數(shù)字孿生技術(shù)與工程實(shí)踐--第5章-基于數(shù)字孿生的智能建造與智慧城市

1、數(shù)字孿生技術(shù)與工程實(shí)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(chǔ)設(shè)施等的建模是基于BIM（Building Information Sytem，建造信息模型）技術(shù)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(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)、建筑施工和一般的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造不同，有其自己的特點(diǎn)?！爸悄芙ㄔ臁本褪且灾悄芑慕ㄔ焓┕楸尘埃芯啃畔⒓夹g(shù)、智能技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)等全生命周期應(yīng)用的技術(shù)總稱。伴隨著智能制造領(lǐng)域?qū)S數(shù)字孿生系統(tǒng)的深入應(yīng)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(lǐng)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(fù)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(shí)施方案、實(shí)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(fù)雜的是城市數(shù)字孿生系統(tǒng)。城市運(yùn)行系統(tǒng)是一個典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)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?cái)?shù)據(jù)和模型基礎(chǔ)庫的建設(shè)，通過不斷豐富數(shù)字孿生服務(wù)功能，滿足多領(lǐng)域、多業(yè)務(wù)場景的應(yīng)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(yīng)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(shè)計(jì)、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(chǔ)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)、勘探、施工建造、使用、管理、維護(hù)直到報(bào)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(shè)計(jì)、施工、使用、運(yùn)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(jì)60年代，CAD（Computer Aid

4、ed Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）技術(shù)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(jìn)行智能模擬的計(jì)算機(jī)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(jì)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(yīng)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(yīng)用美國于2007年發(fā)布了國家BIM標(biāo)準(zhǔn)(National Building Information Modeling Standard)，作為BIM相關(guān)研究及開發(fā)的參考2009年，日本開始將BIM技術(shù)大量應(yīng)用在建筑行業(yè)中2010年，韓國公共采購服務(wù)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(biāo)志著BIM 技術(shù)在我國建設(shè)行業(yè)的應(yīng)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(shù)納入建筑信息化的標(biāo)準(zhǔn)中，接著2013年和2016年相繼推出關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見、2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要，再次明確BIM技術(shù)的重要性，BIM成為“十三五”建筑業(yè)重點(diǎn)推廣的五大信息技術(shù)之首；在2020 年發(fā)布了住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司 2020 年工作要點(diǎn)，提出“推動 BIM 技術(shù)在工程建設(shè)全過程的集成應(yīng)用”2020年8月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)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(guān)于推動智能建造與建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展的指導(dǎo)意見，指導(dǎo)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(shù)與建筑工業(yè)化技術(shù)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(jì)算、移動通信、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的集成與創(chuàng)新應(yīng)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(guān)聯(lián)的信息BIM中的信息對象是相互關(guān)聯(lián)的并且具有可識別的標(biāo)識。（3）唯一的模型信息（4）全生命周期的跟蹤（5）標(biāo)準(zhǔn)化的表述BIM的作用BIM技術(shù)發(fā)揮最大價(jià)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(shù)支撐和協(xié)同管理支撐來達(dá)到協(xié)同應(yīng)用的高標(biāo)準(zhǔn)。在企業(yè)級應(yīng)用中能成為企業(yè)運(yùn)營的關(guān)鍵支撐，根據(jù)建設(shè)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目級應(yīng)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(biāo)。BIM技術(shù)作為智能建造核心技術(shù)之一，在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)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(guān)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(shù)上解決軟件部署問題外，更大的是需要在組織流程、項(xiàng)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(jìn)技術(shù)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(jī)制，粗放式的生產(chǎn)管理方式導(dǎo)致施工效率低下、資源浪費(fèi)嚴(yán)重、環(huán)保問題突出、安全事故頻發(fā)、工程質(zhì)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(zhuǎn)型升級， 實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)高質(zhì)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(zhuǎn)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(jìn)入關(guān)注焦點(diǎn)。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(shè)理論開始發(fā)展的。20世紀(jì)90年代，有學(xué)者開始將制造業(yè)中“計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)集成建設(shè)CIC（Computer-Integrated Construction）的思想。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著BIM理念的推廣和BIM技術(shù)的日益成熟，以BIM為技術(shù)支撐，對建筑業(yè)實(shí)施系統(tǒng)變革的集成化建設(shè)理論逐漸成為工程建設(shè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。其中比較著名的有斯坦福大學(xué)的設(shè)施集成化工程中心（CIFE）的虛擬設(shè)計(jì)與施工（Virtual Design and Construction, VDC）理念，

