一、從BIM+GIS到CIM
2018年11月，住房和城鄉建設部發布了行業標準《“多規合一”業務協同平臺技術標準》的征詢意見，激勵“有條件的城市，可在BIM應用的基礎上建立CIM”。
那么什么叫CIM？首先我們得從BIM講起。BIM指的是建筑信息模型，簡單地說，BIM便是圍繞從建筑的設計、施工、運作直到終結的建筑全生命周期，將各類信息一直整合于一個三維模型信息數據庫中。
利用BIM這一個高度集成的三維模型，極大地提高了建筑工程的信息化水平，為建筑工程項目涉及到的各方工作人員提供一個工程信息交換和共享的平臺。興起于工程建筑領域的BIM技術如今已得到普遍的認同和應用，它讓建筑施工變的更高效、更綠色、更安全，總體成本更低。然而，BIM在提供精準的地理位置、建筑物周邊環境總體展現和空間地理信息分析上存在不足，而三維GIS恰好可以對這些不足進行補充，實現建筑物的地理位置定位及周邊環境空間分析，健全大場景的展現，促使信息更完善及全面。通過和GIS技術進行融合，BIM的應用范疇從單一化建筑物擴展到建筑群及其道路、隧道、鐵路、港口、水電等工程領域。
BIM整合的是城市建筑物的總體信息，而GIS則整合及管理建筑物的外部環境信息，它們的融合建立了一個包含城市海量信息的虛擬城市模型。因此，引出來了CIM的概念。
CIM指的是城市信息模型，是以城市信息數據為基礎，建立起三維城市空間模型和城市信息的有機綜合體。從狹義上的數據類型上講，CIM是由大場景的GIS數據+BIM數據組成的，是屬于智慧城市建設的基礎數據。基于BIM和GIS技術的融合，CIM將數據顆粒度精準到城市建筑物內部的單獨模塊，將靜態的傳統式數字城市加強為可感知的、實時動態的、虛實交互的智慧城市，為城市綜合管理和精細化治理提供了關鍵的數據支撐。
CIM從開始提出之初，指的是城市信息模型。在2015年的規劃實務論壇會上，同濟大學吳志強院士對CIM的概念進行了更進一步的拔高，提出城市智慧模型。吳院士指出，BIM是單體，CIM是群體，BIM是CIM的細胞。要解決智慧城市的問題，只靠BIM這一個單獨細胞還不夠，需要海量細胞再加上網絡連接組成的CIM才可以。
不論“CIM”中的字母I指信息還是智慧，CIM這一個概念的提出，把民眾的視野從單一化建筑拔高到建筑群甚至城市一級，給予智慧城市更強有力的支撐。
在CIM的范疇里，GIS可以提供接下來四個層面的能力：提供二維和三維一體化的基礎底圖和統一坐標系統的能力；提供每個BIM單體之間互相連接的能力，例如道路、地下綜合管廊與管線等；提供空間分析和管理的能力；提供規模性建筑群BIM數據的管理能力。
前三個是GIS傳統擅長的能力，而且現已得到成熟的發展；最后一個是GIS在CIM領域遭遇的新挑戰。在CIM層面上，管理對象是一個地區甚至于一個城市的BIM數據。BIM的數據量是非常龐大的，單獨一個建筑物的BIM數據就高達一兩百GB，由幾百萬個三維組件組成。城市級的數據量更加是無法想象。歷經這幾年的發展，GIS軟件不但實現了對接訪問BIM相關軟件的數據格式，而且實現了管理規模性建筑物的BIM數據的能力。
二、從CIM到數字孿生
數字孿生一詞最先產生于工業界，可是其在智慧城市層面的應用則來源于2018年通過的《雄安規劃綱要》，綱要指出：“堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設，適當超前布局智能化基礎設施，打造出全世界領先的數字城市”、“建立健全大數據資產管理體系，打造出擁有深度學習能力、全世界領先的數字城市”等建設內容。
近些年來在城市建設的過程中，CIM通過BIM、三維GIS、大數據、云計算、物聯網(IoT)、智能化等先進數字技術，同步生成與實體城市“孿生”的數字城市，實現城市從規劃、建設到管理的全流程、全要素、全方位的數字化、在線化和智能化，更改城市面貌，重塑城市基礎設施。
可以從接下來三個層面從廣義上去理解CIM的組成：BIM數據，便是城市單個實體的數據，是城市的細胞；GIS做為所有數據的承載，把數據進行整合；與此同時，通過IoT為CIM平臺帶來實時展現，展現客觀世界全部的狀態，這就是“數字孿生”城市的概念。
CIM是數字孿生城市的基礎核心，同時運用CIM的可擴展性，可以連接人口、房屋、住戶水電燃氣信息、安防警務數據、交通信息、旅游資源信息、公共醫療等眾多城市公共系統的信息資源，實現跨系統應用集成、跨部門信息共享，支撐數字孿生城市的決策分析。
