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数字孪生城市的思考 — 以雄安新区规划建设BIM管理平台项目

2020-12-01 23:24

来源:规划中国

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        2020年11月11日,由中国城市规划设计研究院和阿里巴巴牵头承担的 “雄安新区规划建设BIM管理平台(一期)项目”顺利通过终验专家评审会。来自住房和城乡建设部、交通运输部、国家信息中心、中国电子技术标准化研究院、清华大学的专家对项目进行了质询与评审,雄安新区规划建设局、改革发展局、中国雄安集团数字城市科技有限公司等相关领导及人员参会。

        专家组对项目成果交付文件及平台建设给予了高度评价。雄安新区规划建设BIM管理平台针对城市全生命周期的“规、建、管、养、用、维”六个阶段,在国内率先提出了贯穿数字城市与现实世界映射生长的建设理念与方式;自主构建了以XDB为代表的一整套数据标准体系;实现了从核心引擎到上层应用的完全国产化,技术自主可控。在国内BIM/CIM领域实现了全链条应用突破,具有领先性与示范性。平台各系统运行稳定可靠,将助力雄安数字孪生城市进一步完善提升。

        本文为中国城市规划设计研究院未来实验室执行副主任杨滔在“2019年度CAUPD业务交流会”上做的报告,感谢作者悉心整理&授权发布。感谢会议主办单位总工室等部门提供的资源支持!

引 言

        在数字中国、新基建、新城建发展的大背景之下,“数字孪生城市“成为当今城市治理能力现代化的热点话题。早在中共中央、国务院对《河北雄安新区规划纲要》的批复精神和要求中,数字孪生城市的概念就得以提出:“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设,适度超前布局智能基础设施,打造全球领先的数字城市。建立城市智能治理体系,完善智能城市运营体制机制,打造全覆盖的数字化标识体系,构建汇聚城市数据和统筹管理运营的智能城市信息管理中枢。”本文以雄安新区规划建设BIM管理平台项目为例,就数字孪生城市进行探索性思辨,也是对城市信息模型CIM作为数字孪生城市的操作系统进行概念性探索。

      “数字孪生”从字面上看,就是对我们世界万物的实体,不管是原子,还是分子,进行数字化的复制。早在1960年,美国宇航局提出数字孪生的概念,其目的是在地球上对外太空的航天器进行仿真模拟,从而推演外太空的航天计划,避免航天器发生事故或遭遇灾害。可认为,数字孪生是一组虚拟信息,从微观原子角度直到宏观几何角度,去全面描述真实或潜在的物质世界;任何用于建造该物质真实的信息,都可以从数字孪生中所获取。

        对于数字孪生城市而言,它不仅是对实体城市的简单复制和映射,而且促进我们基于数字空间进行社会经济环境的重构与创新,这将会孕育出与实体城市互动交织的新兴未来。因此,数字孪生城市将基于真实的城市数据不断进化出未来智能;将随着数字技术的演进日益强化,最终成为一个承载人类物质世界、社会活动和集体心智的无限场域。

 

 

        对于雄安新区建设而言,数字孪生城市的建设是其重点之一,也孕育了未来城市的新需求。这包括三方面的内容:第一是数字智能基础设施的建设,将支撑整个城市未来的数字化发展。第二是全域智能环境的建构,也就是实体城市公共空间或者室内空间都充满泛在智能感知终端和服务,支持着人机友好互动的智能界面。第三是最终实现近期我国所提出的数字资产交易、数字资产管理、数字经济创新等理念,将作为今后城镇化的新动力,预测将衍生出未来新的城市形态。

 

        在雄安BIM平台搭建的早期,我们借鉴了多伦多的Sidewalk案例。在传统的城市设计和建设运营的基础之上,该案例搭建了覆盖全域的数字层,实现可持续发展、经济适用性、机动性和经济机会均好性的新标准。虽然目前该案例失败夭折了,但其概念与理念对我们有很大的启发。借助数字化技术,该案例创新了实体城市运营的方方面面,包括点对点交通方式、灵活高效的不动产管理模式、全天候公共空间共享设计、基于大数据服务的新型社区形式以及激励创新的开放数字基础设施。

