1、數(shù)字孿生技術與工程實踐第5章 基于數(shù)字孿生的智能建造與智慧城市引言工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)中，對于工廠廠房、基礎設施等的建模是基于BIM（Building Information Sytem，建造信息模型）技術的。廠房建筑可以看作是一種特殊的“產(chǎn)品”，和工業(yè)產(chǎn)品不同，建筑是單件設計、單件施工并且一般是在現(xiàn)場建造的，因此，建筑規(guī)劃、建筑設計、建筑施工和一般的工業(yè)產(chǎn)品設計、制造不同，有其自己的特點?！爸悄芙ㄔ臁本褪且灾悄芑慕ㄔ焓┕楸尘?，研究信息技術、智能技術在建筑設計、施工、維護等全生命周期應用的技術總稱。伴隨著智能制造領域對工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)的深入應用，數(shù)字化交付、工廠BIM、智能建造等概念逐漸為廣大

2、工廠業(yè)主接受，并且也逐漸推廣到商業(yè)、民用建筑領域。數(shù)字孿生可以為智能建造帶來新的解決方法，提高信息化、智能化的水平。從產(chǎn)品到工廠，由于對象復雜程度不同，涉及的要素不同，其數(shù)字孿生系統(tǒng)的組成、實施方案、實施難度也不同。相比工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)和建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)更加復雜的是城市數(shù)字孿生系統(tǒng)。城市運行系統(tǒng)是一個典型的復雜巨系統(tǒng)，其數(shù)字孿生系統(tǒng)的構建，不同于產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)和工廠數(shù)字孿生系統(tǒng)，需要更加注重數(shù)據(jù)和模型基礎庫的建設，通過不斷豐富數(shù)字孿生服務功能，滿足多領域、多業(yè)務場景的應用需求。目錄5.1 基于數(shù)字孿生的智能建造5.2 基于數(shù)字孿生的智慧城市5.3 數(shù)字孿生城市應用案例5.1 基于數(shù)字孿生的智

3、能建造建筑和工業(yè)產(chǎn)品的不同建筑對象和工業(yè)產(chǎn)品對象不同，表現(xiàn)在兩個主要方面：單件定制化。建筑是典型的單件設計、單件施工的“產(chǎn)品”，每個建筑物都不同。即使類似的兩棟建筑，由于其地理位置不同，環(huán)境不同，其地下基礎結構方案、施工方案可能也是各不相同的長使用周期。建筑的生命周期從規(guī)劃設計、勘探、施工建造、使用、管理、維護直到報廢，時間跨度會有幾十甚至上百年，期間會有涉及到不同的設計、施工、使用、運維單位，如何保證信息的暢通和共享是一個難題。建筑信息模型（BIM）歷史BIM（Building Information Model，建筑信息模型）的思想由來已久20世紀60年代，CAD（Computer Aid

4、ed Design，計算機輔助設計）技術開始出現(xiàn)。到了70年代，被稱為“BIM之父”的Chuck Eastman教授就提出未來將會出現(xiàn)可以對建筑物進行智能模擬的計算機系統(tǒng)，并將這種系統(tǒng)命名為“Building Description System”（建筑描述系統(tǒng)）20世紀90年代出現(xiàn)Building Information Modeling概念美國Autodesk公司于2002年首次提出BIM解決方案，推出了相應的Revit和Civil 3D軟件，美國Bentley公司基于全信息建筑模型（Single Building Model, SBM），推出了MicroStation Architect

5、ure2006年左右，BIM在各國開始得到應用美國于2007年發(fā)布了國家BIM標準(National Building Information Modeling Standard)，作為BIM相關研究及開發(fā)的參考2009年，日本開始將BIM技術大量應用在建筑行業(yè)中2010年，韓國公共采購服務中心（Public Procurement Service，PPS）發(fā)布了韓國BIM路線圖建筑信息模型（BIM）中國2003年發(fā)布的20032008 年全國建筑業(yè)信息化發(fā)展規(guī)劃綱要，標志著BIM 技術在我國建設行業(yè)的應用拉開了帷幕。在2011年住建部發(fā)布2011-2015年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要中首次將BIM