通過數字孿生城市的技術，在虛擬空間塑造城市的一個拷貝，做為現實城市的鏡像、映射、仿真與輔助，為智慧城市規劃、建設、運行管理提供統一基礎支撐。
1、城市規劃仿真
基于多源數據和多規合一實現規劃管理一張圖。整合所有的基礎空間數據(城市現狀三維實景、地形地貌、地質等)、現狀數據(人口、土地、房屋、交通、產業等)、規劃成果(總規、控規、專項、城市設計、限建要素等)、地下空間數據(地下空間、管廊等)等城市規劃有關信息資源，生成數據完善、結構合理、規范高效的數據統一化服務體系，在數字孿生空間實現合并、疊加，解決其中的規劃沖突，統一化空間邊界，生成規劃管理的“一張藍圖”，以此為基礎進行規劃評估、多方協同、動態優化與實施監管。在充分保證“一張藍圖”實時性和有效性的前提條件下，通過對各種規劃方案及結果進行仿真模擬及可視化展現，實現方案的優化和遴選。
2、城市建設管理
在城市建設規劃的設計階段，運用數字孿生技術，搭建復原設計方案周邊環境，一方面能夠在可視化的環境中進行交互設計，而另一方面能夠充分的考慮到設計方案和現有環境的互相影響和制約，讓原先到施工環節才能暴露出來的問題事先暴露在虛擬設計過程中，便于設計人員及時對這些問題進行優化。
在施工環節，運用數字孿生技術中對象具有的時空特點，將施工方案和計劃進行仿真模擬，深入分析工程進度和計劃的合理性，對施工流程進行全方位管理。
3、城市運維管理
在運維管理環節，運用城市實體中各種物聯網傳感器和智能終端實時獲得的數據，基于CIM模型，對城市基礎設施、地下空間、道路交通、生態環境、能源系統等運行情況進行實時監測和可視化綜合展現，實現對設備的預測性維護、基于仿真模擬的決策推演及綜合防災的快速響應和應急處理能力，使城市運作更平穩、安全和高效。
現階段，以CIM技術為基礎的數字孿生規建管技術平臺已從理念邁向成果落地環節，現階段在雄安新區、北京新機場臨空經濟區、北京城市副中心、福州濱海新城、青島中央商務區、北京未來科學城等進行了實踐，形成了較好的創新示范效應和社會價值。
三、數字孿生在城市中的應用與前景
數字孿生城市為城市治理產生新變革。由模型疊加數據搭建的數字孿生城市，在支撐城市治理這方面有幾個無可比擬的優勢：一是提供全景視野、城市多維度監控和全量數據分析，對城市發展趨勢提前演練預測，以數據驅動管理決策，以仿真模擬驗證管理決策，線上線下虛實迭代，促進資源和能力的最佳配置，促進科學決策；二是促進精細管理，360度無死角監控監控，陸海空多方位立體感知，城市治理可以運籌帷幄之中而決勝千里之外；三是提供協作方式，突發狀況應急反應，全域協調聯動，就近調用資源。接下來將數字孿生在智慧城市構建中的一些情景做一些設想：
1、數字孿生優化交通出行。通過將物理世界中繁雜的交通系統，運用云計算、物聯網、人工智能、大數據、實景三維、語義化等技術進行模擬，搭建可被機器理解的數字孿生交通環境，結合多源異構的交通實時數據，搭建交通信息知識圖譜，對交通時空大數據進行發掘、分析及展示，進而實現對交通的監控預警、應急處理及擁擠治理等功能。
2、數字孿生推動智能駕駛發展。通過數字孿生實現對道路、地形、交通流、交通標志、光線、天氣等的高精度仿真模擬。運用高度逼真、情景豐富的仿真模擬平臺，基于真實道路數據、智能模型數據和案例情景數據對自動駕駛車輛進行檢測和訓練，可以提高智能駕駛的決策執行力和安全穩定性，加快無人駕駛更加安全地落地推廣和普及。
3、數字孿生讓應急演練更仿真。運用數字孿生技術及虛擬現實技術，可以給用戶模擬一個真實出現的突發性災難情景，并能迅速復原事故現場，例如火災、暴雪、地震、泥石流等事件，讓用戶宛如親臨其境，更為生動地感受在緊急事件出現時每一個行動所產生的后果。
四、結語
做為新型智慧城市構建的一種新思想、新模式，以CIM為核心技術的數字孿生城市正推動著龐大的產業資源和智力資源參與生成城市級的創新平臺。在愈演愈烈的智慧城市構建的浪潮中，占據CIM這塊技術高地，不僅僅有益于帶動空間信息服務與智慧建造服務的發展，同時也為周邊行業及一些基礎性和應用型的技術指明了新的發展方向。數字孿生城市的虛實結合、精確映射的特性對技術提出了新的要求，比如說減少地理測繪的周期、提高信息采集刷新的頻次、提高數據加載與圖形渲染的速率、規范數據采集和結合的標準、增強實時數據的分析發掘能力等。增城城鄉院將持續專注于前沿GIS技術，并積極開展CIM及數字孿生城市的探索和學習，推動增城城市建設的智慧化。