以CIM技术构建数字孪生-智慧城市建设最有效途径

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以CIM技术构建数字孪生智慧城市建设最有效途径

CIM是何方神圣

CIM的定义

◾️从时间上看:

CIM是智慧城市建设的数字化模型,可以还原城市过往、记录城市现状、推演城市未来,在纵向上编织城市图景。

◾️从空间上看:

与传统基于GIS的数字城市相比精度更高:CIM将数据颗粒细化到了建筑内部的每一个最小构件(比如建筑内的一截管道或一扇门),并且联合物联网将传统静态的数字城市升级为可感知、动态在线、虚实交互的数字孪生城市。与BIM(建筑信息模型)相比应用场景更大:CIM不止包含一幢或几幢建筑,它将一个城市大到地理环境,小到监控摄像;上到摩天大楼,下到地下空间全部囊括在内。

CIM的组成

◾️从架构上看:

CIM平台主要由模型数据源采集、模型平台构建、数据呈现与模型渲染三大部分构成。其中,多源模型数据采集是模型平台构建的基础,模型平台是数字孪生城市运行“骨架”(信息载体),实时数据呈现与模型渲染是模型赋能业务的核心基础。

CIM平台示意图

◾️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在三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、区块链等技术,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,涵盖多源数据的融合、数据时空化、数据服务化,实现基于统一时空基础的规划、分析和决策。

CIM的政策背景

在新基建背景下,政府的相关政策出台为本就炙手可热的CIM提供了政策支持:国家发改委19年10月发布的《产业结构调整指导目录》将基于大数据、物联网、GIS 等的城市信息模型(CIM)相关技术和建筑信息模型(BIM)相关技术开发与应用列为鼓励类产业。住建部2018年发布《“多规合一”业务协同平台技术标准》,要求有条件的城市,可在BIM应用的基础上建立城市信息模型(CIM)。基于统一的城市空间及管网、道路等城市基础设施的布局,在“多规合一”业务协同平台中协调景观风貌,进行多方案比选、红线和控高分析、视域分析、通视分析、日照分析等合规性比对,并通过仿真模拟和分析,进一步优化设计方案。近期(至2020年)可应用虚拟现实(VR)、城市信息模型(CIM)、大数据技术,建立规划、建设、管理精细化应用模型,拓展平台精细化管理功能,提升城市管理和服务水平。

CIM的试点城市

近期,住建部已经启动了CIM(城市信息模型)平台建设的试点工作,首批试点城市包括南京、北京城市副中心、广州、厦门、雄安新区,旨在逐步促进工程建设项目规划、设计、建设、管理、运营全周期一体联动,不断丰富和完善城市规划建设管理数据信息,为智慧城市管理平台建设奠定基础。

雄安新区:“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设,适度超前布局智能基础设施,打造全球领先的数字城市”。数字雄安建设最重大的创新是,在建设物理城市的同时通过万物互联感知,汇集多方数据搭建城市智能模型,形成与新区同生共长的数字孪生城市,使雄安新区成为世界上第一个从城市原点就开始构建全数字过程的城市。雄安新区是数字城市与现实城市同步规划、同步建设的城市,两种城市建设开展互动,打造数字孪生雄安和智能雄安。广州市:印发《广州市信息化发展第十三个五年发展规划(2016-2020年)》,加快新型智慧城市建设,包括:

智慧政府:95%政务服务事项网上办,“信息整合、公共服务、商业运营“三位一体的公共服务体系运作模式基本形成。

智慧城管:建视频资源管理云平台,建设“多规合一”信息联动平台。

智慧交通:促核心区路况精细化监控,建设完善智慧交通综合业务平台,建设完善智慧公共交通系统。

智慧医疗: 促电子病历等数据库融合,构建人口健康数据库,打造“云健康”服务平台。

智慧社区:推动公共服务重心下社区,推动各项公共服务重心下沉至社区,建设社区公共服务综合信息平台。

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CIM为何能支撑智慧城市建设

CIM以城市信息数据为基础

基于统一的空间坐标,形成包含时序化基础三维时空数据、物联网实时感知数据、及本地特色扩展数据的虚实一体时空数据资源体系,以城市三维数据库、GIS信息库、BIM模型库、城市规划、城市建设、城市其它主题数据为基础,构建涵盖地上地下、室内室外的全要素城市信息模型(CIM)基础信息库。CIM基础信息库作为城市数据体系的基底,将服务于融合、集成、分发城市各类多源异构数据与满足城市各项应用所需。

CIM是构建智慧城市“一张图”关键载体

CIM是以“多规合一”业务协同平台为核心,支撑“多规合一”、一张图、工程电子报批报建、建筑信息模型数据的规划建设管理综合体。通过对城市规划、环境、市政、产业等各项规划数据的整合,实现城市规划一张图。

