城市大脑的定义与理论基础

文｜杜青峰 刘锋 任伟阳

2015 以来，城市大脑的概念和定义首次提出后。随着城市大脑领域在理论研究和产业实践上的探索和进展，城市大脑已经成为前沿科技领域和智慧城市建设领域的新热点，到2022年，全国已经有数百个城市宣布建设城市大脑的规划。同时数千家大中型科技企业开始进军城市大脑领域，提出了不同的“泛城市大脑”建设方案。

城市大脑的产生和建设不仅仅是工程问题，更是一个基础科学问题。21 世纪以来，前沿科技领域出现了包括世界数字大脑、城市大脑在内的大量新概念新技术，这说明产业界必然出现新的规律在驱动新世纪的科技发展。如果要开展城市大脑建设和制定城市大脑的建设标准，就需要找到其背后的科学规律，形成坚实的理论基础并以此为指导。避免方向性错误产生的过大探索性成本和由此产生的负面影响。

城市大脑是否具备理论基础的三种情况

1.城市大脑的理论分类

分析上述学术界、产业界提出的城市大脑定义，从是否具备理论基础主要存在三种情况：

第一种是以互联网大脑模型作为理论基础，提出21 世纪互联网为核心的科技生态从网状向类脑演化形成的互联网大脑模型是城市大脑产生和建设的基础。

第二种是以城市生命体作为理论基础。提出城市是具有新陈代谢、自适应、应激性、生长发育和遗传变异等典型生命特征的复杂巨系统，城市大脑是这个城市生命体的一部分。

第三种是没有形成较为完整的理论体系，将城市大脑作为城市级的人工智能系统，或者人工智能中枢系统，但没有指出各种技术按照什么架构来实现。城市大脑的第一种理论基础互联网大脑模型认为，21 世纪以来种种迹象表明，以互联网为核心的世界科技生态正在从网状向类脑结构演化，各种前沿科技可以看做是互联网大脑模型中各神经系统发育的产物。

2.城市大脑定义分析

由于世界科技生态的类脑化进程，互联网大脑模型与各个领域也不断结合形成新的概念和技术，与科技企业结合产生了谷歌大脑、百度大脑、阿里ET 大脑、360 安全大脑；与产业结合形成了工业大脑、农业大脑、航空大脑等，与智慧城市建设结合形成了城市大脑、城市云脑等。因此在2015年1月论文《基于互联网大脑架构的智慧城市建设探讨》首次形成城市大脑的概念和定义中提出：城市大脑是互联网大脑架构与智慧城市建设结合的产物，是城市级的类脑复杂智能巨系统。

这种城市大脑定义中的“大”与大数据的“大”含义相同，是结构和覆盖范围庞大的城市级类脑系统。各种前沿科技是作为脑结构中的各个神经系统联合让城市变得更智慧，同时当世界范围的城市大脑通过互联网大脑架构连接在一起时，城市大脑最终将形成世界数字大脑。

3.城市大脑总体框架

基于互联网大脑模型的城市大脑概念通过参考脑结构最重要的两个结构，神经元和神经元构成的反射弧，提出了1+N 的城市大脑建设模式和总体架构（如图1所示），其主要包括两个重要技术特征：

图1 基于互联网大脑模型的城市大脑架构图

第一是建立世界统一的数字神经元网络，为世界范围的人、物、系统建立映射的程序单元，也称为数字神经元，它们可以根据需求进行连接、组合、交互，从而实现跨部门、跨行业、跨地区的互联互通。第二是多种数字神经元按照感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器五个部分进行组合，形成的云反射弧的技术链条，可以灵活的解决城市、地区，行业的具体问题和具体需求。

城市大脑的第二种理论基础城市生命体理论是从生命体的视角认识城市，借鉴生命体的认知帮助理解城市。例如，人有大脑，城市也有大脑；人有心脏，城市也有心脏；人有细胞单元、组织单元、子系统、生命体，城市也具备这些要素，这是从其构成来理解城市生命体。与此同时，也可以从功能来理解城市生命体，如生命系统所具有的新陈代谢、生长发育、应激性、自适应性、遗传与变异等功能，城市也具备类似的功能和特征。

以生命体、有机体来讲城市，是城市知识的观念变革，它改变了过去城市作为增长机器、钢筋水泥、生态花园等观点，强调城市也具备生命体、有机体的特征，城市存在生命周期。

基于城市生命体的城市大脑认为城市大脑是平台型人工智能中枢（如图2所示），将散落在城市各个角落的数据汇聚起来，用云计算、大数据、人工智能等前沿技术构建通过对城市进行全域的即时分析、指挥、调动管理，实现对城市的精准分析、整体研判、协同指挥，从而更加智能地管理城市。

图2 基于城市生命体的城市大脑架构图

城市大脑的两个理论基础对比分析

在城市大脑的两个基础理论中，互联网大脑模型提出通过物联网、大数据、云计算、5G、区块链、云机器人构建城市的神经系统，而在城市生命体理念中除了肌肉、血液、心脏、细胞等，也必然包括城市生命体的神经系统和大脑的构建。加拿大学者麦克卢汉提出新的电子媒介构建了人类社会的神经系统，这说明要实现城市生命体的神经系统也必然要使用物联网、大数据、云计算、5G、区块链、云机器人等等技术来实现。因此城市大脑的两个理论基础在为城市大脑做理论支撑时，内涵是一致的，但也存在两个区别和不同（如图3所示）：

第一个区别是，互联网大脑模型理论认为，互联网大脑是一个世界级的智能系统，城市大脑是互联网大脑的子集，在互联网大脑的整体框架下，城市大脑可以沿着省级大脑，国家大脑向世界数字大脑平滑演进。而城市生命体理论因为理论本身的边界问题，无法将城市大脑放在一个更广阔的空间内进行研究，也无法解决城市大脑向省级、国家和世界范围扩展的理论构建问题（如图3所示）。

第二个区别是，互联网大脑模型提出了城市大脑不仅仅是人工智能系统，而是链接了人、机器和智能系统的“庞大的”类脑复杂智能巨系统，通过世界统一的数字神经元将人、机器和智能系统链接在一起，而通过云反射弧机制将不同的数字神经元组合起来进行联合工作，可以在小到乡镇/社区、中到城市/省，大到国家世界范围内灵活的应对人类的需求和问题。目前基于城市生命体理论提出的城市大脑定义，认为城市大脑是城市的中枢神经或“大脑”，重点体现了城市大脑的管控功能，但没有解决如何将乡镇/社区、城市、国家和世界范围的任意要素链接起来的技术结构；也没有提出如何灵活的跨地区、跨行业、跨部门解决任何问题的技术机制，我们认为这个本身并不是城市生命体理论的问题，而是相关研究者和项目实施者没有抓住城市生命体在构建城市的神经系统或脑系统中最重要和最核心的地方（如图3所示）。

图3 基于不同理论基础形成的城市大脑示意图

作为理论基础，无论是互联网大脑模型还是城市生命体也都处于不断发展过程中，基于它们形成的诸多城市大脑定义也同样处于探索中。在建设城市大脑和制定城市大脑的建设标准时，需要对城市大脑的不同理论基础做更深入的讨论，形成更广泛的共识。避免因为理论基础的薄弱甚至没有理论基础，导致在建设城市大脑和制定相关标准时产生方向性错误和重大探索性成本。