前海数字孪生城市的建设与应用

　摘要：本研究是针对数字城市与现实城市同步规划、同步建设，实现全过程、全要素数字化，做到城市运行全状态实时化、可视化，以及管理决策与运维服务的协同化和智能化，打造前海数字“透明”城市。主要以GIS+BIM+IOT数据作为虚拟城市模型的信息基数，搭建与物理城市同生共长的三维城市空间模型和城市时空信息的有机综合体；结合大数据、机器学习等技术，研发工程建设数字化管理平台、城市基础设施的智慧运维管理平台以及城市综合服务平台，提出相关配套的标准体系，实现城市规划设计、施工建设及运营管理的数字化、智能化，协调城市公共服务，打造城市治理生态圈。

　　关键词：数字孪生城市；GIS；BIM；城市规划；建筑管理；智慧运维

　　一、研究背景

　　前海深港现代服务业合作区(简称“前海”)位于深圳城市“双中心”之---“前海中心”的核心区域，于2010年8月26日国务院批准设立。片区肩负着国家自由贸易试验、粤港澳合作、“一带一路”倡议、创新驱动发展等“四大国家战略使命”及14个国家战略定位，地位极为特殊。

　　2018年11月，深圳市人民政府正式批复《中国(广东)自由贸易试验区深圳前海蛇口片区及大小南山周边地区综合规划》(以下简称《综合规划》)，未来将前海蛇口自贸片区建设成为依托港澳、服务内地、面向世界的“一带一路”倡议支点、粤港澳深度合作示范区和城市新中心。打造自由便利的繁荣开放之城、深港共建的国际创新之城和宜业宜居的绿色人文之城。2021年《全面深化前海深港现代服务业合作区改革开放方案》印发，前海合作区总面积由14.92平方公里扩展至120.56平方公里，产业形态随物理空间的“扩容”而更加丰富，对前海的规划有了更高的要求。

　　前海作为先行示范区中的示范区，一直致力于数字孪生、CIM、BIM等技术研究和应用落地，当前正在以妈湾、桂湾、前湾三湾核心区为重点，在现有城市级BIM模型基础上，打造数字孪生城市CIM平台，在城市规划、建设等领域开展一系列CIM+应用，为城市规划、建设提供更全面、准确、实时的数据支持，实现现实世界和数字世界的高度融合统一与双向联动，以数字赋能前海智慧城市建设，助力前海高质量发展。

　　本项目所采用的数字孪生(DigitalTwin)是以数字化方式模拟物理实体，将互联网、物联网、大数据等先进信息技术与城市规划设计、建设与运维管理理念进行有机结合，大力开展数字孪生城市建设，使数字城市与现实城市同步规划、同步建设实现全过程、全要素数字化，做到城市运行全状态实时化、可视化，以及管理决策与运维服务的协同化和智能化，打造前海数字“透明”城市。

　　本项目开展的前海数字孪生城市建设，是数字孪生技术在城市规划设计、开发建设与运营管理全方位的深度应用，是基于数据驱动、软件定义、平台支撑、虚实交互的城市信息模型(CIM)。通过数字生城市的建设，在虚拟空间再造一个城市，作为现实城市的映射、镜像、仿真、辅助与实验，进行大规模仿真、推演、预测，定位分析未来城市运行中可能遇到的瓶颈问题与社会风险，可以更好地实现数字城市向智慧城市的过渡。

　　二、研究思路

　　本课题研究前海数字孪生城市的建设与应用，构建城市三维空间信息模型、工程建设数字化管理平台、城市基础设施的智慧运维管理平台以及城市综合服务平台在内的前海数字孪生城市平台五大功能系统。

　　（一）打造城市三维空间信息模型:基于BIM技术、GIS技术搭建城市三维空间信息模型，打造“数字孪生城市”基底，实现10种主流数据格式、数据容量100G以上的BIM模型的整合，且在整合过程中，有效保障模型不丢失信息。模型整合后实现数据语义解析，能够为第三方提供数据共享服务;