6、技術納入建筑信息化的標準中，接著2013年和2016年相繼推出關于推進建筑信息模型應用的指導意見、2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要，再次明確BIM技術的重要性，BIM成為“十三五”建筑業(yè)重點推廣的五大信息技術之首；在2020 年發(fā)布了住房和城鄉(xiāng)建設部工程質量安全監(jiān)管司 2020 年工作要點，提出“推動 BIM 技術在工程建設全過程的集成應用”2020年8月，住房和城鄉(xiāng)建設部、國家發(fā)展改革委、工業(yè)和信息化部等13個部門聯(lián)合印發(fā)關于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導意見，指導意見提出，加快建筑工業(yè)化升級，加快推動新一代信息技術與建筑工業(yè)化技術協(xié)同發(fā)展，在建造全過程加大建筑信息模型（BI

7、M）、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術的集成與創(chuàng)新應用。BIM的概念和要素BIM的英文全稱可以由兩種寫法，一種是Building Information Model，而另外一種是Building Information Modelling。這兩種寫法代表了不同的理解，Building Information Model表示BIM是一種模型的表示方法，體現(xiàn)在統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一表示方面，而Building Information Modelling表示的是建模和管理的過程，體現(xiàn)在統(tǒng)一流程、對全過程的管理方面。因此，BIM的要素也可以從這兩個方面去理解：（1）完整的模型

8、信息BIM nD模型的概念（2）關聯(lián)的信息BIM中的信息對象是相互關聯(lián)的并且具有可識別的標識。（3）唯一的模型信息（4）全生命周期的跟蹤（5）標準化的表述BIM的作用BIM技術發(fā)揮最大價值是在模型和協(xié)同的兩個方面，通過BIM統(tǒng)一模型支撐、技術支撐和協(xié)同管理支撐來達到協(xié)同應用的高標準。在企業(yè)級應用中能成為企業(yè)運營的關鍵支撐，根據(jù)建設項目，實現(xiàn)項目級應用的信息化管理和跨專業(yè)協(xié)同、多終端系統(tǒng)集成、全過程覆蓋的目標。BIM技術作為智能建造核心技術之一，在設計、施工、運維階段發(fā)揮了重要作用。BIM在建筑整個生命周期管理的過程中發(fā)揮著關鍵作用，不僅是一個可視化的三維模型，而且是一個建筑數(shù)據(jù)的載體。BIM的

9、推廣，除了在技術上解決軟件部署問題外，更大的是需要在組織流程、項目管理上面的革新。而智能建造的提出，就是為了改造建造行業(yè)傳統(tǒng)模式的弊端，促進技術和模式的變革。智能建造背景長期以來，我國建筑業(yè)仍延續(xù)著勞動密集型的組織機制，粗放式的生產(chǎn)管理方式導致施工效率低下、資源浪費嚴重、環(huán)保問題突出、安全事故頻發(fā)、工程質量難以保障等諸多問題， 因此迫切需要向精益化管理模式轉型升級， 實現(xiàn)建筑業(yè)高質量發(fā)展。傳統(tǒng)建造業(yè)已不能滿足新時代的發(fā)展需求，建筑業(yè)向智能化、信息化轉型是必然的發(fā)展趨勢?！爸悄芙ㄔ臁边@一概念逐漸產(chǎn)生并進入關注焦點。建筑業(yè)的智能化是在工業(yè)化和信息化深度融合的背景下發(fā)生的，智能建造的概念是從建筑業(yè)的

