán)境中逐漸發(fā)展完善，使其具有成長(zhǎng)能力和自我完善能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從研發(fā)背景、概念內(nèi)涵、定位等方面的解析表明，CIM建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，需要從全局出發(fā)，以人的需求為導(dǎo)向，通過數(shù)據(jù)治理、智能模型分析、人機(jī)交互技術(shù)的綜合集成，形成由“三大體系”共同構(gòu)成的“人機(jī)協(xié)同”技術(shù)體系框架。其中，數(shù)據(jù)治理體系涵蓋數(shù)據(jù)采集、融合、存儲(chǔ)、服務(wù)等各階段相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)權(quán)威、統(tǒng)一的城市數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建以及快捷調(diào)用；智能模型體系涉及三維建模、編碼服務(wù)、算法模型相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市運(yùn)行狀態(tài)模擬和預(yù)測(cè)，輔助科學(xué)決策；人機(jī)交互體系實(shí)現(xiàn)軟件平臺(tái)建設(shè)，服務(wù)人的感知和使用，包括GIS、BIM和IoT 等引擎服務(wù)技術(shù)和安全管理、運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、平臺(tái)開發(fā)接口等業(yè)務(wù)服務(wù)技術(shù)以及分布式、云原生、微服務(wù)等集成技術(shù)，這些技術(shù)共同構(gòu)成CIM的技術(shù)體系，均以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在數(shù)字孿生城市建設(shè)中發(fā)揮作用。CIM作為數(shù)字孿生城市的支撐系統(tǒng)之一，這些關(guān)鍵技術(shù)共同作用，將城市的微觀與宏觀、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、過去/現(xiàn)在與未來的信息有機(jī)融合，為新型智慧城市建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)，對(duì)未來城市治理有不可估量的價(jià)值[34]。面向未來，關(guān)鍵技術(shù)體系體現(xiàn)海量數(shù)據(jù)分析、智慧推演預(yù)測(cè)、用戶功能開放的發(fā)展趨勢(shì)，為CIM向以人為本和科學(xué)決策發(fā)展提供支撐。