　　（二）开展数字化规划设计应用:提高规划设计效率、加强沟通与协作、提升项目质量与可持续性等方面都具有重要意义，能够有效推动城市规划与设计领域的创新发展；

　　（三）打造工程建设数字化管理平台:在对工程施工科学管控的同时，全面记录新城建设过程信息;

　　（四）打造城市基础设施的智慧运维管理平台:开展城市建筑的智慧运维管理，提高公共建筑运维管理效率，节约运维成本;

　　（五）打造面向政府、企业以及公众的城市公共服务平台,提供政策发布、新闻资讯、企业信息、房屋租赁、物业管理等服务。

图2-1 城市框架图

　　三、研究内容

　　（一）城市三维空间信息模型的研究

　　城市三维空间信息模型包括城市基础模型与城市设施模型，其中城市基础模型包括倾斜摄影实景三维模型、三维地质模型以及海底三维地形模型；城市设施模型包括市政工程模型、建筑工程模型以及景观工程模型。模型创建整合工作要求最终将前述模型在深圳市独立坐标系下进行整合。

图3-1前海城市三维空间信息模型整合效果图

　　创建城市三维空间信息模型的关键技术问题在于解决海量“多源异构BIM模型（模型格式包括：*.max、*.rvt、*.fbx、*.obj、*.skp、*.3dm、*.dgn、*.cat、*.stl、*.dwg，模型数据量超过100G）”的创建与整合，且要求模型整合过程中，有效保障模型不丢失信息。

　　城市三维空间信息模型作为城市信息的载体，不仅具有几何信息，也同时包括非几何信息。将整合后“多源异构”模型按照统一的技术标准进行语义化解析，实现模型数据的结构化，确保数据的开放性与共享性具有重要的意义。模型语义化解析过程中按照数据间存在的业务逻辑关系，实现数据之间的属性关联，通过同名属性、关键字段、唯一属性等相关特征，使得多源模型数据保持关联关系，而实现多源数据在物理和逻辑上的统一组织和管理。

图3-2以GIS为核心的多源异构BIM模型整合与数据解析方案

　　（二）数字化规划设计应用的研究

　　1、三维展示

　　集成地上、地表、地下数据一体化，为用户群体提供城市漫游、顶点观察、场景调整等应用服务，展示城市整体风貌在不同场景下城市景观

　　2、查询统计

　　支持地块、建筑、管网信息智能化查询与统计。用户群体可根据需求，选择对应地块、建筑进行按需查询，实现信息数据的快速获取及统计。

图3-3建筑规划设计信息查询与统计

　　3、方案模拟

　　支持不同建筑规划设计方案在实景三维场景中的模拟分析对比，用户可根据设计需求，对块体建筑模型进行简易型的功能调整，如：方位调整、高度调整、贴图调整等。

　　4、方案审查

　　提供控规分析、景观分析、指标审查、方案对比功能模块、为规划审查提供可视化的辅助性审查分析工具，提高规划审查效率。

　　其中，控规分析包括退线分析、限高分析、日照分析、建筑间距分析、通视分析、视域分析、色彩分析等。

图3-4城市天际线分析

图3-5城市片区光照规划分析

　　5、设施规划分析

　　以大数据为依托，构建动态分析模型，对方案的拆迁、能耗、交通、管线等进行分析，辅助规划决策。

图3-6 5G基站选址分析

图3-7  片区开发选址分析

　　（三）工程建设的数字化管理的研究

　　参考PMBOK五大过程组和九大知识领域的项目管理行业标准，以项目为主线、以BIM与GIS为核心、以业务流程为驱动，建立前海工程建设数字化管理平台，增强工程建设综合分析管控及辅助决策能力。实现数据、业务、管理一体化，实现对前海新城建设项目群的计划、进度、质量、安全、招标采购、合同、投资、资料等建设过程全信息的综合管控。