11、以及英國Salford大學(xué)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(chǔ)上，將新一代信息技術(shù)、智能技術(shù)與先進(jìn)設(shè)計(jì)施工技術(shù)貫徹于工程建造的決策、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、運(yùn)維整個環(huán)節(jié)，使得建造方式具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自適應(yīng)等特點(diǎn)。智能建造促進(jìn)了各個建造活動生產(chǎn)關(guān)系的變革，實(shí)現(xiàn)了整個產(chǎn)業(yè)鏈的信息集成、業(yè)務(wù)協(xié)同，提升整個建造過程的能效，實(shí)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(shè)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(jìn)建筑施工的管理模式，基于信息技術(shù)來對建造過程進(jìn)行統(tǒng)一管理。各個環(huán)節(jié)及時反饋，基于協(xié)同平臺進(jìn)行工作交互，推行建造過程的“并行工程”、“精益建造”；（3）實(shí)時感知?；贑PS概念，實(shí)時感知每個環(huán)節(jié)的建造數(shù)據(jù)，為科學(xué)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(shí)時感知數(shù)據(jù)，對建造過程進(jìn)行分析和預(yù)測，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，提前發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)，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(lǐng)域得到重視和應(yīng)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(yù)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(shè)計(jì)現(xiàn)場施工”變成“設(shè)計(jì)工廠預(yù)制運(yùn)輸現(xiàn)場裝配”的模式。裝配式建筑的預(yù)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(shè)施的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量較高、節(jié)約資源等優(yōu)點(diǎn)。裝配式建筑的推廣應(yīng)用，可以促進(jìn)建筑施工的標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，和BIM等技術(shù)一起，可以加快智能建造模式的應(yīng)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(shù)，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(jié)合數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)智能化，還應(yīng)在建筑物的設(shè)計(jì)、運(yùn)維階段提高精細(xì)化水平，實(shí)現(xiàn)對整個建造過程進(jìn)行實(shí)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(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合與交互反饋，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)與信息在虛實(shí)世界中傳遞與集成的作用。智能建造中數(shù)字孿生的特點(diǎn)數(shù)字孿生在智能建造中的應(yīng)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(yīng)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(diǎn)：（1）建筑設(shè)施的建造過程是多方參與的現(xiàn)場工作，一般采用項(xiàng)目制管理，這就比工業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化過程需要更多的管控措施。因此，建設(shè)設(shè)施的數(shù)字孿生系統(tǒng)，在其建造階段就需要投入應(yīng)用，并且發(fā)揮建造過程模型和數(shù)據(jù)管理的智能化應(yīng)用；（2）建筑設(shè)施的壽命相比普通的工業(yè)產(chǎn)品都長，使用周期中會進(jìn)行多次的改建、裝修，這就導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(shè)施的管理兩部分。在數(shù)字孿生構(gòu)建

