柳进军 | 城市大脑的逻辑模型

近年来，在人工智能、大数据、云计算等新技术发展以及国家新基建等政策的双重推动下，各地政府普遍将“城市大脑”建设纳入了城市发展建设计划，“城市大脑”相关的实践活动也在蓬勃开展，“城市大脑”已经成为了城市发展和科技创新领域的新热点。尽管“城市大脑”相关的实践催生出了很多的科技成果，但是学术界、产业界对“城市大脑”的理论研究目前尚未形成统一的认识，有关“城市大脑”的概念与内涵阐述存在较大差异。

中关村科学城城市大脑股份有限公司董事长、中关村创新研修学院院长柳进军从智能的产生出发，通过对生物智能、社会智能、城市智能相关理论开展研究，提出了“城市大脑”对城市可持续发展所起的重要作用。他认为，城市大脑是城市智能操作系统，是具备自学习、自优化、自演进特征的未来城市基础设施，是城市治理体系和治理能力现代化的科技支撑，是引领城市数字经济发展的核心引擎。

城市大脑的方法论有哪些？

1

本质理解上，城市大脑具有“生命体”动态演进的特征。城市大脑具有“生命体”动态演进的特征，具备自我学习、自我修正、自我演进、自我生长的特质。城市大脑建设不是一蹴而就的政绩工程，而是一项长期持续、动态演进的过程。

2

建设理念上，政企合作是建设城市大脑的必然方式。通过建设机制和运作模式的制定，激励引导企业侧共同参与、共同奉献、共同获益，依托城市大脑构建政府、企业之间的新型生产关系，共同促进产城融合发展。

3

建设方法上，遵循“需求牵引，业务驱动”的基本原则。城市大脑应因需而建、一城一策，和产业融合、和环境融合，根据地方的需求、发展做设计，进行场景化应用封装，满足城市个性化发展需求。

4

体系架构上，城市大脑是可持续演进的开放平台。将互联网基因融入城市大脑建设，融合各类不断涌现的新技术、新算法、新应用，将城市大脑构建成开放式平台，对未来不断演进的业务需求能够快速响应。

5

在设计哲学上，需要制定满足未来城市发展的方法体系。城市大脑的顶层设计不追求静态的、大而全的方案制定，而是通过确立一些系列规则，引导城市大脑真正实现动态生长。

更多精彩观点

01 理论回顾和文献综述

中国城市大脑的理论成果

中国科学院研究团队于2008年发表论文提出了“互联网大脑模型”，模型指出，互联网经过数十年的发展正在从网状结构发展成为大脑结构，互联网结构的这一重大变化也必将对科技、经济、产业、城市建设等诸多领域产生重大的影响。

2015年2月，中国科学院研究团队根据互联网的类脑特征与智慧城市相结合，发表文章《基于互联网大脑的智慧城市建设》，提出了城市大脑的一种概念和定义，其内容如下：“城市大脑是城市建设伴随着21世纪互联网架构的类脑化过程，逐步形成自己的中枢神经（云计算）、城市感觉神经（物联网）、城市运动神经（工业4.0，工业互联网）、城市神经末梢发育（边缘计算）、城市智慧的产生与应用（大数据与人工智能）、城市神经纤维（5G、光纤、卫星等通讯技术）。”

中国科学院研究团队分别在2017年发布的科学蓝皮书和2018年IEEE国际会议上发表的论文，进一步阐述了城市大脑的建设框架，重点提出城市大脑是一个聚合机器云智能与人类群体智慧的类脑智能复杂巨系统。同时还提出了城市智商的评价标准，指出通过对城市神经元网络和城市云反射弧的成熟度考察，可以评估一个城市的城市智商。

关于智能的研究成果

根据辞海的定义，智能，是智识与才能，即智慧和能力的总称。具体表现形式是智商和能商。智能有多种表现形式：

（1）生物智能和非生物智能

生物智能需要极长时间的进化。研究发现，生物智能的最大特点是，在生物大脑当中数据的传输和数据的处理可以同步，数据的传输和数据的处理由神经突触和神经元协同完成。在同样的时空条件下，生物大脑能通过分布式的神经系统，实现数据的交换和数据的处理。而生物大脑记忆的信息是只保留了关键的、精华的数据。