10、集成化建設理論開始發(fā)展的。20世紀90年代，有學者開始將制造業(yè)中“計算機集成制造系統(tǒng)”（Computer Integrated Manufacture System, CIMS）的理念引入建筑業(yè)，提出了計算機集成建設CIC（Computer-Integrated Construction）的思想。進入21世紀，隨著BIM理念的推廣和BIM技術的日益成熟，以BIM為技術支撐，對建筑業(yè)實施系統(tǒng)變革的集成化建設理論逐漸成為工程建設領域的研究熱點。其中比較著名的有斯坦福大學的設施集成化工程中心（CIFE）的虛擬設計與施工（Virtual Design and Construction, VDC）理念，

11、以及英國Salford大學提出的nD（n Dimension)理論。智能建造概念和要素智能建造是在信息化、工業(yè)化高度融合的基礎上，將新一代信息技術、智能技術與先進設計施工技術貫徹于工程建造的決策、設計、生產(chǎn)、施工、運維整個環(huán)節(jié)，使得建造方式具有自感知、自學習、自決策、自適應等特點。智能建造促進了各個建造活動生產(chǎn)關系的變革，實現(xiàn)了整個產(chǎn)業(yè)鏈的信息集成、業(yè)務協(xié)同，提升整個建造過程的能效，實現(xiàn)安全綠色，精益優(yōu)效的建造。智能建造的核心要素包括：（1）統(tǒng)一的模型。智能建造注重全流程的集成，需要依靠BIM來統(tǒng)一對建造對象、建造過程的描述，在建造過程不斷豐富模型的內(nèi)涵，為建筑、工程設施的全生命周期管理提供唯

12、一的模型和數(shù)據(jù)依據(jù)；（2）統(tǒng)一的過程。智能建造改進建筑施工的管理模式，基于信息技術來對建造過程進行統(tǒng)一管理。各個環(huán)節(jié)及時反饋，基于協(xié)同平臺進行工作交互，推行建造過程的“并行工程”、“精益建造”；（3）實時感知。基于CPS概念，實時感知每個環(huán)節(jié)的建造數(shù)據(jù)，為科學決策提供依據(jù)；（4）智能決策支持。利用大數(shù)據(jù)、人工智能等方法，基于統(tǒng)一模型和實時感知數(shù)據(jù)，對建造過程進行分析和預測，及時發(fā)現(xiàn)質量問題，提前發(fā)現(xiàn)風險，解決問題。裝配式建筑在討論建造模式變革的時候，裝配式建筑是一個建筑工業(yè)化的發(fā)展方向，逐漸在廠房、公用建筑（如醫(yī)院、酒店）等領域得到重視和應用。裝配式建筑是將建筑主體的墻、屋頂、窗、地板等在工廠

13、預先澆筑，形成模塊單元，再到施工現(xiàn)場拼裝的一種建造模式，它將傳統(tǒng)的“設計現(xiàn)場施工”變成“設計工廠預制運輸現(xiàn)場裝配”的模式。裝配式建筑的預制單元可以只是混凝土澆筑的毛坯件，也可以是帶裝修內(nèi)飾和內(nèi)部設施的預制房間單元，具有較大的靈活性。裝配式建筑把工業(yè)生產(chǎn)所具有的標準化、產(chǎn)品質量一致性、生產(chǎn)周期穩(wěn)定、工業(yè)化低成本等優(yōu)勢帶入建造行業(yè)，具有建造速度快、節(jié)省勞動力、質量較高、節(jié)約資源等優(yōu)點。裝配式建筑的推廣應用，可以促進建筑施工的標準化和生產(chǎn)方式的轉變，和BIM等技術一起，可以加快智能建造模式的應用推廣。智能建造和數(shù)字孿生智能建造在一定程度上提高了建筑工程的數(shù)字化與信息化水平，采用數(shù)字孿生技術，則引入了

