2023优秀案例丨深圳市数字孪生先锋城市的创新及实践

深圳市数字孪生先锋城市的创新及实践

张晓春   隆  颢   张  斌   许  浩

深圳市智慧城市科技发展集团有限公司

深圳全市域时空信息平台（CIM平台）是自然资源部“时空大数据平台”“实景三维中国”，住建部“CIM基础平台”，广东省“粤政图”等建设任务在深圳的落地，是深圳市数字政府和智慧城市“十四五”发展规划的重大工程。

CIM平台在深圳市“十四五”期间的建设目标是实现全要素数字化、城市运行可视化、城市管理决策协同化和智能化，为建成数字孪生城市和鹏城自进化智能体提供支撑。CIM平台是数字深圳建设数字底座和能力中枢的有机组成，统筹全市的空间基准，构建多种空间数据采集和融合的基准参考框架，为全市各级政府部门数字政府和智慧城市建设提供统一的二三维空间数字底板和时空信息服务能力。

深圳市智慧城市科技发展集团有限公司围绕“为智慧城市和数字政府建设提供高标准一站式整体解决方案”的战略定位，遵循国家、部委相关建设要求，打造深圳全市域时空信息平台（CIM平台）（见图1），为数字孪生城市和鹏城自进化智能体建设提供基础支撑。围绕云网底座、空间底座、数据底座建设，全力支撑深圳智慧城市和数字政府建设。

CIM平台构建了国内首个海陆一体化三维时空基准体系，率先构建以BIM为基础的全市域、高精度三维空间底板，并在国内首创城市级面向BIM全生命周期应用的 IFC-MVD-SNL技术路线，实现了 BIM 模型统一标准、统一管理、智能审查、精准融合。同时发布SZ-IFC存储标准，实现与CIM平台各类数据语义精准融合。CIM平台是CIM领域首个基于BIM精细化模型与GIS平台、游戏引擎的跨界融合实践。

1. CIM平台与BIM能力的深度融合

CIM平台以城市实体数据作为纽带，基于CIM平台的全空间二三维数据、城市管理对象数据和城市运行感知数据进行实体识别、关系构建和属性提取，将各种数据按照城市实体对象有机组织起来，达到CIM平台与BIM能力深度融合的目的。

CIM平台引入IFC数据模型，并结合MVD和SNL等技术，构建了面向城市级BIM全生命周期应用的创新性技术路线。这一路线的核心在于将BIM模型从不同阶段的生命周期中提取出关键信息，以支持统一汇聚、质检、收储和管理。首先，CIM平台采用IFC模型作为数据交换的标准，确保不同软件和系统之间的数据无缝对接。其次，MVD定义了特定阶段的BIM模型需要包含的信息，实现了BIM模型在不同项目阶段的数据流转。CIM平台结合MVD的定义，将BIM模型的特定信息提取并映射到CIM平台的数据结构中。最后，SNL是一种用于建筑规范描述语言的语言，有效支持面向多业务规范、多BIM模型表示的统一自动检查。利用IFC-MVD-SNL技术路线，在规划、设计、施工和运维阶段，都能实现城市级BIM全生命周期管理。CIM平台可为工程项目全生命周期BIM平台提供基础空间数字底板及空间引擎服务，按需为规划BIM报建、图纸审查、施工、安全监管、验收、运维和投资控制等应用升级赋能。

2. SZ-IFC存储标准的发布与数据语义融合

CIM平台在面向BIM全生命周期应用方面，为了有效管理和利用各种BIM模型数据，发布了SZ-IFC存储标准，同时在数据语义融合方面取得了显著的成果。CIM平台以原始IFC\SZIFC格式数据为基础，创新性地实现了模型实体和特征属性的分离。

在满足可视化和空间分析计算需求的基础上，CIM平台设计了轻量化模型，并凝练为 SZ-IFC存储标准。这种设计在保留核心信息的同时，考虑了空间拓扑分析、材质映射、实例化提取等关键算法。基于空间索引，平台实现了构件级三维切片与LOD合并重组方法，从而实现了构件级BIM模型的轻量化，这为实际应用场景中的可视化和分析计算提供了高效解决方案。通过设计和实现轻量化模型与现有标准格式数据的兼容格式转换算法和关系映射方法，CIM平台实现了轻量化模型与现有标准格式数据的相互转换，这种兼容性保证了不同数据源之间的连接与互通。