人类通过对自然界的观察、反复实验迭代、科学的思维逻辑，推动了手工业直至工业革命的发生，可以称之为世界I。占卜、宗教是生物智能形成的形而上的世界，可以称之为世界II。

非生物智能与生物智能表现出很多不同之处：特点一，非生物智能的进化很快，不依赖于生物繁衍、基因突变、基因组合。非生物智能是以人工智能和人机交互为基础，将基础设施、能源和计算结合之后，驱动智能向更高级的方向进化、发展。特点二，非生物智能虽然比生物智能计算的快，但不会产生类人的情感、情绪等生物特征。特点三，非生物智能的记忆能力超强，不但可以记住精华、也可以记住细节。以计算机为代表的非生物智能的第四个特点是，数据的传输与数据的处理无法同步进行。数据不是为了存储而存储，而是为了在需要时能够快速提取而存储，存储的作用是提升数据处理的有效性。

计算机、互联网、5G、IoT、AI都是属于非生物智能范畴。非生物智能可以称之为世界III。非生物智能和生物智能的互动在未来也会发生，可以称之为世界IV。

图1 四个世界

（2）宇宙智能和信息智能

《宇宙的智慧》一书当中提到，宇宙旧有的概念是基于牛顿经典力学三定律建立的，但是还不全面，宇宙不是按照机械学定律运行的相分离的微小物质的集合，宇宙当中的物质具有普遍联系性，是一个具有内在联系的统一系统。这个系统经过了亿万年的演化。已经是一个智能体，具备极大的复杂性，具备了自身的智慧。

基于信息论的观点，宇宙、城市都处于熵增的过程。建设城市大脑就是为了提高城市治理的效率和效果，加速熵减的进程。

（3）社会智能

戴汝为院士在《社会智能科学》当中提到，社会智能科学是跨越了思维科学、认知科学、智能科学及智能信息处理等领域的综合学科。戴汝为院士在系统复杂性研究中，引入人工智能技术与知识工程方法，应用先进的信息、互联网技术构建了“人—机结合综合集成研讨厅体系”，依托信息网络空间推出支持宏观经济决策的可操作平台，成为智能信息处理的有力支持系统。在实践的基础上，进一步形成人—机结合的智能信息处理理论。

相关研究成果的概述

从智慧城市演化角度

Andrea Caragliu与李重照等学者提出城市大脑是“智慧城市”的核心，是实现智慧城市“感知化”、“互联化”和“智能化”的重要手段，智慧城市运用一种更为智慧的方法，通过城市大脑来改变政府、社区或公司和人们相互交互的方式，以提高交互的明确性、效率、灵活性和响应速度，但是并未给出城市大脑的清晰定义。

从仿生学角度

单勇、沈锡权等学者认为城市大脑是具备类脑特征的城市新型基础设施，是具备中枢神经、城市感知神经、城市运动神经、城市神经纤维等城市级的类脑智能复杂巨系统，但是尚未考虑非生物智能和生物智能在情绪方面的重大区别。

从模型衍化角度

刘峰、肖家立等提出城市大脑的概念从“互联网大脑”衍生而来，通过对互联网大脑模型框架分析将城市大脑定义为基于互联网大脑模型的类脑城市架构，但是对于互联网大脑与城市大脑并未给出明晰的区分。

经过研究，本文认为已有的城市大脑概念、定义，大多数都是具有高度拟人化的智慧，真正的城市大脑产生智慧受到人脑智慧的启发，但是城市产生智慧的路径与人产生智慧的路径不完全相同，这是因为人类是生物智能体，依靠“碳”获取能量，而城市产生智慧既有城市自身智能的牵引，也有计算机、机器人、人工智能等以“硅”基为基础的非生物智能。