        基于传统城市规划和设计,该案例在可持续发展、城市可负担性、建筑宜居性以及出行系统上建构了数字孪生的城市,使得城市各个方面能够进行协调,能够进行共生。从空间的角度出发,不管是对过去土地的空间管理、设计,还是今后对于数据的管理、融通,亦或对于未来智慧化的应用,包括数字化货币交易等,我们都将落实到空间的规划、设计、治理和运营过程之中。在整个数字孪生城市体系架构下,我们在思考不同尺度的敏捷性智慧应用服务体系。在城市的层面上,比如存在电网、交通、气象、水务、政务等设施系统,它们依赖不同的城市系统和组织在运行;在社区或者办公区层面上,存在社区服务、智慧办公、智能家居等;在个体层面上,存在各种类型的穿戴设备。借助GIS、BIM、IOT等系统,城市、社区、家庭三个层面得以相互连接,构建起数字城市的复杂巨系统。

        对于这样的巨系统,过去我们对于城市数据是被动的接收。而今后一旦有了这套敏捷感知和反馈的系统之后,我们对城市更多是主动发现,进行多维度的感知,最后分析出城市中需要进行创新的方式。其中,最重要的方面是事后的归档,也就是在系统性学习之中,形成结构化的知识图谱,能够运用下一步创新和迭代之中。对于整套系统而言,核心的一部分就是如何把宏观的城市运行、中观的建筑运维、乃至微观的部件应用或事件发生进行关联。借助于GIS和CityGML,以及BIM和IFC等融通方法技术,探索实现在不同尺度上的数据存储、展示、计算的一体化打通,这是技术系统层面上的思考。

        在整体层面上,我们会提出城市的发展目标,如创新、韧性、幸福、宜居、绿色等。而这些目标将会映射到每一个空间单元上,也许是过去的控规单元。不过,我们探索将这些目标分别映射到各种专业单元上,如功能单元、海绵单元、形态单元、能源单元、或生态单元,这个单元规模不一,同时存在各自的规则体系。那么,各种绩效目标在不同的单元上进行了拆解,落实到每个地块上,构成了几何解析与数据解析,对应于于形态审查和指标审查。最后这些指标或规则落实到建筑及其部件之上,于是建设规划的宏观目标规则得以层层分解。

        对于城市运行而言,这套逻辑又反过来了。从建筑部件到地块、到各种专业单元,最终汇聚到城市,形成了城市运营活数据的层层汇聚,用于评估城市总体目标是否实现。于是,这构成了规划、建设、监测、调整的一个闭环。

        要形成这一套规划建设的逻辑,背后存在各种模型的支撑,包括基础性的数学、统计、地理等模型、以及大数据挖掘、智能化算法等。同时,模型库中也涵括专业模型,比如区域经济模型、人口模型、适宜性评价模型等。最后还包括综合性的城市模型,如增长边界、投入产出比等模型。当然,我们也不可忽视专家团队的作用,及时搭建机器与专家团队之间的深度互动,共同优化模型功能。

        在这套模型的过程中间,我们设计了空间的阈值和时间的阈值,去判定我们城市运行过程中是否在空间上、时间上实现规划目标。如果出现了突破阈值的预警情况,我们可以对比诸如公共服务设施和人口是否匹配,是否实际人口增量超过了公共服务设施配给,是否需要提升服务绩效能力等。在评估过程中,将会进行方案对比。不仅是方案本身的优劣势对比,也包括影响力评估。例如,对于某个地块,能源供给增加后,其周边的磁场或热环境是否有所变化,是否对健康有所影响。在优化的过程中,设置了不同程度的决策模式,包括策略调整、设施调整以及规划调整。例如,在交通领域,红绿信号灯的改变是策略性的,停车场的变化是设施性的调整,而综合交通规划体系的修改则是规划上的调整。那么,这就形成了预警、评估、方案对比、优化这样的闭环。

        所有的分析、乃至于我们对于未来的推演研判,都依赖于数据。面向未来,物联网感知数据是尤为重要的。通过无缝覆盖的物联网,自然环境、社会环境、行为模式等数据都将被有效地汇聚起来,从而通过数据治理,勾画城市未来的画像,这也是城市发展绩效的一种监测与评估。除此之外,还存在我们城市本身的建设活动及其相关指标标准,如容积率、贴线率等,这可视为城市作为实体的内在建设基因。那么,“实体”建设基因和“虚拟”运行绩效之间是否有相关性?通过机器学习,可辅助我们揭示出城市内在规律。例如,一个运行绩效良好的科技园区如何依赖于土地混合程度、绿化水平、路网可达性、住房租金、或咖啡厅密度等方面的支撑。建立起这套运行绩效和建设基因之间的关联后,可应用到开放的众规,也就是赋能普通老百姓和利益相关方,助力他们更便捷而理性地参与到城市建设或城市运营管理中,建立起市民、专家以及政府之间很好的沟通互动渠道。