16、的初期，只有虛擬世界中對建筑物的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案經(jīng)過施工，形成建筑設(shè)施實(shí)體。智能建造的應(yīng)用，需要對建筑過程進(jìn)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(shè)施完成建造投入使用后，物理世界中的建筑實(shí)體完成，數(shù)字孿生的主要工作就是實(shí)現(xiàn)對建筑本身的維護(hù)和使用優(yōu)化了。建筑的虛擬實(shí)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(shí)現(xiàn)智能化功能。數(shù)字孿生服務(wù)，也大致分為設(shè)計(jì)建造階段的服務(wù)和使用維護(hù)階段的服務(wù)?；跀?shù)字孿生的智能建造應(yīng)用場景（1）初期規(guī)劃階段結(jié)合城市信息模型（CIM）

17、，通過BIM與GIS系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)合，能夠基于建筑環(huán)境特征和條件，為項(xiàng)目建設(shè)前期制定最優(yōu)的規(guī)劃、物流路線、實(shí)體功能性建設(shè)布局等重要決策內(nèi)容提供基于可靠數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)和施工方案的優(yōu)化。采用數(shù)字孿生的方法，可以為項(xiàng)目頂層規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。設(shè)計(jì)階段數(shù)字孿生技術(shù)對于設(shè)計(jì)師們來說，不僅是三維可視化的設(shè)計(jì)工具，帶來更多的對跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的模型和數(shù)據(jù)方面的技術(shù)支撐。數(shù)字孿生系統(tǒng)基于BIM技術(shù)，大量不同專業(yè)的數(shù)據(jù)自動完成錄入和分析處理，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)工程內(nèi)容的精確計(jì)算和建筑物性能的準(zhǔn)確評估，并分析驗(yàn)證建筑物是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)定和未來的可持續(xù)標(biāo)準(zhǔn)建造要求?；跀?shù)字孿生的智能建造應(yīng)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(kuò)大，復(fù)雜程度亦隨之提高，使項(xiàng)目管理變得極為復(fù)雜?；贐IM應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目數(shù)字化的管理，可以更直觀、精確地了解到整個項(xiàng)目實(shí)施的全生命周期在項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃方面，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以利用BIM應(yīng)用的施工模擬技術(shù)，來調(diào)整原有的施工計(jì)劃、施工進(jìn)度安排，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目實(shí)施的數(shù)字化管理在項(xiàng)目物料追蹤方面，根據(jù)BIM中的定量計(jì)算，可以精確采購，并且對物流供應(yīng)過程進(jìn)行跟蹤管理，類似制造業(yè)的供應(yīng)鏈管理基于項(xiàng)目共享管理平臺，能讓項(xiàng)目實(shí)施的各方人員共同就項(xiàng)目方案進(jìn)行溝通，及時排除風(fēng)險(xiǎn)隱患，減少項(xiàng)目變更數(shù)量，合理縮短工期，降低因設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)產(chǎn)生的成本增加，提升實(shí)施現(xiàn)場的生產(chǎn)效率運(yùn)行維護(hù)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(yùn)行維護(hù)提供支持將BIM中包含的建筑信息和物料的完整信息導(dǎo)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(zhǔn)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(xiàng)功能進(jìn)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(jié)晶，中東的約旦河西岸的耶利哥，被認(rèn)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(diǎn)。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(biāo)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(wù)業(yè)集聚的區(qū)域?，F(xiàn)代化的生活方式、價(jià)值觀念和人口、建筑物高度密集的城市景觀是其主要特征?，F(xiàn)代城市通常都是各級區(qū)域的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，亦是地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展賴以依托的支撐點(diǎn)。城市是一個“開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)”開放復(fù)雜巨系統(tǒng)是子系統(tǒng)種類很多并有層次結(jié)構(gòu)，它們之間關(guān)聯(lián)關(guān)系又很復(fù)雜，如果這個系統(tǒng)又是開放的，就稱作開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)。其復(fù)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(dá)不同，以各種方式獲取知識；系統(tǒng)中子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)隨著系統(tǒng)的演變會有變化，所有系統(tǒng)的