02 智能与城市智能的形成

智能的层次

智能一级：是处于智能层次的最底下一层，是智能的基本能力，叫做智力。智能一级包括了算法、算力和记忆；图灵机理论模型就是一级的。

智能二级：是处于中间的层次，包括了识别、时空关联、推理和逻辑运算，不但可以建立起时空概念，也可以建立起知识概念。智能二级的核心是学习能力，依靠识别能力、逻辑推理能力，在分类上，城市大脑至少是智能二级的。

图2 智能一级和智能二级的联系

城市智能

城市作为自然界的一部分，在其演化的过程中，有着自身的规律。当城市规模比较小时，以人管理为主。随着城市逐渐发展，伴随城市变得越来越无序，从信息论的角度看，城市处于熵增的过程。

当城市容纳百万级别的人口，乃至发展成为千万人口的超大规模城市，城市之内的人、车、事、地、物、组织越来越多，城市就需要一种秩序和效率。为了对抗无序状态而自发引入的主动控制，就是智慧城市的范畴，属于城市智能的一种，但是这时的城市智能的调节能力比较弱。

当对抗城市无序的制约手段越来越多之时，虽然城市有了一定程度的智能控制，但是控制系统之间有可能互相干扰不协调，互相制约甚至互相矛盾。城市需要更加高层次的、统一的、并且倒逼着城市走向更加整体有序的高级方法，这种城市需要的、支撑并且推动城市可持续发展的高级方法就是城市智能。

03 城市大脑的逻辑模型

城市大脑是城市智能的载体。建设城市大脑就是为了提高城市治理的效率和效果，加速熵减的进程。通过建设城市大脑，汇聚城市运行数据，结合城市级知识图谱，经过AI进行分析和研判，可以有效地推动城市治理和产业发展，从而解决城市面临的诸多问题。

城市大脑的概念定义

城市大脑是城市智能操作系统，是具备自学习、自优化、自演进特征的未来城市基础设施，是城市治理体系和治理能力现代化的科技支撑，是引领城市数字经济发展的核心引擎。

其功能是综合利用人工智能、云计算、大数据、区块链等新一代信息技术，对城市要素实现全面感知，通过城市全域时空资源库和知识库实现识别和逻辑判断，形成城市整体认知，对城市经济发展、社会治理、环境优化等各领域的城市应用进行连接、融合、协同和重构，输出高效的城市级运行管理智能解决方案、让城市更聪明。

城市大脑的表征维度

（1）技术维度：城市大脑是综合利用人工智能、区块链、大数据等新一代信息技术，实现对城市治理和产业发展的全息感知、统筹调度、智能决策和精准服务的系统。

（2）经济维度：城市大脑是城市信息化和城市数字化发展到高级阶段的必然产物，是实现全时、全域、全量数字资产运营、推动产业经济发展和社会经济高质量发展的重要抓手。

（3）治理维度：城市大脑是融合汇集城市运行信息，支撑和引领城市可持续发展的新型基础设施，是具备自学习、自优化、自演进特征的城市级新型基础设施。

城市大脑的方法论

（1）本质理解上，城市大脑具有“生命体”动态演进的特征。

城市大脑具有“生命体”动态演进的特征，具备自我学习、自我修正、自我演进、自我生长的特质。城市大脑建设不是一蹴而就的政绩工程，而是一项长期持续、动态演进的过程。通过将人工智能引入城市治理的方方面面，城市大脑能够实现感知、认知、分析、推演的持续循环，使城市大脑持续地生长和演进，永葆先进性和前瞻性。

（2）建设理念上，政企合作是建设城市大脑的必然方式。

政企合作关系可以广泛调动各种科技创新企业，更加积极主动地为城市未来的发展共同参与谋划。通过建设机制和运作模式的制定，激励引导企业侧共同参与、共同奉献、共同获益，依托城市大脑构建政府、企业之间的新型生产关系，共同促进产城融合发展。

（3）建设方法上，遵循“需求牵引，业务驱动” 的基本原则。

以往条块分割、单打独斗的智慧城市建设方式，是造成数据孤岛等问题的根本原因，无法适应城市大脑动态生长的要求。城市大脑因需而建、一城一策，和产业融合、和环境融合，根据地方的需求、发展做设计，进行场景化应用封装，满足城市个性化发展需求。

