【摘要】近年來，在人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新技術(shù)發(fā)展以及國家新基建等政策的雙重推動下，各地政府普遍將“城市大腦”建設(shè)納入了城市發(fā)展建設(shè)計劃，“城市大腦”相關(guān)的實踐活動也在蓬勃開展，“城市大腦”已經(jīng)成為了城市發(fā)展和科技創(chuàng)新領(lǐng)域的新熱點。①然而，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界對有關(guān)“城市大腦”的諸多問題尚未達(dá)成共識，亟待研究探討。從智能的視角出發(fā)，城市大腦是城市智能的載體，建設(shè)城市大腦可提高城市治理的效率與效果。城市大腦具有動態(tài)演進(jìn)特征，可自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、自生長，其邏輯模型包括識別處理組件、邏輯計算組件、知識圖譜組件、時空構(gòu)建組件和指令輸出組件等構(gòu)成要素。
【關(guān)鍵詞】城市大腦 邏輯模型 城市治理 產(chǎn)業(yè)發(fā)展 科技創(chuàng)新 城市智能
【中圖分類號】D51 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.09.003
柳進(jìn)軍，教授級高級工程師，中關(guān)村科學(xué)城城市大腦股份有限公司董事長、中關(guān)村創(chuàng)新研修學(xué)院院長。研究方向為電子政務(wù)、智慧政府、智慧城市、城市大腦。主要著作有《中關(guān)村“創(chuàng)客軍團(tuán)”》（合編）、《城市智能和城市大腦概念機(jī)》（論文）、《城市大腦——重新定義城市，塑造未來產(chǎn)業(yè)》（論文）等。
引言
從IBM首席執(zhí)行官彭明盛于2009年首次提出“智慧地球”的概念后，“智慧城市”的建設(shè)在世界范圍內(nèi)如火如荼地展開，全球數(shù)以千計的城市開展了“智慧城市”項目，在中國，也有數(shù)百個城市、地區(qū)相繼建設(shè)了“智慧城市”[1]。
城市大腦屬于智慧城市的“子賽道”和新興領(lǐng)域，但是，對城市大腦的理論認(rèn)識，目前尚未達(dá)到高度一致。與各地積極開展的城市大腦實踐相比，國內(nèi)城市大腦的理論發(fā)展相對滯后，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界關(guān)于什么是城市大腦的意見尚未統(tǒng)一，對于城市大腦的內(nèi)涵、外延，如何科學(xué)地建設(shè)城市大腦等問題，尚存分歧。譬如，有專家將城市大腦定義為類腦智能復(fù)雜巨系統(tǒng)或城市智慧中樞，也有專家將城市大腦視作一個綜合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能的共性技術(shù)承載體，還有專家認(rèn)為城市大腦是通過人工智能系統(tǒng)對城市各個部分進(jìn)行管理和控制的信息系統(tǒng)與城市新型基礎(chǔ)設(shè)施。
在城市大腦產(chǎn)業(yè)實踐百花齊放的發(fā)展局面之下，隨著城市大腦向深度、高階發(fā)展，無法回避的一個問題就是：國內(nèi)先行、先試城市按照不同的指導(dǎo)思想、頂層設(shè)計以及技術(shù)框架展開建設(shè)工作時，城市大腦的理論研究應(yīng)當(dāng)如何從實踐中總結(jié)升華并且進(jìn)一步指導(dǎo)實踐，以實現(xiàn)不同城市、不同國家城市大腦建設(shè)的共性和個性協(xié)同，并在未來實現(xiàn)跨地域的城市大腦互聯(lián)互通。
本文從智能這一基礎(chǔ)概念的本源出發(fā)，基于對生物智能、非生物智能、宇宙智能、信息智能、社會智能等的總結(jié)與比較，闡述智能的不同表現(xiàn)形式，引出城市智能的概念。進(jìn)而結(jié)合城市智能，提出城市大腦的定義，并通過城市大腦的邏輯模型說明城市大腦的組成部分、組件及其聯(lián)動機(jī)制。同時，通過海淀城市大腦的實踐案例說明城市大腦在城市轉(zhuǎn)型發(fā)展中所發(fā)揮的重要作用。