21、結(jié)構(gòu)是不斷改變的城市作為區(qū)域的政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，其包括的主要對象有政府機(jī)關(guān)、社會單位（企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等）、公共設(shè)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(xì)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(jì)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(zhì)、信息的聚集和沉淀。對于這種復(fù)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(jìn)行研究復(fù)雜系統(tǒng)的研究方法針對復(fù)雜系統(tǒng)的研究方法，錢學(xué)森先生給出的是“定性定量相結(jié)合的綜合集成方法”。而美國圣塔菲研究所John Holand提出的是復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論(C

22、omplex Adaptive System，CAS)。定性和定量相結(jié)合的綜合集成方法：定性定量相結(jié)合的綜合集成方法，就其實(shí)質(zhì)而言，是將專家群體（各種有關(guān)的專家）、數(shù)據(jù)和各種信息與計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，把各種學(xué)科的科學(xué)理論和人的經(jīng)驗(yàn)知識結(jié)合起來。這三者本身也構(gòu)成了一個系統(tǒng)。這個方法的成功應(yīng)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(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論：認(rèn)為復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的組成元素不是機(jī)器元件，其本身是有智能的，稱為適應(yīng)性主體，并能夠聚集成更大的適應(yīng)性主體，層層涌現(xiàn)，最終形成復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)城市作為一個復(fù)雜適應(yīng)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(gòu)成單元，是具有自適應(yīng)性

23、的城市活動參與者，包括個體的人、由人組成的組織機(jī)構(gòu)，還包括與人類活動密切相關(guān)、承載人類活動的物質(zhì)載體（建筑物、交通網(wǎng)絡(luò)、地下管廊等傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施、大數(shù)據(jù)等新型基礎(chǔ)設(shè)施）等可以按主體的特征構(gòu)建主體聚集、非線性發(fā)展、要素流、目標(biāo)多樣性、特點(diǎn)標(biāo)識、內(nèi)部模型和系統(tǒng)積木的七個重要內(nèi)涵和概念關(guān)系。城市模型現(xiàn)代城市及其管理是一類開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，具有多主體、多層次、多結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、社會結(jié)構(gòu)，針對其不同的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)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(xué)方法來說，有城市統(tǒng)計(jì)模型、城市系統(tǒng)動力學(xué)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(yùn)作規(guī)律的機(jī)理模型。而作為一個復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜程度城市線性系統(tǒng)模型、復(fù)雜的城市非線性系統(tǒng)模型城市模型采用的數(shù)學(xué)方法城市統(tǒng)計(jì)模型、城市系統(tǒng)動力學(xué)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(jié)構(gòu)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(qū)動城市治理的新方式，以實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)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(wù)數(shù)據(jù)以及三維模型等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。從城市建模的角度，CIM更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乇磉_(dá)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(shí)現(xiàn)城市的優(yōu)化管理和治理。行業(yè)內(nèi)認(rèn)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(jìn)行城市的信息化管理，以實(shí)現(xiàn)信息集的多方共享和協(xié)同維護(hù)，為城市規(guī)劃、管理提供相關(guān)決策信息。城市信息模型（CI

27、M）的特點(diǎn)CIM是一個城市的空間信息模型。CIM 模型是高精度表達(dá)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(yīng)該以此為基礎(chǔ)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(yīng)用模型，統(tǒng)一城市空間布局，通過仿真模擬和分析進(jìn)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(shè)計(jì)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(shù)形成數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)城市信息的共享和傳遞。CIM匯聚了基礎(chǔ)地理信息、城市建筑物信息和城市設(shè)施三維

28、模型等城市基礎(chǔ)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(shí)時數(shù)據(jù)庫。CIM數(shù)據(jù)組織應(yīng)基于開放共享的城市信息模型和三維傳輸交換標(biāo)準(zhǔn)來構(gòu)建。智慧城市2010年上海世博會園區(qū)總設(shè)計(jì)師、同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士認(rèn)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(jì)算機(jī)，電子設(shè)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(rèn)為：智慧城市是指能夠充分運(yùn)用信息技術(shù)和通信手段感測、分析、整合城市