（4）体系架构上，城市大脑是可持续演进的开放平台。

将互联网基因融入城市大脑建设，融合各类不断涌现的新技术、新算法、新应用，将城市大脑构建成开放式平台，对未来不断演进的业务需求能够快速响应，以迭代式开发的思路对城市大脑持续迭代升级。为城市治理体系提供支撑的同时，为产业的转型升级和科技创新提供生长的土壤。

（5）在设计哲学上，需要制定满足未来城市发展的方法体系。

城市大脑的顶层设计不追求静态的、大而全的方案制定，而是通过确立一些系列规则，引导城市大脑真正实现动态生长。设计中应对规则、机制、模式的设计，是为城市大脑的生长演进提供一套规律，是积极地应对未来的无限可能。

城市大脑的定位

（1）智慧城市的神经中枢

城市大脑是智慧城市的神经中枢，是城市智慧化的重要载体和标志，是智慧城市发展到高级阶段的产物。

（2）引领城市新基建的核心内容

城市大脑是引领城市新基建的核心内容，是重塑经济社会数字化发展的灵魂。

（3）实践响应新型国家治理体系

城市大脑是对构建新型国家治理体系要求的实践响应，是城市治理能力提升和治理体系现代化的重要支撑，是城市产业转型升级的重要引擎，是城市创新发展的重要平台。

城市大脑的逻辑模型

图3 城市大脑逻辑模型

城市大脑逻辑模型的构成要素包括：识别处理组件、逻辑计算组件、知识图谱组件、时空构建组件和指令输出组件。

（1）识别处理组件（IPU）

城市大脑通过结合完善的数据治理方法论，构建出一整套通用大数据工具—识别处理组件IPU，从而以更加安全、可靠、灵活、便捷的方式支撑政府企事业 单位多源异构数据的融合实践应用。把海量结构化、非结构化、半结构化数据处理技术和国内外主流大数据架构进行有效结合集成，并结合政府企事业单位在数据采集、计算存储、数据治理、分析挖掘、可视化应用等方面的具体需求，开发出的针对经营数据、物联网数据、社会化数据等全生命周期数据治理的服务。

（2）逻辑计算组件（IJU）

逻辑计算组件依托于异构算力集群，统一调度、协同工作，向上层应用提供平等开放的AI分析服务和机器学习算法服务，并通过数据积累和生态链建设、算法自学习，丰富算法/模型库，支撑应用的成长、扩充。通过系统接口与城市大数据资源平台关联，并与相关部门系统实现数据交换与共享，面向城市各委办局、街镇用户提供服务。

逻辑计算组件能够有效支撑城市大脑上层业务应用的智能分析功能。它是城市大脑的智能决策中枢，是人工智能的技术应用基础设施平台，能够支撑城市大脑未来各种应用，同时也是推动城市产业发展的产业创新中心。

（3）知识图谱组件（KBU）

城市信息涉及公众生活相关的方方面面，具有高维度、异构性、多样性、稀疏性和海量性等特征。整合城市运行核心系统的各项关键数据是城市大脑必须面临和解决的问题，知识图谱对于海量高维复杂数据的处理能力能很好地为该问题提供解决方案，知识融合技术可对大量数据进行动态分析和整合，同时利用知识建模和知识计算可将散布在城市各个角落的数据连接起来，对城市进行全域的即时分析、指挥、调动、管理，从而实现对城市的精准分析、整体研判、协同指挥。

（4）时空构建组件（TSU）

基于统一的时空基准，以位置服务、时空融合、数据挖掘为核心。实时汇聚、融合、统筹二三维基础地理空间数据、物联网数据、政务数据、社会信息数据、专题信息数据、态势感知数据、遥感影像等城市各种时空数据，搭建城市全域时空资源库，形成集“采集、治理、融合、服务、分析及应用”为一体化的时空数据持续生产和共享服务体系。采用数字孪生、第五代新测绘技术、大数据、人工智能、物联网、云计算等信息技术，构建地上地下、室内室外、宏观微观、虚实相辅、动静一体化的城市运行全貌图。赋予城市状态感知、实时分析、智能决策、精准执行、虚实互动的能力，实现各类时空资源的一图可查、一图比对、一图共享、一图管理、一图分析，形成城市大脑数字孪生底座。