14、“數(shù)字化鏡像”，使得在虛擬世界中再現(xiàn)智能建造過程成為可能。因此，結合數(shù)字孿生系統(tǒng)的實施，可以推動智能建造模式的真正落地。在智能建造中，除了施工階段實現(xiàn)智能化，還應在建筑物的設計、運維階段提高精細化水平，實現(xiàn)對整個建造過程進行實時優(yōu)化控制。在建筑物的全生命周期管理中，數(shù)據(jù)是傳遞建造信息的重要載體，在智能建造中應用數(shù)字孿生技術，實現(xiàn)虛實融合與交互反饋，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)與信息在虛實世界中傳遞與集成的作用。智能建造中數(shù)字孿生的特點數(shù)字孿生在智能建造中的應用，核心是建筑物的數(shù)字孿生系統(tǒng)，類比產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)，應該是其全生命周期的模型和數(shù)據(jù)的融合統(tǒng)一。但是和工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)不同，智能建造中的數(shù)字孿生有其自

15、身特點：（1）建筑設施的建造過程是多方參與的現(xiàn)場工作，一般采用項目制管理，這就比工業(yè)生產(chǎn)的標準化過程需要更多的管控措施。因此，建設設施的數(shù)字孿生系統(tǒng)，在其建造階段就需要投入應用，并且發(fā)揮建造過程模型和數(shù)據(jù)管理的智能化應用；（2）建筑設施的壽命相比普通的工業(yè)產(chǎn)品都長，使用周期中會進行多次的改建、裝修，這就導致建筑模型會比產(chǎn)品模型有更多的變化，更加需要數(shù)字孿生體對這個變化進行記錄。“唯一模型”、“版本管理”在建筑數(shù)字孿生體中更加重要。每次變更，都需要進行記錄，并且能追溯，這樣才能保證建筑的安全。建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)的物理世界包括了對建造過程的跟蹤和對建筑設施的管理兩部分。在數(shù)字孿生構建

16、的初期，只有虛擬世界中對建筑物的設計方案，可以看做是建筑的“數(shù)字胚胎”（參考產(chǎn)品數(shù)字孿生系統(tǒng)的生命周期，圖3- 7）。設計方案經(jīng)過施工，形成建筑設施實體。智能建造的應用，需要對建筑過程進行跟蹤與管理。因此，數(shù)字孿生系統(tǒng)的初期，就用于建造過程的數(shù)字化和智能化。建筑設施完成建造投入使用后，物理世界中的建筑實體完成，數(shù)字孿生的主要工作就是實現(xiàn)對建筑本身的維護和使用優(yōu)化了。建筑的虛擬實體包括了數(shù)字模型和信息系統(tǒng)。數(shù)字孿生引擎，包括對模型和數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)智能化功能。數(shù)字孿生服務，也大致分為設計建造階段的服務和使用維護階段的服務。基于數(shù)字孿生的智能建造應用場景（1）初期規(guī)劃階段結合城市信息模型（CIM）

17、，通過BIM與GIS系統(tǒng)的應用結合，能夠基于建筑環(huán)境特征和條件，為項目建設前期制定最優(yōu)的規(guī)劃、物流路線、實體功能性建設布局等重要決策內(nèi)容提供基于可靠數(shù)據(jù)的技術支撐，實現(xiàn)建筑設計和施工方案的優(yōu)化。采用數(shù)字孿生的方法，可以為項目頂層規(guī)劃提供科學依據(jù)。設計階段數(shù)字孿生技術對于設計師們來說，不僅是三維可視化的設計工具，帶來更多的對跨專業(yè)協(xié)同設計的模型和數(shù)據(jù)方面的技術支撐。數(shù)字孿生系統(tǒng)基于BIM技術，大量不同專業(yè)的數(shù)據(jù)自動完成錄入和分析處理，實現(xiàn)相應工程內(nèi)容的精確計算和建筑物性能的準確評估，并分析驗證建筑物是否滿足設計規(guī)定和未來的可持續(xù)標準建造要求?；跀?shù)字孿生的智能建造應用場景（2）建造階段建造工程是

