“十四五”CIM驅(qū)動城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型

文｜杜明芳

2020年12月21日召開的全國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工作會議明確指出：持續(xù)深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于住房和城鄉(xiāng)建設(shè)工作的重要指示批示精神，貫徹落實黨的十九屆五中全會和中央經(jīng)濟工作會議決策部署，重點抓好八大任務(wù)，第一條是“全力實施城市更新行動，推動城市高質(zhì)量發(fā)展”。在部署年度重點工作任務(wù)時提出，要加快構(gòu)建部、省、市三級CIM 平臺建設(shè)框架體系。

CIM 一體化規(guī)劃建設(shè)管理體系

CIM 一體化規(guī)劃建設(shè)管理體系總體思路：采用系統(tǒng)思維和方法，綜合考慮治理理念、制度規(guī)范、一體化新老基建資源體系建設(shè)、CIM智腦、CIM 數(shù)字孿生體等領(lǐng)域要素，從全局優(yōu)化的視角對每一部分均進行最優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計實施，制定定性與定量相結(jié)合的評價指標(biāo)體系，以可計算的評價結(jié)果為考核依據(jù)，構(gòu)建并實施全局最優(yōu)的城市治理和管理體系。

新基建在城市體系中的應(yīng)用集中落地于CIM 中，CIM 與新基建融合后構(gòu)建出可持續(xù)生長的城市數(shù)字生命體。（如圖1）

CIM 智腦

CIM 智腦是基于系統(tǒng)思維和方法，以數(shù)據(jù)為線索，以多模型為中心，以城市部件對象多目標(biāo)關(guān)聯(lián)優(yōu)化綜合指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)，融城市大數(shù)據(jù)資源體系、智能知識體系、反饋管控體系、動態(tài)迭代優(yōu)化體系于一體，在新基建時期海量實時大數(shù)據(jù)的驅(qū)動下進行大規(guī)模網(wǎng)狀智能計算，采用多核異構(gòu)芯片、模塊化并行AI 云、智能邊緣計算裝置等智能硬件進行算力提升，采用知識圖譜、數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)、系統(tǒng)仿真等先進理論進行算法提升和模型改進，實現(xiàn)三維或更高維建筑信息模型（BIM）與建筑及城市自動化管控系統(tǒng)的有機疊加與模型層融合，具有算力、算法、算量綜合指標(biāo)最優(yōu)特征。城市數(shù)字生命體CIM 總體架構(gòu)中CIM 云腦和CIM 邊緣腦均屬于CIM 智腦的組成部分。

圖1 城市數(shù)字生命體CIM 總體架構(gòu)

CIM 智腦是全局優(yōu)化的核心，因此應(yīng)特別對數(shù)據(jù)中心進行優(yōu)化設(shè)計，將數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)生命周期規(guī)劃、元數(shù)據(jù)管理、主數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)全生命周期運營管理、數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、團隊建設(shè)、數(shù)據(jù)隱私保護等涉及到數(shù)據(jù)治理體系高質(zhì)量建設(shè)發(fā)展的要素統(tǒng)籌考慮，在構(gòu)建高質(zhì)量一體化城市大數(shù)據(jù)資源體系的同時，高質(zhì)量構(gòu)建城市大數(shù)據(jù)治理體系。全局最優(yōu)城市治理體系的實施將有效破解當(dāng)前城市管理與治理中遇到的難題，助力城市的高起點建設(shè)與高質(zhì)量發(fā)展。（如圖2）

圖2 CIM 智腦理論模型

圖3 數(shù)字孿生系統(tǒng)機理模型描述

CIM 數(shù)字孿生體

1.數(shù)字孿生系統(tǒng)機理模型

數(shù)字孿生的主要理論淵源和基礎(chǔ)是：系統(tǒng)工程及系統(tǒng)建模與仿真理論，現(xiàn)代控制理論，模式識別理論，計算機圖形學(xué)，數(shù)據(jù)科學(xué)。從系統(tǒng)工程的視角來看，數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建是一項典型的系統(tǒng)工程，涉及到目標(biāo)確立、需求分析、技術(shù)開發(fā)、理論研究、場景應(yīng)用等實現(xiàn)環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建與開發(fā)奠定了數(shù)字孿生系統(tǒng)論的基石。