（5）指令输出组件（IOU）

指令输出组件秉承以信息流为核心资产，聚焦指挥和运营两大核心能力的设计理念，以智能化的科技手段让操作更加便捷，打造领导指挥调度的驾驶舱、部门协同会商的参谋部、街镇吹哨报到的调度室、城市平稳运行的中控台，能够让城市管理者“管得好大事、盯得住小事、理得清难事”，助力推进治理体系的重构和治理能力的提升。

（6）构成要素之间的协同关系

识别处理组件是其他各组件的基础设施，通过识别处理组件向其他组件提供城市数据，逻辑计算组件依据识别处理组件采集的数据，进行分析和研判，支撑其他组件有效运行，知识图谱组件、时空构建组件会基于识别处理组件采集的数据和逻辑计算组件分析的结果，搭建城市全域时空数据库，为指令输出组件提供服务，知识图谱组件通过知识融合和建模，打造城市级知识体系，为指令输出组件及时空构建组件提供支撑，指令输出组件以指挥和运营为核心功能，提升城市治理的现代化水平。

上述5大模块协同进化，融合发展，完成了自学习、自优化、自演进的过程，进而产生了城市智能。

04 城市大脑的实证分析

—海淀城市大脑的实践

海淀城市大脑是北京市海淀区立足首都“四个中心”、“两区三平台”战略定位，贯彻海淀“两新两高”战略部署的重要抓手和龙头工程。搭建了海淀城市大脑基础平台，包括一张城市时空底图、一个城市知识图谱、一个城市指挥中心IOCC、两个中心（大数据中心、AI计算中心），支撑城市治理、产业发展应用。

在城市治理方面，城市大脑通过接口、数据、资源进行对接，打造“三融五跨”的55个城市大脑业务场景应用，涵盖城市管理、公共安全、生态环保、城市交通、应急指挥、金融、能源等领域。每日处理大量数据。在“渣土车治理”场景中，集结7个政府部门、14家高科技企业，打破渣土车治理业务、流程、数据、系统的烟囱、壁垒、孤岛，形成更精准更高效的执法新模式，对渣土车违法行为初步实现看得清、逮得着、罚得了、管得住。

在产业发展方面，城市大脑通过运营方式、管理方式、产业方式、资源匹配方式，用新场景助力初创科技企业加快成果产业化转化。在水环境治理场景中，芯视界公司量子点光谱传感芯片技术走出实验室，在南沙河布设了29套“零接触式”监测点位，实现了在海淀创新示范、在全市推广应用，二期更是布设了100多个监测点位，目前其成果已应用到外地省市。用新契机助力传统科技企业加快转型升级，一直致力于传统教育信息化的竞业达公司成功转型为人工智能物联网企业，新产品在杭州、上海得到了推广应用。用新平台助力领军企业提升在前沿技术领域的国际竞争力和话语权，百度“飞桨”平台在全面支撑海淀城市大脑人工智能场景应用过程中，取得了深度学习框架平台自主可控、安全可靠、应用生态等方面的新进展。推动国产芯片和算法适配应用，初步实现80%的自主可控；后续将逐步升级各领域算法模型，采取高度自动化模式，形成面向未来的动态演进、可生长的技术平台。

05

结语

本文的理论研究成果来源于海淀城市大脑等多个城市大脑建设项目的真实案例，在案例基础之上，结合理论进行了总结、凝练、升华。本文通过对城市智能的概念研究，给出了城市大脑的定义，进而构建了城市大脑的逻辑模型，阐明了城市大脑统筹引领城市治理、产业发展和改革创新的落地形式，说明了城市大脑是城市数字化转型升级的新引擎。

文章来源：《学术前沿》杂志（数字化优先出版）

原文标题：《城市大脑定义及逻辑模型研究》（微信有删节）

作者：中关村科学城城市大脑股份有限公司董事长、中关村创新研修学院院长 柳进军

新媒体责编：张凡

视觉：王洋

（图片来自网络）