图3-8平台功能架构

　　1、全过程管控

　　以项目为主线，以项目信息为主数据组织项目管理业务，项目管理过程中的计划执行情况、合同执行情况和项目文档等都可以按项目进行归集和查询。

　　以BIM与三维GIS为核心，依托三维GIS与BIM的结合，可视化展示项目的总体概况及总体进展，并将基本的业务数据与BIM相结合，如安全隐患、质量缺陷等信息。

　　以业务流程为驱动，以3条业务主线进行项目管控：①计划与进度：各项目统一编制内控计划，以内控计划中的里程碑节点为龙头驱动、串联项目管理工作，并实现实时预警；②投资与支付：以项目合同的投资计划、验工计价、合同支付进行串联，将项目的资金计划与实际支付进行数据流向管理；③合同履约评价：以安全隐患整改情况、质量验收及检查问题整改情况、进度反馈情况、支付情况作为合同履约评价的指标，评估合同履约情况，并进行全项目排名。

　　实现项目管理和职能管理的有效衔接，梳理项目管理和职能管理的逻辑关系，实现项目的管理工作信息与职能部门业务管理需求数据的全面对接。

　　2、两级门户实现多维度展现，各层级精细化管理

　　项目群门户：管控工作台展示所有工程项目的相关数据信息，及项目预警信息，实现对项目群施工建设状态的多维度展现和管控。

　　单项目门户：项目工作台展示该项目进度、质量、安全、投资等统计信息，将项目的执行情况和各类业务操作集成在一起，方便项目管理人员使用。

　　3、提炼整合系统数据，提升统计分析能力

　　通过工作台展现项目执行情况，整合系统中所有统计报表，实现信息汇总分析功能，主要包括项目汇总查询，项目合同台账，项目合同信息，项目合同投资与支付情况，质量验收一览表，项目安全统计表等，并将关键信息推送到用户桌面，为不同层级管理人员提供不同的数据支持。

图3-9工程项目建设数据一览

　　4、移动化办公

　　实现系统移动办公全覆盖，系统所有审批任务都可以进行移动办公，质量检查、安全巡检实现移动填报。

　　（四）城市基础设施的智慧运维管理的研究

　　本项目研究将BIM模型运用于在城市基础设施（公共建筑、管廊、市政、能源中心等）运维管理，提出一套应用BIM技术在基础设施的运维管理框架，配合BIM 技术的信息集成、有效传导和可视化等特点，将运维管理所需的各类信息整合到系统内，以提高运维管理效率，节约运维成本。

　　1、运维知识图谱构建及应用

　　知识图谱由模式层和数据层构成。模式层是由领域概念及其相互关系构成，是知识图谱的核心，体现为本体模型，是知识图谱的大纲。数据层是由领域实际数据抽取出的实体、实体间关系及实体属性值构成，是知识图谱的实例。知识图谱大纲的建立，将通过分析处理来自互联网和书籍专著的知识，以及来自BIM模型的数据和运维合同的条文等文档等相关信息资源来完成。

　　对应于项目目标，本项目首先调研城市基础设施运维管理数据资产的类别，梳理运维管理知识体系，建立运维管理知识图谱的大纲；然后结合示范项目的数据，建立一个运维管理知识图谱的实例，并利用现有的开源软件进行管理；最后，面向基础设施运维管理数据资产应用的实际问题，基于开源软件或市场主流BIM软件，研究开发运维管理知识图谱的一系列应用模块，包括：面向建模技术人员的模型合理性自动检查模块、面向公共用户的设备使用操作与维修自检的智能问答模块等。

　　2、以BIM模型为数字基底的运维管理系统框架设计

　　基础设施运维管理围绕设施设备维护检修智能化、能耗最优化两个核心需求驱动，基于BIM打造统一的开放式数据平台、信息的高度整合、广泛的数据服务（大数据）为基础，结合先进的检测传感技术和移动互联技术的应用，实现运维管理的智能辅助决策功能。