通过对深圳市CIM平台建设现状系统性的分析和需求调研，本平台开展五大核心技术攻关：全时空三维数据建模技术、多源异构海量数据融合技术、大场景广视域虚拟城市展示技术、物联泛在感知及仿真推演技术和城市算力与带宽统一调度，夯实自主可控的技术路线。

1. 全时空三维数据建模技术

CIM平台采用自下而上的系统分析方法研究超大城市数字孪生构建关键技术体系。首先对主动感知、空地融合感知、多设备协同感知等技术方法进行系统性研究。然后，对现有基础数据进行语义理解，为后续高逼真建模及场景构建提供语义数据支撑，构建“数据—像素—目标—场景”的语义分割层次认知模型。接着，针对城市复杂场景的语义化、对象化和结构化重建等问题进行系统性研究，实现包括城市基础场景、人工场景以及自然场景在内的城市多场景全要素正向逆向融合精细三维建模。在此基础上，使用统一的表达模型对不同类别城市场景要素进行抽象，创建包含多要素和语义及拓扑关系的城市场景图。最后，在城市规划、城市建造、智能交通、城市安全等领域进行应用示范，充分展现全空间全要素城市数字孪生建模技术的应用价值。

2. 多源异构海量数据融合技术

CIM平台构建面向多源异构数据的城市时空信息统一表达框架，形成了跨传感器、跨数据源、跨时空尺度的多模态城市时空数据融合模型，探索了顾及“几何-语义-实体”的高精度时空信息抽取与高置信融合关键技术。

基于城市时空数据融合分析与知识服务系统，形成知识驱动的“业务-数据-模型”一体化适配技术，实现城市多源数据融合、时空大数据智能计算、时空大数据知识服务等功能，集成到CIM平台实现城市全空间、全要素数据的融合分析。

3. 大场景广视域虚拟城市展示技术

随着数字孪生城市应用场景需求增加、尺度延伸，各类型技术引擎融合赋能成为数字孪生技术迭代升级的新方向。面向城市级大体量数据场景承载与服务需要，通过研究全场景三维模型轻量化技术，重点构建城市信息模型、精细化BIM模型的轻量化技术工具和高效数据处理算法，形成自动化高性能三维模型轻量化引擎服务能力，满足PB级模型数据的轻量化处理和高效空间索引组织与管理需求，解决了多模态三维模型特征抽取与综合简化难题，为大规模城市级三维模型精细管理和高逼真渲染提供数据服务支撑。

面向深圳市数字孪生城市建设的重大需求，聚焦智慧城市科技前沿，需加强城市全空间大体量模型轻量化技术的研究，实现全场景连续尺度支撑的轻量化控制技术，可以为虚拟城市空间环境构建和统一时空大数据平台提供丰富、精细和高效的时空数据底板和共性技术能力支撑。

4. 物联泛在感知及仿真推演技术

随着物联网、人工智能、大数据等技术的发展以及国家大力支持“新基建”的推进，新型智慧城市建设正在把城市变成新的生命体。CIM平台围绕城市多领域数字孪生体协同推演的理论框架和技术方法开展相关实践应用与研究。

首先，CIM平台建立城市复杂系统跨域演化理论体系，为城市跨领域系统协同生长演化技术和城市跨领域系统融合实时推演技术关键技术的研发提供理论基础。其次，为突破城市多领域孪生体构建技术，构建城市时空数据底座，支撑城市跨领域的生长演化与实时推演分析，CIM平台需要面向城市中长期生长演化，研究城市跨领域系统协同生长演化技术，预测城市复杂系统中长期发展趋势和演化规律。最后，面向城市短期运行态势，CIM平台基于城市跨领域系统融合实时推演技术，推演预测城市短期运行态势演变规律。

5. 城市算力与带宽统一调度

随着数字经济蓬勃发展，数字化新事物、新业态、新模式推动CIM应用场景多元化发展，单一类型的应用场景和算力难以满足CIM应用场景复杂计算需求。CIM平台通过构建资源管理系统，监控算力集群中各个计算节点的资源使用情况，包括CPU利用率、GPU使用率、内存利用率和网络带宽等。该功能通过在每个算力节点上安装代理实现收集资源使用数据，并将数据传输到算力调度平台进行监控和统计。