理論回顧和文獻(xiàn)綜述
智能的研究成果概述。根據(jù)辭海的定義，智能是智慧和才能的總稱。目前一般認(rèn)為智能是知識和智力的總和，知識是智能的基礎(chǔ)，智力是指獲取和運用知識求解的實踐活動和能力，二者具體表現(xiàn)形式是智商和能商。
智能有多種表現(xiàn)形式：（1）生物智能和非生物智能。阿里巴巴發(fā)布的《解構(gòu)與重組：開啟智能經(jīng)濟(jì)》報告指出，人類通過對自然界的觀察、反復(fù)實驗迭代與科學(xué)的邏輯思維，推動了手工業(yè)的出現(xiàn)及發(fā)展，并促進(jìn)了工業(yè)革命的發(fā)生，石油的發(fā)現(xiàn)與電力的發(fā)明深刻地改變著世界，可以將其稱為世界I；而占卜、宗教等是生物智能形成的形而上的世界，可以稱為世界II；計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)均屬于非生物智能范疇，可以稱為世界III；非生物智能和生物智能的互動在未來也會發(fā)生，可以將之稱為世界IV（如圖1所示）。
生物智能與非生物智能有顯著區(qū)別，生物智能需要極長時間進(jìn)行進(jìn)化。例如，動物進(jìn)化出智能需要億萬年。研究發(fā)現(xiàn)，生物智能的最大特點是，在生物大腦中，數(shù)據(jù)的傳輸和數(shù)據(jù)的處理可以同步，由神經(jīng)突觸和神經(jīng)元協(xié)同完成。在同樣的時空條件下，生物大腦能通過分布式的神經(jīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和數(shù)據(jù)的處理，而生物大腦記憶的信息只保留關(guān)鍵的、精華的數(shù)據(jù)。
與生物智能相比，非生物智能有如下特點：其一，非生物智能的進(jìn)化很快，不依賴于生物繁衍、基因突變、基因組合。非生物智能是以人工智能和人機(jī)交互為基礎(chǔ)，將基礎(chǔ)設(shè)施、能源和計算結(jié)合之后，驅(qū)動智能向更高級的方向進(jìn)化、發(fā)展。其二，非生物智能雖然比生物智能計算得快，但不會產(chǎn)生類人的情感、情緒等生物特征。其三，非生物智能的記憶能力超強，不但可以記住精華，也可以記住細(xì)節(jié)。以計算機(jī)為代表的非生物智能的第四個特點是，數(shù)據(jù)的傳輸與數(shù)據(jù)的處理無法同步進(jìn)行。數(shù)據(jù)不是為了存儲而存儲，而是為了在需要時能夠被快速提取，存儲的作用是提升數(shù)據(jù)處理的有效性。馮·諾依曼結(jié)構(gòu)體系是圖靈機(jī)理論模型的具體實現(xiàn)，其核心特征之一是運算單元和存儲單元的分離，兩者由數(shù)據(jù)總線連接（如圖2所示）。
（2）宇宙智能和信息智能。《宇宙的智慧》一書中提到，宇宙舊有的概念是基于牛頓經(jīng)典力學(xué)三大定律建立的，但是還不夠全面，宇宙不是按照機(jī)械學(xué)定律運行的相分離的微小物質(zhì)的集合，宇宙當(dāng)中的物質(zhì)具有普遍聯(lián)系，是一個具有內(nèi)在聯(lián)系的統(tǒng)一系統(tǒng)。這個系統(tǒng)經(jīng)過億萬年的演化，已經(jīng)是一個智能體，具備極大的復(fù)雜性，具備了自身的智慧。數(shù)學(xué)家歐拉曾提出：“宇宙的結(jié)構(gòu)是最完善的，是最明智的上帝的創(chuàng)造。”
另外一方面，基于信息論的觀點認(rèn)為，宇宙、城市都處于熵增的過程。隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，城市會變得越來越無序，管理城市會變得越來越復(fù)雜。建設(shè)城市大腦就是為了提高城市治理的效率和效果，加速城市熵減的進(jìn)程。