        整体来说,数字孪生城市实际上立足建立全周期、全时空、全要素、全过程的数字信息系统,其核心是优化时空资源配给,特别是从时间的维度去重新审视空间资源的配置,建立起实时协同反馈的规划与治理模式。

        在雄安BIM平台项目中,我们牢牢围绕空间这个核心,抓住行政许可环节,采用数字技术,来记录雄安实时生长与演变规律,探索数字孪生城市的建设。首先包括6个阶段:现状、总规、控规、设计(扩初深度)、施工、竣工。竣工之后,这套BIM信息模型依据运营要求,进行拆解,重新又回到现状空间,并与感知设备或物联网相结合,实现城市的监测预警评估。在6个阶段的循环过程之中,雄安全周期的记录得以实现,称之为全周期。实际上这推动了规建管流程重塑,也切实减少管理审批流程环节。

        第二是全时空,也就是异构数据,不管是规划与建筑的数据,还是今后运营的数据,都以时空为框架,进行融通治理。GIS数据偏向相对较大尺度的地理定位信息,BIM偏向中观尺度的物理空间信息,而IOT偏向监测数据信息,更为微观而细致。如何将不同格式的异构数据融通起来,形成一个公开的格式(XDB),使得数字化的市政、民用建筑、道桥、园林绿化,乃至于城市家具都能够在这个平台上运行起来。

        融通的框架就是统一ID的时空数据库及其空间编码。基于最小三维空间统计单元,将关联地上地下、室内室外的空间数据,包括规划,建设,以及诸如IOT水表的空间数据,它们彼此融合和沟通起来,形成一个层层嵌套的空间体系。那么,与之对应的一套空间编码体系也由此生成,最小单元是三维房间,也就是让规划中、建设中、运营中,每个空间都有一个唯一的“空间身份证”。这个以三维房间为基准的身份证,记录着某个空间中不同的功能、不同的人口,乃至于资源的变化等。以空间为锚点,统合不同行业的数据;同时,基于这套空间编码,辅助6个阶段中现状、总规、控规、设计、施工、竣工之间的数据流转,各个专业标准规范,专项的规划要求以及指标体系等也由此而传导下去,辅助实现城市决策与治理。

        第三是全要素。全量要素本质是系统性关联,这依赖于规则的运用。在规划阶段、建设阶段以及今后的运营阶段,其规则各自不一样,怎样将规划目标最后传导到建设、运营过程中,实际上要实现规则的纵向打通。与之同时,不同行业之间的横向规则打通,也尤为重要,这是实现全要素系统联动的关键。

        而规则孕育在指标体系之中,分为审查值、监测值以及备案值。审查值针对城市而言,比如三线划定、容积率等,都是体现在建设标准之中,可进行刚性或弹性的管控。监测值包括人口、绿色出行比例、万元GPD能耗等。只有城市运行起来,我们才能知道是否达到规划的要求,这实际上与告知承诺书或评估预警密切相关。备案值包括厂家信息、混凝土标号、养护情况等。也许是出现工程事故或者某种应急情况下,这些备案值才会得以应用。

        第四是全过程,依据数据底板以及多元化的终端互动方式,推动开放式的城市治理新范式。对于全过程的开放治理,强调第一时间能够实现查询,也就是说规划条件以及建设变更过程中各类数据,可查询、可追溯、全透明。在此基础之上,我们期望形成一个数字化的跨专业数字底板,能够提供给全世界的规划师和设计师,为雄安的建设献计献策。

 