29、運(yùn)行核心系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵信息，從而對包括民生、環(huán)保、公共安全、城市服務(wù)、工商業(yè)活動在內(nèi)的各種需求做出智能響應(yīng)，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(shí)踐，歷經(jīng)多輪迭代演進(jìn)，先后形成概念導(dǎo)入期（2008- 2012 年）、試點(diǎn)探索期（2012-2016 年）、統(tǒng)籌推進(jìn)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(xué)者認(rèn)為是進(jìn)入了“智慧城市4.0”階段數(shù)字孿生城市城市已進(jìn)入從管理升華到治理的歷史階段，社區(qū)網(wǎng)格化精細(xì)管理模式將逐步向基于數(shù)字孿生智能化自治模式演進(jìn)。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(xué)科的技術(shù)，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(shí)時、高效、智能的服務(wù)。數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生在城市領(lǐng)域融合應(yīng)用后的產(chǎn)物，是智慧城市深度發(fā)展的形態(tài)，也是當(dāng)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(zhǔn)映射、模擬仿真、虛實(shí)交互、智能干預(yù)等典型特性正加速推動城市治理和各行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展。在城市治理領(lǐng)域，將形成若干全域視角的超級應(yīng)用，如城市規(guī)劃的空間分析和效果仿真，城市建設(shè)項(xiàng)目的交互設(shè)計(jì)與模擬施工，城市常態(tài)運(yùn)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(shí)現(xiàn)通過城市發(fā)展時空軌跡推演未來的演進(jìn)趨勢，洞察城市發(fā)展規(guī)律以支撐政府

31、精準(zhǔn)施策城市數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)城市數(shù)字孿生系統(tǒng)中的“物理實(shí)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(yùn)行子系統(tǒng)、感知/發(fā)布設(shè)備以及通信設(shè)施組成。城市運(yùn)行子系統(tǒng)是實(shí)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(chǔ)支撐，將城市物理空間和數(shù)字空間進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。CIM也為數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)模型架構(gòu)，通過三維地理信息模型（GIS）和建筑信息模型（BIM）的集成來構(gòu)建，是數(shù)字孿生城市精準(zhǔn)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(guān)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(shí)現(xiàn)的，城市大腦是智慧城市的中樞，也是建設(shè)的重點(diǎn)。模型和數(shù)據(jù)的融合，體現(xiàn)了“定性和定量相結(jié)合的綜合集成方法”?；诔鞘袛?shù)字孿生系統(tǒng)的服務(wù)與應(yīng)用，是數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動下的新型應(yīng)用。各類應(yīng)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(xiàng)智能化功能，為智慧城市實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理提供條件。5.3 數(shù)字孿生城市應(yīng)用案例數(shù)字孿生城市應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用為智慧城市建設(shè)注入活力，隨著數(shù)字孿生城市從概念培育走向?qū)嵤┞涞兀锫?lián)感知、遙感測繪、模擬仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、信息通信等技術(shù)加速成熟應(yīng)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(gòu)數(shù)據(jù)融合能力提升，

33、行業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。此外，多技術(shù)交叉集成創(chuàng)新全面重構(gòu)智慧城市技術(shù)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(zhǔn)把握城市運(yùn)行情況，全面提升城市管控、公共服務(wù)能力。中國新智慧城市建設(shè)是物理設(shè)施和數(shù)字技術(shù)同步進(jìn)行。中國的智慧城市更多是從剛開始規(guī)劃的時候就實(shí)行智慧城市的概念，就相當(dāng)于在建設(shè)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(shí)驗(yàn)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(shè)方面，中國（上海）自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)臨港新片區(qū)的智慧城市建設(shè)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(shè)分為三層。第一層是基礎(chǔ)設(shè)施層，包括網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和智能感知設(shè)施；第二層是賦能層，包括計(jì)算平臺、智能