（3）社會智能。戴汝為在《社會智能科學(xué)》中指出，社會智能是一門跨越思維科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、智能科學(xué)及智能信息處理等領(lǐng)域的綜合性科學(xué)。他在系統(tǒng)復(fù)雜性研究中，將人工智能技術(shù)與知識工程方法引入其中，運用先進(jìn)的信息與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了一套“人-機(jī)結(jié)合綜合集成研討廳體系”，在實踐的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步形成了人-機(jī)結(jié)合的智能信息處理理論。該體系依托信息網(wǎng)絡(luò)空間推出支持宏觀經(jīng)濟(jì)決策的可操作平臺，成為智能信息處理的有力支持系統(tǒng)。
城市大腦的研究成果概述。從智慧城市演化角度，Andrea Caragliu與李重照等[2]提出城市大腦是“智慧城市”的核心，是實現(xiàn)智慧城市“智能化”“互聯(lián)化”和“感知化”的重要手段。學(xué)者指出，智慧城市運用一種更為智慧的方法，通過城市大腦來改變公司、社區(qū)或政府與人們交互的方式，以提高交互的明確性、高效性與靈活性，但他們并未給出城市大腦的清晰定義。
從仿生學(xué)角度，單勇、沈錫權(quán)等[3]認(rèn)為城市大腦是具備類腦特征的城市新型基礎(chǔ)設(shè)施，是具備城市中樞神經(jīng)、城市感知神經(jīng)、城市運動神經(jīng)、城市神經(jīng)纖維等城市級的類腦智能復(fù)雜巨系統(tǒng)，但是尚未考慮非生物智能和生物智能在情緒方面的重大區(qū)別。
從模型衍化角度出發(fā)，中國科學(xué)院研究團(tuán)隊于2008年提出了“互聯(lián)網(wǎng)大腦模型”，該模型指出，互聯(lián)網(wǎng)正在從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)展成為大腦結(jié)構(gòu)，這一重大變化必將對產(chǎn)業(yè)、城市、科技、經(jīng)濟(jì)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。[4]2015年2月，中國科學(xué)院研究團(tuán)隊在《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦的智慧城市建設(shè)》一文中提出了城市大腦的概念，即“城市大腦是城市建設(shè)伴隨著21世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的類腦化過程，在此過程中城市逐步形成自己的中樞神經(jīng)（云計算）、感覺神經(jīng)（物聯(lián)網(wǎng)）、運動神經(jīng)（工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）、神經(jīng)末梢發(fā)育（邊緣計算）、城市智慧的產(chǎn)生與應(yīng)用（大數(shù)據(jù)與人工智能）、城市神經(jīng)纖維（5G、光纖、衛(wèi)星等通訊技術(shù)）”。中國管理科學(xué)學(xué)會于2017年發(fā)布的科學(xué)藍(lán)皮書和中國科學(xué)院研究團(tuán)隊在2018年IEEE國際會議會議論文中進(jìn)一步闡述了城市大腦的建設(shè)框架，重點提出城市大腦是一個聚合機(jī)器云智能與人類群體智慧的類腦智能復(fù)雜巨系統(tǒng)的理念，并構(gòu)建了城市智商的評價標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)通過對城市神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和城市云反射弧的成熟度的考察評估一個城市的城市智商。肖家立等[5]提出城市大腦的概念從“互聯(lián)網(wǎng)大腦”衍生而來，通過對互聯(lián)網(wǎng)大腦模型框架的分析將城市大腦定義為基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的類腦城市架構(gòu)，但是對于互聯(lián)網(wǎng)大腦與城市大腦并未給出明確的區(qū)分。