18、一個動態(tài)過程，隨著規(guī)模的擴大，復雜程度亦隨之提高，使項目管理變得極為復雜?；贐IM應用實現(xiàn)的項目數(shù)字化的管理，可以更直觀、精確地了解到整個項目實施的全生命周期在項目實施計劃方面，設計團隊可以利用BIM應用的施工模擬技術，來調(diào)整原有的施工計劃、施工進度安排，實現(xiàn)項目實施的數(shù)字化管理在項目物料追蹤方面，根據(jù)BIM中的定量計算，可以精確采購，并且對物流供應過程進行跟蹤管理，類似制造業(yè)的供應鏈管理基于項目共享管理平臺，能讓項目實施的各方人員共同就項目方案進行溝通，及時排除風險隱患，減少項目變更數(shù)量，合理縮短工期，降低因設計協(xié)調(diào)產(chǎn)生的成本增加，提升實施現(xiàn)場的生產(chǎn)效率運行維護階段數(shù)字孿生體記錄了施工過程

19、的數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)，包括隱蔽工程數(shù)據(jù)信息，為建筑物運行維護提供支持將BIM中包含的建筑信息和物料的完整信息導入資產(chǎn)管理系統(tǒng)，而不必人工錄入數(shù)據(jù)，減少系統(tǒng)初始化過程中數(shù)據(jù)準備方面的時間及人力成本利用數(shù)字孿生體，可以對建筑物的各項功能進行模擬演練5.2 基于數(shù)字孿生的智慧城市城市的定義城市是人類文明的結晶，中東的約旦河西岸的耶利哥，被認為是世界上最古老的持續(xù)有人居住的城市。人類建造城市的歷史，有1萬年了城市的定義（辭海）：具有一定的人口密度和建筑密度、第二及第三產(chǎn)業(yè)高度集聚、以非農(nóng)業(yè)人口為主的居民點。古代城市起源于歷史上的手工業(yè)和農(nóng)業(yè)分離，隨階級和國家的出現(xiàn)而產(chǎn)生，其職能多以政治中心、軍事城堡或商

20、業(yè)集市為主要標志?，F(xiàn)代城市的形成和發(fā)展以工業(yè)化為動力，是現(xiàn)代大工業(yè)與科技教育、商貿(mào)、交通等現(xiàn)代服務業(yè)集聚的區(qū)域?，F(xiàn)代化的生活方式、價值觀念和人口、建筑物高度密集的城市景觀是其主要特征。現(xiàn)代城市通常都是各級區(qū)域的政治、經(jīng)濟和文化中心，亦是地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展賴以依托的支撐點。城市是一個“開放的復雜巨系統(tǒng)”開放復雜巨系統(tǒng)是子系統(tǒng)種類很多并有層次結構，它們之間關聯(lián)關系又很復雜，如果這個系統(tǒng)又是開放的，就稱作開放的復雜巨系統(tǒng)。其復雜性可以概況為：系統(tǒng)的子系統(tǒng)間可以有各種方式的通訊；子系統(tǒng)的種類多，各有其定性模型；各子系統(tǒng)中的知識表達不同，以各種方式獲取知識；系統(tǒng)中子系統(tǒng)的結構隨著系統(tǒng)的演變會有變化，所有系統(tǒng)的

21、結構是不斷改變的城市作為區(qū)域的政治、經(jīng)濟、文化中心，其包括的主要對象有政府機關、社會單位（企業(yè)、研究機構等）、公共設施、居民城市包括了由這些對象組成的不同子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)再細分成下屬系統(tǒng)，形成一個巨大的體系（System of System）。城市又是一個開放的系統(tǒng)，其經(jīng)濟活動、人員活動、氣候水文等都會和其外在環(huán)境發(fā)生交互，是一定區(qū)域內(nèi)能量、物質、信息的聚集和沉淀。對于這種復雜系統(tǒng)，不能用對簡單系統(tǒng)或者簡單大系統(tǒng)的研究方法來進行研究復雜系統(tǒng)的研究方法針對復雜系統(tǒng)的研究方法，錢學森先生給出的是“定性定量相結合的綜合集成方法”。而美國圣塔菲研究所John Holand提出的是復雜適應系統(tǒng)理論(C