此外，引入资源预测技术，通过分析历史数据和趋势，预测未来资源的需求，从而在资源紧张时提前作出调度决策。同时，负载均衡技术可将任务尽可能均匀地分布在算力节点上，避免资源利用不平衡的情况。实现容错机制，当算力节点故障时，能够将任务迁移到其他节点上继续执行，以保证任务的顺利完成。此外，考虑到计算资源需求可能会动态变化，需要实现弹性扩展功能，允许根据负载情况自动增加或释放计算节点。

CIM平台集成BIM、GIS、IoT、大数据等技术，以开放的数据标准、统一的空间服务，支撑城市级、主题级CIM应用。

1. 服务城市规划

深圳湾超级总部作为深圳重点建设片区之一，坐落于南山区东侧，与香港隔海相望。基于CIM平台的BIM精细化建模能力，针对深超总片区的地块规划、楼宇规划、环境规划、楼宇建设等需求，1:1还原城市片区未来规划设计，并通过集成融合多源异构的园区运行全要素数据，打造数字孪生场景。

基于CIM平台多样化模型承载和场景高渲染能力，对中央绿轴方案、京东大楼方案、SIC地铁万科改造方案进行场景呈现。同时融合道路、景观和绿地等模型实体，直观展示同一位置下不同方案与周边地物叠加所呈现的效果。

2. 赋能智能交通

面向新型基础设施建设、产业经济结构优化、能源供给设施布局、碳排放优化管理等城市中长期协同规划决策业务场景需求，以及交能融合自洽、车路协同管控、应急安全管理等城市实时运行管理业务场景需求，通过数字孪生体推演能力，构建模拟、验证、预测等能力，建立虚实交互的数字孪生城市系统，打造智能交通的大脑中枢。

面向城市短期运行态势，CIM平台融合了涵盖交通基础设施领域与其他各领域的融合仿真推演，形成智能交通的演变规律及其融合推演机理。构建面向城市交通领域与其他领域协同的城市中长期生长演化及实时在线运行孪生的推演一体化平台，支撑城市交通大规模复杂实时仿真与态势推演。

3. 构建水务数字孪生

为实现全面的“感知—分析—预警—调度”全过程仿真模拟，CIM平台以实体数据为基础，汇聚来自多个部门的感知数据，并在水务专业模型的支持下，助力水务领域安全管理效率提升了30%。

水务数字孪生的核心任务之一是创建水务设施信息模型，以支持数字化运营和管理。这一模型需要与CIM平台紧密对接，以确保可视化展示和主要运行、运维场景的满足。水务设施信息模型的创建，按设施类型包括水库、河道、海堤、引调水工程、泵站、水闸、自来水厂、水质净化厂、调蓄池等。这种细分有助于更好地呈现水务设施的实际情况。水务数字孪生的成功应用，不仅为水务领域带来了智能化的提升，还为管理决策提供了有力支持：借助数字孪生的能力，从而更加高效地进行资源分配和应急调度。

当前，全球智慧城市建设已步入数字孪生新阶段，新实践、新理念不断涌现。CIM平台将从以下方面继续奋力前行。

1. 加强统筹规划，依托CIM平台打造城市级操作系统

前瞻性思考、全局性谋划、整体性推进数字孪生城市建设各项工作，推动建立跨部门跨层级的规划协同和执行机制，运用CIM技术，打造联结物理空间、数字空间和社会空间的城市级操作系统，为城市精准、高效、精细化治理提供有效支撑。

2. 深化场景应用，支撑城市规建管运全场景覆盖

以政府部门各业务条线的CIM应用为支撑，打破碎片化、项目级CIM应用局限，整合多样化应用场景需求，推进跨领域城市治理场景深度融合，打造城市规划、建设、管理、运营全业务场景覆盖的数字孪生城市应用体系。

3. 关注市民体验，提升虚实融合的数字生活品质

以服务民生所需为核心理念，融合CIM、数字孪生、元宇宙等前沿技术，构建虚实融合的城市公共空间，拓展数字化便民服务场景，提升市民对数字孪生城市建设成果的体验度和获得感。

4. 汇聚多源数据，动态感知城市状态赋能精准治理

打通跨部门数据共享通道，建立与CIM平台相配套的公共数据管理制度和共享机制，加强城市运行动态数据接入和标准化治理，提升数据采集效率、更新频率和覆盖范围，确保多源数据合法合规、安全高效地融合利用。

《2023智慧城市 · 优秀应用案例集》已正式开启征订，欢迎各位新老朋友征订！