CIM 數(shù)字孿生體是數(shù)字孿生理論在城市領(lǐng)域的應(yīng)用。CIM 數(shù)字孿生體的構(gòu)建與開發(fā)應(yīng)遵循數(shù)字孿生系統(tǒng)機理和模型，思路和方法描述如下：在多規(guī)合一基礎(chǔ)上，一方面模擬人類認知世界的經(jīng)驗、規(guī)律、知識，另一方面廣泛深度應(yīng)用數(shù)據(jù)智能、機器學(xué)習(xí)方法，采用定量和定性相結(jié)合的方式打造滿足現(xiàn)代城市應(yīng)用的智能控制與決策復(fù)雜巨系統(tǒng)。城市以數(shù)字孿生系統(tǒng)需求為導(dǎo)向，設(shè)計數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件架構(gòu)，研發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)軟硬件平臺與技術(shù)，在數(shù)字空間和物理場景中進行同步測試與驗證。物理實測信息反饋到虛擬仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)與物理系統(tǒng)進行實時或事件驅(qū)動下的不定時比對與匹配，得到二者誤差，再以誤差作為虛擬系統(tǒng)控制算法的輸入，通過自動控制策略實現(xiàn)誤差的迭代削減，直至衰減為零。整個CIM 數(shù)字孿生信息物理系統(tǒng)的運行是一個動態(tài)平衡與自主優(yōu)化的過程。（如圖3）

2.CIM 智腦與CIM 數(shù)字孿生體模型

城市信息模型（CIM）廣泛融合了信息基礎(chǔ)設(shè)施新基建，具有協(xié)同性強、智能性高、模擬性好、要素表達精細等特點，在推動城市治理智慧化和城市管理自動化，進而實現(xiàn)城市高質(zhì)量發(fā)展方面將發(fā)揮越來越重要的作用。盡管CIM 高度融合了BIM、GIS、IoT、AI 等多種信息技術(shù)，但未來的CIM 將在“BIM+GIS 一張圖”的基礎(chǔ)上更加傾向于朝著數(shù)據(jù)智能化、業(yè)務(wù)模型化、流程自動化、管理智慧化方向發(fā)展演進，并基于以上新方向的交叉融合構(gòu)建形成CIM 智腦及CIM 智腦統(tǒng)一管控和指揮下的CIM 數(shù)字孿生體。CIM 智腦和CIM 數(shù)字孿生體將成為驅(qū)動中國城市經(jīng)濟乃至中國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的革命性力量，為中國新經(jīng)濟雙閉環(huán)格局的形成奠定基礎(chǔ)。（如圖4、5）

通過CIM 數(shù)字孿生體的實時支持，城市可最大限度降低全生命周期管理風(fēng)險，做到預(yù)警、預(yù)防、預(yù)測，從而做到盡最大可能提升城市韌性。

3.基于CIM 的數(shù)字孿生城市概念模型

城市環(huán)境是一個復(fù)雜的多維度立體環(huán)境，包含建筑、道路、自然景觀、地下空間、地質(zhì)礦藏等組成部分。基于城市環(huán)境形成的城市網(wǎng)絡(luò)是一個包含天基、空基、地基、地下基的復(fù)雜立體感知與管理網(wǎng)絡(luò)。物理城市和信息空間中的虛擬城市構(gòu)成了數(shù)字孿生城市，也可以理解為數(shù)字鏡像城市。孿生城市之間是相互控制關(guān)系。智慧城市中的核心要素城市、信息、人及其相互之間的關(guān)系，可用智慧城市賽博物理空間描述。本文提出基于CIM 的數(shù)字孿生城市概念模型。在兩個“城市體”之間，信息雙向傳輸：當(dāng)信息從物理城市傳輸?shù)綌?shù)字城市，來自傳感器的數(shù)據(jù)可用于觀察城市運行情況；反之，當(dāng)信息從數(shù)字城市傳輸?shù)轿锢沓鞘校瑪?shù)據(jù)和模型可用來監(jiān)視、控制、修正、改進物理孿生城市，加上人工智能算法，可用于挖掘、預(yù)測、仿生、學(xué)習(xí)物理城市的特征和行為，幫助構(gòu)建更加智能的物理城市。

4.CIM 智腦與CIM 數(shù)字孿生體模型的開發(fā)實現(xiàn)

CIM 智腦與CIM 數(shù)字孿生體模型的開發(fā)實現(xiàn)要依據(jù)數(shù)字孿生驅(qū)動的CIM 閉環(huán)生態(tài)模型。

數(shù)字孿生驅(qū)動的CIM 閉環(huán)生態(tài)模型以數(shù)據(jù)為線索，銜接城市全要素，打通城市微循環(huán)體和宏觀循環(huán)體，構(gòu)建出數(shù)字孿生驅(qū)動的CIM 閉環(huán)體系。（如圖6）