22、omplex Adaptive System，CAS)。定性和定量相結合的綜合集成方法：定性定量相結合的綜合集成方法，就其實質而言，是將專家群體（各種有關的專家）、數(shù)據(jù)和各種信息與計算機技術有機結合起來，把各種學科的科學理論和人的經(jīng)驗知識結合起來。這三者本身也構成了一個系統(tǒng)。這個方法的成功應用，就在于發(fā)揮這個系統(tǒng)的整體優(yōu)勢和綜合優(yōu)勢復雜適應系統(tǒng)理論：認為復雜適應系統(tǒng)的組成元素不是機器元件，其本身是有智能的，稱為適應性主體，并能夠聚集成更大的適應性主體，層層涌現(xiàn)，最終形成復雜適應系統(tǒng)城市作為一個復雜適應系統(tǒng)，其核心概念是城市主體（City Agent）城市主體是城市的基本構成單元，是具有自適應性

23、的城市活動參與者，包括個體的人、由人組成的組織機構，還包括與人類活動密切相關、承載人類活動的物質載體（建筑物、交通網(wǎng)絡、地下管廊等傳統(tǒng)基礎設施、大數(shù)據(jù)等新型基礎設施）等可以按主體的特征構建主體聚集、非線性發(fā)展、要素流、目標多樣性、特點標識、內(nèi)部模型和系統(tǒng)積木的七個重要內(nèi)涵和概念關系。城市模型現(xiàn)代城市及其管理是一類開放的復雜巨系統(tǒng)，具有多主體、多層次、多結構、多形態(tài)、非線性的城市生命體特征城市各子系統(tǒng)間形成了空間結構、經(jīng)濟結構、社會結構，針對其不同的結構特征，構建城市模型，是城市研究、城市規(guī)劃和城市管理的重要手段城市模型有不同的分類（見表5- 1），從研究內(nèi)容來說，城市模型包括城市土地利用模型、

24、城市交通規(guī)劃模擬模型、城市規(guī)劃模型、城市人口增長和遷移模型、城市景觀模擬模型等；從城市模型研究的空間尺度來說，包括城市宏觀模型、城市微觀模型；從城市模型采用的數(shù)學方法來說，有城市統(tǒng)計模型、城市系統(tǒng)動力學模型、城市分形幾何模型、城市混沌模型和城市自組織模型等。不同的模型反映了城市系統(tǒng)的某個方面，是分析城市某個方面運作規(guī)律的機理模型。而作為一個復雜巨系統(tǒng)，城市模型是各類模型的綜合，是一組“模型集”。分類標準類型城市模型的研究內(nèi)容城市土地利用模型、城市交通規(guī)劃模擬模型、城市規(guī)劃模型、城市人口增長和遷移模型、城市景觀模擬模型、城市環(huán)境模擬模型、城市體系規(guī)模分布模型和城市就業(yè)及居住模型城市模型研究的空間

25、尺度城市宏觀模型、城市微觀模型模型是否具有時間維靜態(tài)城市模型、動態(tài)城市模型模型系統(tǒng)的綜合程度城市子系統(tǒng)模型、城市綜合模型城市模型的建模方式自上而下的城市建模方式、自下而上的城市建模方式城市模型系統(tǒng)的復雜程度城市線性系統(tǒng)模型、復雜的城市非線性系統(tǒng)模型城市模型采用的數(shù)學方法城市統(tǒng)計模型、城市系統(tǒng)動力學模型、城市分形幾何模型、城市混沌模型和城市自組織模型城市信息模型（CIM）在城市的三維表述和信息結構方面，城市信息模型（City Information Model, CIM）是一個重要概念。CIM通過數(shù)據(jù)驅動城市治理的新方式，以實現(xiàn)城市規(guī)劃、建設和運維的全鏈條協(xié)同管理。CIM管理城市空間地理信息，感