　　运维管理系统是一个集BIM模型数据三维可视化、运维业务数据采集与清洗、数据中心、AI智能算法、业务功能模块于一体的智慧系统。

图3-10运维管理总体框架图

　　3、业务功能模块的开发

　　（1）公共建筑运维管理构建应用

　　以BIM模型为“数据基底”，结合IOT技术，快速实现建筑空间、设备、环境、能源及安防等N个系统的“数据融合”，通过数据分析和AI算法形成的“数据智能”，为建筑运营管理者提供更为安全、高效、便捷的运营系统。

　　产品基于BIM+AIOT的技术构建“1+2+3+N”的体系，涵盖1个基于BIM的数据资产中心、设备故障量化能断和能源调度优化2项算法、服务+管理+监管3大服务端、融合N个业务系统。

　　数据资产管理中心：快速实现建筑空间、设备、能源、安防等数据的集成管理，融合成统一的数据资产中心。

　　BIM可视化监控中心：基于BIM的三维可视化交互体验，一站式监控，实现异常告警快速定位。

　　AI楼宇健康体检：基于BIM的三维可视化交互体验，一站式监控，实现异常告警快速定位。

　　运维应用：提供多种业务应用模块，为管理层和一线员工提供更为精细、便捷、灵活的管理方式。

图3-11运维管理系统功能模块示意图

　　（2）智慧公园运维管理构建应用

　　桂湾公园智慧公园以BIM+GIS模型为数字基底，以物联网、云技术等技术为支撑，将公园的游客、娱乐设施、设备、环境等数据汇聚到统一的平台，各应用系统之间互联互通、资源共享，通过数据挖掘和分析形成的数据智能，为游客提供优质的游园体验，为运营管理人员提供高效的数字化管理模式。

　　智慧生态：六项”生态指标感知（空气、土壤、噪音、水环境、虫情、植物健康）建立全方位的生态数字化管理体系，实现公园的生态重建，营造人、植物、动物和谐互动的生态公园。

　　智慧管理：“一个”基于BIM+GIS+AIOT建设的全息数字中台实现“一张图管理”；“七个”场景的智能识别预警建立主动式、智慧化的公园管理模式；

　　智慧体验：虚拟旅游、拍照识花、AR导览等多项具有分享性、互动性、科普性的智慧应用，提升游客的游园乐趣。

图3-12 智慧公园运营管理指挥舱

　　（五）城市综合服务平台的研究

　　城市综合服务平台是一个统一数据共享交换和服务支撑平台，可实现多系统的联动和统一管理，消除信息孤岛，提升城市/园区信息化管理水平，提高服务效率和品质，实现产业聚集和企业培育，助力招商引资和持续运营，提高管理者决策水平。

　　平台集合大数据信息，可借助大数据相关技术，可针对不同行为特征的企业和用户进行分析，聚焦客户针对营销，还可针对用户的不同需求进行个性化精准营销。

图3-13 i前城功能模块示意图

　　通过建设统一对外综合服务平台“i前城”，构筑统一的客户入口渠道，覆盖租赁、售楼、物业、能源等多业务通道，为客户提供方便、快捷、多样化的服务，满足不同客户的需求，提升客户服务体验、提高服务效率和质量，促进协作和信息共享，实现价值最大化。

　　四、创新点与特色

　　（一）采用以BIM＋GIS为核心的城市三维空间信息模型整合与数据解析的总体方案，在业内首次实现整合后“多源异构”模型按照统一的技术标准进行语义化解析，并通过同名属性、关键字段、唯一属性等相关特征，使得多源异构模型数据保持关联关系，真正突破模型数据语义结构化的技术难题，确保数据的开放性与共享性。

　　（二）首次将“BIM+知识图谱”应用在设施设备运维管理，以城市基础设施运维管理知识体系构建运维管理知识图谱大纲，以示范项目数据建立运维管理知识图谱实例，最后基于BIM技术形成三维可视化的且具备智能问答的应用功能，实现运维管理的智能化。