        雄安BIM管理平台的成果包括如下方面。首先是平台的软硬件环境和运行的制度体系配套;其次是数据底板,包括现状地质、各类规划、专项与城市设计、建筑市政设计以及运营的数据;第三是三套数据管理标准,分别是身份标准、语言标准、计算标准。这些多源异构数据是根据三套标准被组织起来。身份标准就是上文提到的最小三维空间统计单元及其空间编码标准,让各类数据都纳入空间框架之中。语言标准就是数据格式和数据成果标准。不同行业、不同软件的数据格式有可能不一样,建模方式以及汇交成果也可能不一样,因此需要根据城市治理的需求进行标准化统一。计算标准指规则计算与传导的方式标准化,也就是同一个规则可以在不同的行业,不同的阶段都能标准化计算并传导。同时,全局联动计算更强调局部和整体之间的互动关联,如某个地块的人口规模与其周边公共服务设施规模之间的关联。在此基础上,建构了孪生城市的数字空间。最后实现功能包括展示、查询、交互、辅助管理与决策,并期望在未来能够实现数字资产交易。

        推动这个平台的建设,还有一系列配套指标体系及其衍生标准,包括规划、建筑、市政、地质、水利、园林等指标体系、建模挂载标准、以及智能基础设施的标准等。同时,也包括雄安的规、建、管的制度体系创新。这个平台本质上也以数字化的方式推动了规、建、管的治理方式改革,包括建筑师负责制、总规划师负责制、建设单位告知承诺制、建设单位主体责任制等。

        面向未来,城市信息模型(CIM)将会推动数字孪生城市全生命周期的智能化应用。下一步,我们将更加专注于规划方案仿真模拟,也就是借助三维规划条件形成环节,打造跨专业数据底板,不仅把总规和详规以及城市设计连接起来,同时也把地质、交通、能源、供水、环保等与之相关的专项规划和城市规划方案无缝衔接起来,建立各专业之间的数据协同联动。实际上,在雄安项目上,不同机构的方案在平台上拼合在一起,就能快速发现某些线下难以发现的不吻合点。同时,模型测试以及仿真模拟,包括交通、空间、水和气候系统模型,都将成为规划设计方案优化的辅助工具。更为重要的是专家会商,推动人机互动,辅助识别规划设计中需要优化的部分。

        针对具体施工项目,这个平台也将关注全生命周期的建设施工过程,包括土方量的估算、施工时序、物料运输、物流配给等,同时也包括施工过程中的科学化管理以及工地的智慧化监测、预警等。针对不动产的管理,空间编码最小单元是房间或户型,这些房间或户型具有不同的空间编码,关联到人口信息,之后衍生到与人相关的社会经济等属性之中,从而实现对不动产更为综合化的评估,包括住房和产业体系的评估,有助于实时协同空间资源的再分配和相关政策的优化。

        对于城市运维方面,更加强调城市感知与万物互联互通的作用。通过城市市场化的运行,实时采集不同类型的建筑物、不同类型的人口对能源、交通、公共设施等使用情况,推动城市实时监测、预警、评估,定期反馈进行大数据分析,用于下一步的规划、设计、建造、运营,提高空间治理能力。

        对于CIM平台本身而言,不同技术模块之间的协同尤为重要。首先是大数据空间分析,既包括描述性分析,也包括预测性分析,还会涉及机器自动拟合出来的经验参数,实际上,这部分大数据分析仍然是各类数据在空间上的可视化及其关联判断。其次是城市系统性模型,包括交通系统、能源系统,环卫系统、水系统等模型建构,在很大程度上依赖于专业知识图谱的建立。最后是监测数据,包括居民出行、生活质量、市场交易、城市环境等,这些属于规则性综合指标的再现。这些不同技术模块将会共用一些数据或数据集,不同的专业也将共用一些数据或数据集,那么以此建构数据中台和微服务,将会更为高效地调用不同模型,进行仿真评估,助力形成全要素、全流程的CIM平台。

        最后,CIM平台将提供以人为中心的智慧感知界面。街道立面是我们感知城市空间的界面,手机屏幕是我们感知数字空间的界面,个体穿戴设备是我们感知隐匿维度的界面。不同智能化的感知界面将会促进人们从更多的视角去体验空间,这将会加速我们对物质世界和数字世界的认知和决策。基于CIM平台的数字孪生城市最终将会提升并重塑我们人类对于城市或者对于未来的感知、认知、体验、决策能力,孕育出更多的未来使用场景,挖掘更多的未来发展维度,催生更多的未来创意想法,最终加速实体城市社会的演进。

 

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