城市大腦的定義與理論基礎

文｜杜青峰 劉鋒 任偉陽

2015 以來，城市大腦的概念和定義首次提出后。隨著城市大腦領域在理論研究和產業實踐上的探索和進展，城市大腦已經成為前沿科技領域和智慧城市建設領域的新熱點，到2022年，全國已經有數百個城市宣布建設城市大腦的規劃。同時數千家大中型科技企業開始進軍城市大腦領域，提出了不同的“泛城市大腦”建設方案。

城市大腦的產生和建設不僅僅是工程問題，更是一個基礎科學問題。21 世紀以來，前沿科技領域出現了包括世界數字大腦、城市大腦在內的大量新概念新技術，這說明產業界必然出現新的規律在驅動新世紀的科技發展。如果要開展城市大腦建設和制定城市大腦的建設標準，就需要找到其背后的科學規律，形成堅實的理論基礎并以此為指導。避免方向性錯誤產生的過大探索性成本和由此產生的負面影響。

城市大腦是否具備理論基礎的三種情況

1.城市大腦的理論分類

分析上述學術界、產業界提出的城市大腦定義，從是否具備理論基礎主要存在三種情況：

第一種是以互聯網大腦模型作為理論基礎，提出21 世紀互聯網為核心的科技生態從網狀向類腦演化形成的互聯網大腦模型是城市大腦產生和建設的基礎。

第二種是以城市生命體作為理論基礎。提出城市是具有新陳代謝、自適應、應激性、生長發育和遺傳變異等典型生命特征的復雜巨系統，城市大腦是這個城市生命體的一部分。

第三種是沒有形成較為完整的理論體系，將城市大腦作為城市級的人工智能系統，或者人工智能中樞系統，但沒有指出各種技術按照什么架構來實現。城市大腦的第一種理論基礎互聯網大腦模型認為，21 世紀以來種種跡象表明，以互聯網為核心的世界科技生態正在從網狀向類腦結構演化，各種前沿科技可以看做是互聯網大腦模型中各神經系統發育的產物。

2.城市大腦定義分析

由于世界科技生態的類腦化進程，互聯網大腦模型與各個領域也不斷結合形成新的概念和技術，與科技企業結合產生了谷歌大腦、百度大腦、阿里ET 大腦、360 安全大腦；與產業結合形成了工業大腦、農業大腦、航空大腦等，與智慧城市建設結合形成了城市大腦、城市云腦等。因此在2015年1月論文《基于互聯網大腦架構的智慧城市建設探討》首次形成城市大腦的概念和定義中提出：城市大腦是互聯網大腦架構與智慧城市建設結合的產物，是城市級的類腦復雜智能巨系統。

這種城市大腦定義中的“大”與大數據的“大”含義相同，是結構和覆蓋范圍龐大的城市級類腦系統。各種前沿科技是作為腦結構中的各個神經系統聯合讓城市變得更智慧，同時當世界范圍的城市大腦通過互聯網大腦架構連接在一起時，城市大腦最終將形成世界數字大腦。

3.城市大腦總體框架

基于互聯網大腦模型的城市大腦概念通過參考腦結構最重要的兩個結構，神經元和神經元構成的反射弧，提出了1+N 的城市大腦建設模式和總體架構（如圖1所示），其主要包括兩個重要技術特征：

圖1 基于互聯網大腦模型的城市大腦架構圖

第一是建立世界統一的數字神經元網絡，為世界范圍的人、物、系統建立映射的程序單元，也稱為數字神經元，它們可以根據需求進行連接、組合、交互，從而實現跨部門、跨行業、跨地區的互聯互通。第二是多種數字神經元按照感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神經和效應器五個部分進行組合，形成的云反射弧的技術鏈條，可以靈活的解決城市、地區，行業的具體問題和具體需求。

城市大腦的第二種理論基礎城市生命體理論是從生命體的視角認識城市，借鑒生命體的認知幫助理解城市。例如，人有大腦，城市也有大腦；人有心臟，城市也有心臟；人有細胞單元、組織單元、子系統、生命體，城市也具備這些要素，這是從其構成來理解城市生命體。與此同時，也可以從功能來理解城市生命體，如生命系統所具有的新陳代謝、生長發育、應激性、自適應性、遺傳與變異等功能，城市也具備類似的功能和特征。

以生命體、有機體來講城市，是城市知識的觀念變革，它改變了過去城市作為增長機器、鋼筋水泥、生態花園等觀點，強調城市也具備生命體、有機體的特征，城市存在生命周期。

基于城市生命體的城市大腦認為城市大腦是平臺型人工智能中樞（如圖2所示），將散落在城市各個角落的數據匯聚起來，用云計算、大數據、人工智能等前沿技術構建通過對城市進行全域的即時分析、指揮、調動管理，實現對城市的精準分析、整體研判、協同指揮，從而更加智能地管理城市。

圖2 基于城市生命體的城市大腦架構圖

城市大腦的兩個理論基礎對比分析

在城市大腦的兩個基礎理論中，互聯網大腦模型提出通過物聯網、大數據、云計算、5G、區塊鏈、云機器人構建城市的神經系統，而在城市生命體理念中除了肌肉、血液、心臟、細胞等，也必然包括城市生命體的神經系統和大腦的構建。加拿大學者麥克盧漢提出新的電子媒介構建了人類社會的神經系統，這說明要實現城市生命體的神經系統也必然要使用物聯網、大數據、云計算、5G、區塊鏈、云機器人等等技術來實現。因此城市大腦的兩個理論基礎在為城市大腦做理論支撐時，內涵是一致的，但也存在兩個區別和不同（如圖3所示）：

第一個區別是，互聯網大腦模型理論認為，互聯網大腦是一個世界級的智能系統，城市大腦是互聯網大腦的子集，在互聯網大腦的整體框架下，城市大腦可以沿著省級大腦，國家大腦向世界數字大腦平滑演進。而城市生命體理論因為理論本身的邊界問題，無法將城市大腦放在一個更廣闊的空間內進行研究，也無法解決城市大腦向省級、國家和世界范圍擴展的理論構建問題（如圖3所示）。

第二個區別是，互聯網大腦模型提出了城市大腦不僅僅是人工智能系統，而是鏈接了人、機器和智能系統的“龐大的”類腦復雜智能巨系統，通過世界統一的數字神經元將人、機器和智能系統鏈接在一起，而通過云反射弧機制將不同的數字神經元組合起來進行聯合工作，可以在小到鄉鎮/社區、中到城市/省，大到國家世界范圍內靈活的應對人類的需求和問題。目前基于城市生命體理論提出的城市大腦定義，認為城市大腦是城市的中樞神經或“大腦”，重點體現了城市大腦的管控功能，但沒有解決如何將鄉鎮/社區、城市、國家和世界范圍的任意要素鏈接起來的技術結構；也沒有提出如何靈活的跨地區、跨行業、跨部門解決任何問題的技術機制，我們認為這個本身并不是城市生命體理論的問題，而是相關研究者和項目實施者沒有抓住城市生命體在構建城市的神經系統或腦系統中最重要和最核心的地方（如圖3所示）。

圖3 基于不同理論基礎形成的城市大腦示意圖

作為理論基礎，無論是互聯網大腦模型還是城市生命體也都處于不斷發展過程中，基于它們形成的諸多城市大腦定義也同樣處于探索中。在建設城市大腦和制定城市大腦的建設標準時，需要對城市大腦的不同理論基礎做更深入的討論，形成更廣泛的共識。避免因為理論基礎的薄弱甚至沒有理論基礎，導致在建設城市大腦和制定相關標準時產生方向性錯誤和重大探索性成本。