　　（三）开创性地将“BIM+知识图谱+自研故障相关性分析算法”应用在机电设备的故障检测中：利用BIM获取机电设备的信息及关联关系，利用设备管理知识图谱进一步细化、丰富设备的深层次关系，从而自动高效地生成设备的关系树或图，综合利用聚类、树/图遍历、相关性分析等算法，实时精确地完成故障相关性分析、故障定位定界等智能化故障检测工作。

　　五、成果市场推广应用前景分析    

　　（一）实现城市综合效益最优化

　　本研究利用数字孪生技术模拟仿真规划方案，暴露现有方案缺点，积极推动城市规划方案持续更新，避免不切实际的规划方案对城市建设产生重大影响。通过城市信息模拟仿真及数据可视化展示，以定量与定性方式，进行数据模拟、专题分析、动态评估、深度学习，成功预判规划方案对城市带来的影响,以此保证了规划方案实施落地,实现城市综合效益最优化。

　　（二）城市项目建设管理优化

　　城市项目建设过程中涉及面广泛、建设周期长、建设规模大复杂程度高，管理过程十分困难，特别是项目施工进度和施工质量难以科学管控。项目利用数字孪生技术，在建设过程中精确还原复杂的施工环境并进行施工模拟、仿真交互，提前暴露施工过程中可能遇到的问题，从而节约建设成本，缩短建设周期。对工程项目从设计、施工到竣工交付全过程进行数字化综合管控，实现了多个建造参与方实时沟通与协同协作确保重大工程项目按时、高质、安全交付。

　　（三）提高城市管理与服务水平

　　随着前海从全面建设即将转入城市运营阶段，在城市规划建设过程中形成的信息，成为前海重要的数据资产。在基础设施运维方面将城市空间三维信息模型、城市运行数据以及人工智能等技术相结合，对前海区域的设施状态、资源、交通、能源情况进行实时三维可视化监测、智能分析、智能调度，成功优化了城市的运行状态，提升城市的应急防灾能力;在城市运营服务方面，通过建立综合服务平台,提高服务效率和品质,实现产业聚集和企业培育,助力城市招商引资和持续运营，提高城市管理与服务水平。

　　（四）科技成果具有很强的示范效应和可复制性

　　本研究成果具有很强的示范效应和可复制性,可作为前海模式整体输出至国内其他新区。此外，产业园区、工业园区、旧城改造等项目也可以借鉴引用。

　　六、实施成效

　　前海数字孪生城市平台已建成，成功打造了包括为前海新城规划、建设、管理、运营服务工作提供基础能力支撑，同时也是未来智慧城市的基础性平台,支持扩展城市治理过程中的各种需求和应用。平台除了高渲染的三维场景的同时，通过语义地址的方式融合了地楼房权人、规划管控、工程建设、经济运行、固定资产投资管理、楼宇管理、公园管理等专题数据，打造若干个规划、建设、运营的CIM+应用场景。

　　本研究打造的前海数字孪生城市平台,创建整合了15平方公里的实景模型、15平方公里地质模型、15平方公里海底地形模型、150个房建项目共600栋建筑三维模型、50公里市政道路BIM模型、9座桥梁BIM模型、193公里市政管网BIM模型、6公里综合管廊BIM模型、5个景观公园模型、3个河道三维模型、3个地下空间模型，98个市政项目和49个建筑项目，涉及10个专业类别，模型文件总体量约2TB。

　　本研究已完成11项知识产权的申请，其中2项发明专利授权，9项软件著作权授权;并发表了1部著作《2021年城市信息模型(CIM)发展白皮书(指数报告)》，对该领域作出重要贡献:制定了三部地方标准，其中《建筑信息模型数据存储标准》已正式发布，为该领域的标准化奠定了基础;在EI国际会议、工程管理学报等核心期刊，发表了《前海集群市政工程BIM技术全过程应用研究》、《新城区BIM顶层规划应用实践》等20篇论文。且技术及功能指标通过权威机构的审核，并获得了检测报告，证明其质量和可靠性。

深圳市前海建设投资控股集团有限公司 深圳市前海数字城市科技有限公司