圖4 CIM 智腦與CIM 數(shù)字孿生體模型

圖5 CIM 數(shù)字孿生體總體框架

CIM 閉環(huán)生態(tài)模型系統(tǒng)建模思路：以“業(yè)務(wù)需求”為導(dǎo)向，以“服務(wù)于人”為根本，從數(shù)據(jù)源萃取提煉以下幾類核心主題：人、機、物、料、環(huán)、法。以數(shù)據(jù)為線索，構(gòu)建包括以下四大組成部分的CIM 數(shù)字孿生體閉環(huán)生態(tài)模型：（1）CIM 平臺；（2）數(shù)據(jù)源；（3）數(shù)據(jù)總線；（4）應(yīng)用生態(tài)；（5）數(shù)據(jù)和事件反饋線。CIM 平臺主要包括數(shù)據(jù)庫、知識庫、模型庫體系及其業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖6 數(shù)字孿生驅(qū)動的CIM 閉環(huán)生態(tài)模型

CIM 驅(qū)動城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型

1.城市能力體系驅(qū)動的CIM 動態(tài)模型體系

管理與決策模型演進的總體趨勢為：從靜態(tài)特征為主到動態(tài)特征為主的模型體系。CIM 則是典型的以動態(tài)特征為主的模型體系。（如圖7）

CIM 數(shù)字孿生體在城市能力提升方面的作用：通過動靜態(tài)一體化模型的構(gòu)建與融合，促進城市能力全面提升。隨著CIM 的深度應(yīng)用，城市將聚焦于核心能力體系構(gòu)建及核心能力提升。在供給側(cè)和需求側(cè)的動態(tài)平衡下取得高質(zhì)量發(fā)展。

CIM 動態(tài)模型體系反映出城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中城市的目標(biāo)體系、戰(zhàn)略體系、資源體系、能力體系、資產(chǎn)體系等要素體系間的關(guān)系，各要素通過頻繁或間隔性相互影響，共同構(gòu)建出以城市能力體系構(gòu)建為目標(biāo)的CIM 動態(tài)模型體系。

圖7 以城市能力體系構(gòu)建為核心的CIM 動態(tài)模型體系

圖9 數(shù)字孿生“三步走”模式

2.CIM+促進城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型

通過CIM+促進城市更新，進而實現(xiàn)城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方法，即CIM+城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型邏輯。（如圖8）

信息技術(shù)體系作為核心驅(qū)動力（轉(zhuǎn)型引擎）引發(fā)能力體系產(chǎn)生系統(tǒng)性變革。信息技術(shù)作為通用使能技術(shù)，引發(fā)城市系統(tǒng)內(nèi)創(chuàng)新體系、生活方式、生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理模式等發(fā)生體系化變革與重構(gòu)。

通過CIM+促進城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型要落實到企業(yè)層面，其本質(zhì)是技術(shù)、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、人等城市全要素的有機交織融合。

3.數(shù)字孿生發(fā)展模式

基于數(shù)字孿生城市、CIM 可進一步構(gòu)建出數(shù)字孿生發(fā)展模式。數(shù)字孿生發(fā)展模式集中體現(xiàn)了微系統(tǒng)、單元、單系統(tǒng)、系統(tǒng)的系統(tǒng)（體系）的系統(tǒng)觀，也是以系統(tǒng)觀指導(dǎo)實踐的一個具體案例。（如圖9）

基于“網(wǎng)絡(luò)+區(qū)塊鏈協(xié)同”和“數(shù)據(jù)智能”兩條線索，交叉后支撐數(shù)字孿生城市及數(shù)字孿生生態(tài)建設(shè)。探索具有地方特色的數(shù)字孿生發(fā)展模式。引入完整的數(shù)據(jù)資源維度，把散落在城市里各個角落的數(shù)據(jù)，包括政府?dāng)?shù)據(jù)、企業(yè)數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)、居民數(shù)據(jù)、產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)，全部整合起來，通過大數(shù)據(jù)、人工智能的方法對數(shù)據(jù)進行融合計算，打造一個數(shù)據(jù)智能驅(qū)動的CIM 智算平臺，并基于此平臺銜接應(yīng)用生態(tài)，進而打造出一個全局一體化智能的數(shù)字孿生城市。

結(jié)合智能計算、數(shù)字孿生理論的CIM 智腦和CIM 數(shù)字孿生體為城市發(fā)展、城市更新提供了新方法、新手段、新路徑，可有效解決長期以來制約行業(yè)發(fā)展和城市轉(zhuǎn)型中的眾多瓶頸問題，在系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)共享、行業(yè)平臺等方面均可提供極富實用性和創(chuàng)新性的方案，有可能是大規(guī)模城市實時計算時代最具理論價值和實用價值的方法。