CIM是新型智慧城市管理的核心支撑

CIM通过对城市级别的决策与建设过程的详实数据的积累,可以支持新型智慧城市的建设、保障未来的运营维护、实现智慧式城市管理。以量化的管理标准和智能化的管理手段,对城市公共空间实施标准精细、服务到位、运营高效的城市精细化管理。

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CIM如何构建智慧城市建设

传统的城市治理通常具有以下痛点

◾️缺少规划:

缺少深入的定制化研究,导致“千城一面”,缺乏城市思维。以经验进行规划,导致落地性差、生态性差。以项目思维方式做,短期性强。

◾️过分统一:

一味的追求 “统一云”,导致初期投资巨大、风险大。统一云思维高度标准化,灵活性、落地性低,遏制了智慧元素的自发能动性,投资周期长。

◾️技术瓶颈:

传统软硬件技术面对大型智慧系统存在明显技术瓶颈,缺少分布式、大数据、人工智能、高效能数据传输的支持。

◾️缺乏调度:

以软硬件系统项目思维执行,未从短期-长期的战略思维进行全盘考虑,缺少开放性与合作性,未深入研究如何激发智慧城市生态的自发性。

如何打造CIM智慧孪生城市

智慧孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用,通过构建城市物理世界及网络虚拟空间一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统,在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市,实现城市全要素数字化和虚拟化、城市状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化,形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局。

智慧孪生城市既可以理解为实体城市在虚拟空间的映射状态,也可以视为支撑新型智慧城市建设的复杂综合技术体系,它支撑并推进城市规划、建设、服务,确保城市安全、有序运行。

◾️第一阶段:信息化

通过信息化、电子化和数字化,希望建成初步的城市信息化治理与管理系统,这就是信息化阶段,完成基础设施信息化与信息化基础设施。

◾️第二阶段:互联网化

“互联网+政务”,即随着互联网技术的发展,将城市政府的各个委办局、企业应用等连接起来,形成网络化的应用。

◾️第三阶段:智能化

城市建设基础设施云、平台云、应用云等以及物联网、5G等,把更多的数据集合到云上,形成全域城市大数据。

◾️第四阶段:智慧化

以物联网、人工智能、虚拟现实、大数据等技术的综合运用,形成了与物理城市相对应的数字孪生城市,充分利用了前期形成的城市全域大数据,为城市综合决策、智能管理、全局优化等提供平台、工具与手段。

智慧城市发展进程图

智慧城市的功能

◾️智慧城市综合资源数据中心:

以标准和规范体系为依据,以数据库对接和建设为核心,以网络三维GIS 平台为支撑,以网格化数据、信息共享和服务为目标,以标准化的应用接口为其他业务应用系统提供平台和数据服务。

◾️基础服务接口平台:

整合城市各种资源,建立公共服务标准化接口,为各部门业务应用提供标准 API,各部门的业务系统可以无缝接入综合资源数据中心以及无缝对接智慧地图上的数据、操作、工具、应用等,并可方便的进行业务扩展。

◾️城市网格化管理:

城市网格化管理是一种革命和创新。城市网格化依托统一的城市管理以及数字化的平台,将城市管理辖区按照一定的标准划分成为单元网格。这样政府对城市所发生的各类事件可以落实到具体网格,实现了对管理对象在空间、时间和内容上的精确定位。

◾️智慧交通管理:

以促进城市智能交通建设和提供相关问题解决方案为目标,建立城市智能交通应用业务化应用系统,促进城市交通路网和运输服务结构优化,实现城市客运交通的全方位、立体化、网络化、高效率的运转,实现公交线网的动态优化,实现城市客运交通信息的无缝对接,实现对城市客运数据的综合利用与道路交通信息实时发布与诱导。发挥城市公共交通运输的整体优势和综合效率,构建高效、便捷、安全、经济的城市智能交通运输体系。

◾️应急指挥调度:

基于实时数据库及高速三维一体化图形引擎,整合城市各种应急救援力量及市政服务资源,建立集通信、指挥和调度于一体,高度智能化的城市应急指挥调度系统,实现多警种、多部门、多层次、跨地域的统一接警,统一指挥,联合行动,及时、有序、高效地开展紧急救援或抢险救灾行动,保障重大突发事件或自然灾害处理的指挥与部署,保障重大活动的安全保卫和调度,为城市管理和公共安全的科学决策提供信息和通信平台。

◾️智慧市民公共服务:

整合政府相关部门和公共事业单位的相关服务资源和权威信息,为市民公众打造生活服务平台,融合服务网站、手机软件、公共查询机等多种终端,基于三维智慧城市地图,为公众提供医疗、交通、旅游、便民等多方面的位置信息服务。

◾️园区、楼宇安防监控、智慧管网:

利用基于网络的高速三维虚拟实景展现能力,实现面向物联网的智慧园区管理可视化应用,把所有管理对象都置于一个真实的三维世界,实现数据的可视化。整合园区的多种资源,统一展现,提升管理效率;高效准确掌握园区设备设施运行情况;实时监控园区安全运行态势,提高应急响应效率。

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CIM案例分享(智慧泊里)

项目背景

泊里镇位于山东省青岛市西海岸新区西南部,是山东省新生小城市试点镇、全国千强镇,并荣获“全国新型城镇化示范镇”。总面积156平方公里、海岸线长40公里,在新型城镇化进程和推进小城市试点建设过程中,传统的管理和服务模式难以为继。泊里将面临社会精准治理、民生普惠服务、产业转型升级等诸多挑战亟需提升城市承载力。

为推进智慧泊里建设发展,落实《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》、《数字青岛发展规划(2019-2023年)》等国家、山东省、青岛市相关政策文件要求,智耘科技联合国家信息中心制定《智慧泊里建设总体规划(2020-2025年)》、《智慧泊里重点工程建设方案(2020-2025年)》,提出了智慧泊里建设的总体思路、架构设计、主要任务和保障措施,作为未来智慧泊里建设的指导性文件。

项目架构

以“CIM智慧孪生技术”作为智慧泊里体系架构的核心技术,建立泊里镇智慧中枢,实现对城市全要素的数字化、虚拟化及时空可视化,打造物理空间和虚拟空间的孪生互动,为智慧城市各领域内的应用提供交互引擎、业务场景和数据共享平台。在充分利用软硬件设施、系统、数据等资源基础上,构建“11353”总体技术架构,即“一基础、一中台、三平台、五领域、三入口”。

“11353”总体技术架构图

建设目标

以人民为中心,以推进5G、物联网、区块链、人工智能等新一代信息技术在泊里经济社会的全面深入应用为主线,以CIM为技术核心全面布局智慧设施、建设智慧中枢、优化空间管理、构建智慧政府、推进智慧生活、发展智慧产业、推进城乡融合等为重点,按照“基础先行、民生优先、重点突破、协同发展”的原则,在总体规划文件指导下,智慧泊里建设分为夯实基础(2020-2021年)、优化提升(2022-2023年)、融合创新(2024-2025年)三个阶段,各阶段有序衔接、迭代升级、循环演进,逐步迈向成熟。一张蓝图绘到底、干到底。

建设流程示意图

现阶段建设成果

◾️智慧孪生CIM基础信息平台:

形成包含时序化基础三维时空数据、物联网实时感知数据及本地特色扩展数据的虚实一体时空数据资源体系,构建全要素的城市信息模型(CIM)基础信息库,为全镇城市建设、拆迁管理、综合执法、公共治安等各领域应用提供统一的“空间一张图”,全面辅助城市规划建设与决策分析。初步形成BSN区块链数字孪生ID,为智慧泊里重要数据上链提供基础支撑。

◾️数据中台+政务通:

形成基本的基础数据技术支撑和数据综合治理能力,建立数据接入与共享交换标准,实现跨规口数据共享与业务流转。同时打造政务协同平台,完成智能内务、电子公文流转、初步实现无纸化办公和政务办公网上协同;打通社会治理、综合执法、政务服务、党建等系统,对政务服务数据进行留存并入库,实现对政务领域各应用系统和数据分析平台的统一访问。

◾️规建管一体化:

基于CIM基础信息平台,统筹泊里镇国土空间规划、建设施工、运营管理的业务流程,打通规划、建设、运营之间的数据通道。建设规建管一体化平台实现新城规划、建设、管理全过程的数字资源集中管理与应用,信息互通与共享、规建管一体化理念贯穿新区规划设计、建设开发、管理运营各阶段。以数据化、可视化、智能化的方式,精准高效的辅助决策者、管理者、参与者为城市规划、建设、管理全过程赋能,全面提升城市规划、建设、运行管理一体化运作水平。从而实现城市“规划一张图、建设一张网、管理一盘棋、BIM一示范”。

◾️案例视频:

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CIM未来可期

随着科技创新加速社会发展步入数字化新时代,CIM平台是智慧城市建设的数字化模型,也是城市建设管理全流程智慧应用的支撑性平台,它涵盖“规建管”全过程,有效地避免了城市发展过程中的重复建设、数据孤岛、缺乏顶层规划等一系列问题。并基于CIM平台的不断发展演进,构建“数字孪生城市”,智慧城市建设需要综合考虑技术因素和人因素,需要更智慧的方式。智慧城市是未来城市发展的方向,通过迈向未来,将改善我们与城市互动的方式,也将改变我们的生活方式,智慧城市,将是我们进入未来科技时代的第一步。

出处: 公众号“智耘城市”2020-09-24

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