26、知監(jiān)測公共專題數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)以及三維模型等多源異構數(shù)據(jù)。從城市建模的角度，CIM更加科學嚴謹?shù)乇磉_城市，以“信息”為主線貫穿城市空間，在信息空間邏輯集成物理分散的各城市組成要素，以實現(xiàn)城市的優(yōu)化管理和治理。行業(yè)內(nèi)認為CIM是由BIM、 GIS（Geographic Information System或 Geo-Information system，地理信息系統(tǒng)）和IoT（Internet of Things，物聯(lián)網(wǎng)）組成。CIM是一種描述城市的物理和功能的數(shù)字化描述方式，基于CIM平臺進行城市的信息化管理，以實現(xiàn)信息集的多方共享和協(xié)同維護，為城市規(guī)劃、管理提供相關決策信息。城市信息模型（CI

27、M）的特點CIM是一個城市的空間信息模型。CIM 模型是高精度表達了城市空間全要素模型，并且匯聚和融合了城市級別海量的多源數(shù)據(jù)與各類模型。CIM是城市全生命周期的模型和數(shù)據(jù)管理平臺。CIM不僅是一個BIM和GIS集成形成的三維模型環(huán)境，而是應該以此為基礎的一個數(shù)據(jù)、信息和知識的集成平臺。CIM是一個智慧城市的規(guī)劃平臺。建立智能規(guī)劃應用模型，統(tǒng)一城市空間布局，通過仿真模擬和分析進行多方案比選、合規(guī)性比對、會商會審、同屏溝通、沙盤互動等，設計方案通過多個場景融合模擬和綜合研判后優(yōu)化規(guī)劃。CIM基于互聯(lián)網(wǎng)技術形成數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)城市信息的共享和傳遞。CIM匯聚了基礎地理信息、城市建筑物信息和城市設施三維

28、模型等城市基礎數(shù)據(jù)，并且通過城市物聯(lián)感知體系，也包含了統(tǒng)一時空的房、人、物、事等多維實時數(shù)據(jù)庫。CIM數(shù)據(jù)組織應基于開放共享的城市信息模型和三維傳輸交換標準來構建。智慧城市2010年上海世博會園區(qū)總設計師、同濟大學吳志強院士認為：城市是人類建的，但是人類建的城市一直依托外力。第一次找到了畜力，第二次找到了石油和煤炭這些化工燃料，使得整個城市尺度完全不一樣，第三次找到了電力，整個城市道路完全不一樣。有了計算機，電子設備，使得控制系統(tǒng)能力驚人。而有了人工智能，是真正的對整個城市智慧的一個革命性時代。最先提出智慧城市理念的IBM公司認為：智慧城市是指能夠充分運用信息技術和通信手段感測、分析、整合城市

29、運行核心系統(tǒng)的各項關鍵信息，從而對包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務、工商業(yè)活動在內(nèi)的各種需求做出智能響應，為人類創(chuàng)造美好的城市生活智慧城市概念自2008年（以 IBM 首次提出“智慧地球”的時間為參考）提出以來，全國各地加速布局實踐，歷經(jīng)多輪迭代演進，先后形成概念導入期（2008- 2012 年）、試點探索期（2012-2016 年）、統(tǒng)籌推進期（2016-2020 年）等重要發(fā)展期，正邁入集成融合發(fā)展的新時期，也就是有些學者認為是進入了“智慧城市4.0”階段數(shù)字孿生城市城市已進入從管理升華到治理的歷史階段，社區(qū)網(wǎng)格化精細管理模式將逐步向基于數(shù)字孿生智能化自治模式演進。數(shù)字孿生作為一種充分利

30、用模型、數(shù)據(jù)并集成多學科的技術，其面向系統(tǒng)全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，從而提供更實時、高效、智能的服務。數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生在城市領域融合應用后的產(chǎn)物，是智慧城市深度發(fā)展的形態(tài)，也是當前智慧城市發(fā)展的最新階段。數(shù)字孿生城市的全局視野、精準映射、模擬仿真、虛實交互、智能干預等典型特性正加速推動城市治理和各行業(yè)領域應用創(chuàng)新發(fā)展。在城市治理領域，將形成若干全域視角的超級應用，如城市規(guī)劃的空間分析和效果仿真，城市建設項目的交互設計與模擬施工，城市常態(tài)運行監(jiān)測下的城市特征畫像。依托城市數(shù)字孿生系統(tǒng)，能實現(xiàn)通過城市發(fā)展時空軌跡推演未來的演進趨勢，洞察城市發(fā)展規(guī)律以支撐政府

31、精準施策城市數(shù)字孿生系統(tǒng)架構城市數(shù)字孿生系統(tǒng)中的“物理實體”是“數(shù)字化的城市系統(tǒng)”，就是具備感知和數(shù)字化執(zhí)行能力的城市系統(tǒng)，包括了城市運行子系統(tǒng)、感知/發(fā)布設備以及通信設施組成。城市運行子系統(tǒng)是實現(xiàn)城市基本功能的各類子系統(tǒng)。虛擬城市，是城市在數(shù)字空間的一個映射。CIM為虛擬城市提供了基礎支撐，將城市物理空間和數(shù)字空間進行映射，實現(xiàn)虛實融合。CIM也為數(shù)字孿生的實現(xiàn)提供了基礎模型架構，通過三維地理信息模型（GIS）和建筑信息模型（BIM）的集成來構建，是數(shù)字孿生城市精準虛擬映射的核心。城市數(shù)字孿生引擎，是數(shù)字孿生城市、智慧城市區(qū)別一般城市信息系統(tǒng)的關鍵。在這個部分，包括了數(shù)據(jù)融合、模型融合和智能

32、功能三部分。而對于城市來說，智能功能是通過城市大腦來實現(xiàn)的，城市大腦是智慧城市的中樞，也是建設的重點。模型和數(shù)據(jù)的融合，體現(xiàn)了“定性和定量相結合的綜合集成方法”?；诔鞘袛?shù)字孿生系統(tǒng)的服務與應用，是數(shù)字孿生技術驅動下的新型應用。各類應用基于數(shù)字孿生引擎中的模型、數(shù)據(jù)，以及城市大腦提供的各項智能化功能，為智慧城市實現(xiàn)精細化管理提供條件。5.3 數(shù)字孿生城市應用案例數(shù)字孿生城市應用數(shù)字孿生技術應用為智慧城市建設注入活力，隨著數(shù)字孿生城市從概念培育走向實施落地，物聯(lián)感知、遙感測繪、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實、信息通信等技術加速成熟應用，以空間信息為索引的城市大數(shù)據(jù)治理體系日益完善，多源異構數(shù)據(jù)融合能力提升，

33、行業(yè)創(chuàng)新應用不斷涌現(xiàn)。此外，多技術交叉集成創(chuàng)新全面重構智慧城市技術體系，打造城市“規(guī)建管”全過程可視化、可模擬、可分析等場景，精準把握城市運行情況，全面提升城市管控、公共服務能力。中國新智慧城市建設是物理設施和數(shù)字技術同步進行。中國的智慧城市更多是從剛開始規(guī)劃的時候就實行智慧城市的概念，就相當于在建設物理城市的時候，就已經(jīng)把虛擬城市數(shù)字城市的規(guī)劃都包含在這里面。中國智慧城市實驗基本都在新城，比如上海臨港以及河北雄安。智慧臨港在智慧城市的體系化建設方面，中國（上海）自由貿(mào)易試驗區(qū)臨港新片區(qū)的智慧城市建設是一個典型案例。臨港發(fā)展智慧城市既是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，也是城市管理的需要。臨港智慧城市建設分為三層。第一層是基礎設施層，包括網(wǎng)絡基礎設施和智能感知設施；第二層是賦能層，包括計算平臺、智能