從信息系統(tǒng)的角度出發(fā)，王波等[6]將智慧城市中的城市大腦與信息系統(tǒng)相聯(lián)系，提出城市大腦實際上可被看成一個復(fù)雜巨系統(tǒng)。城市大腦與信息系統(tǒng)既有區(qū)別又有聯(lián)系。信息系統(tǒng)是由軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)、信息資源、用戶等組成的系統(tǒng)，是以處理信息、數(shù)據(jù)為目的的一體化系統(tǒng)。城市大腦表現(xiàn)為信息系統(tǒng)，但是城市大腦的智能高于信息系統(tǒng)。城市大腦更多是為了獲取、利用智能而存在的。
盡管相關(guān)學(xué)者在城市大腦、智能等方面進(jìn)行了一些研究探索，但城市大腦尚屬新興研究領(lǐng)域。經(jīng)過考察分析，已有的城市大腦概念、定義是受到人腦智慧的啟發(fā)，把城市大腦界定為高度擬人化的智能，但是本文認(rèn)為，城市產(chǎn)生智能的路徑與人類產(chǎn)生智能的路徑不是完全相同的，這主要是因為人類是生物智能體，依靠“碳”基獲取能量，地球上的生命物質(zhì)基礎(chǔ)都是以碳為骨架形成的，而城市產(chǎn)生智能既有城市自身智能的牽引，也有信息技術(shù)、人工智能等以“硅”基為基礎(chǔ)的非生物智能的助推。
綜上所述，城市大腦的產(chǎn)生依托于城市智能，城市智能是一類不同于生物智能的智能，城市大腦是城市智能的承載體。本文接下來將明確定義城市智能，并基于城市智能給出城市大腦的概念定義和邏輯模型。
智能與城市智能的形成
智能的層次。經(jīng)過研究，本文定義智能的兩個層次分別為智能一級、智能二級，并認(rèn)為圖靈機(jī)理論模型屬于智能一級，城市大腦屬于智能二級。
智能一級處于智能層次的最底一層，是智能的基本能力，叫做智力。智能一級包括算法、算力和記憶，例如圖靈機(jī)理論模型。
智能二級包括識別、時空關(guān)聯(lián)、推理和運算，不但可以建立起時空概念，還可以建立起知識概念。智能二級的核心是學(xué)習(xí)能力，以識別、推理為基礎(chǔ)。例如，通過視覺識別出水杯是實體，根據(jù)已經(jīng)建立的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行推理，則水杯與喝水或刷牙的動作關(guān)聯(lián)，形成了知識。學(xué)習(xí)能力是比算法、算力和記憶高一個層級的能力。城市大腦具備學(xué)習(xí)能力，因此，在分類上，城市大腦屬于智能二級。
城市智能。城市作為社會因素與自然因素的綜合體，在其演化的過程中，有著自身的規(guī)律。當(dāng)城市規(guī)模比較小時，以人管理為主。隨著城市逐漸發(fā)展，城市的市民逐漸增多，道路、車輛也逐漸增多，城市的煤水電氣需求和供給隨之增加。
隨著城市發(fā)展，為了對抗熵增，城市自發(fā)形成了一定的適應(yīng)能力與調(diào)節(jié)能力。例如，道路上的車輛越來越多后，自然而然就需要引入交通信號燈、交通分流、增加行車限制，以便實現(xiàn)對交通秩序的控制。這種為了對抗無序狀態(tài)而自發(fā)引入的本能適應(yīng)，就是智慧城市的范疇，屬于城市智能的一種，但是此時城市智能較弱。
當(dāng)城市規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，城市容納百萬級別的人口，乃至發(fā)展成為千萬人口的超大規(guī)模城市，城市之內(nèi)的人、車、事、地、物、組織越來越多，交通擁堵、環(huán)境惡化、人口膨脹等“大城市病”接踵而至，城市變得越來越無序，從信息論的角度看，城市處于熵增的過程。此時，城市就需要新的控制系統(tǒng)、制約手段，以提高調(diào)節(jié)能力。
城市發(fā)展受到社會因素和自然因素雙重影響。對抗城市無序的控制系統(tǒng)、制約手段越來越多，雖然使城市有了一定程度的智能控制，但其自身的互相干擾、互相制約甚至互相矛盾等問題也益發(fā)突出。城市要走向更加高層次的、統(tǒng)一且整體有序的狀態(tài)，以支撐并且推動城市可持續(xù)發(fā)展，需要并由此產(chǎn)生了更高級的城市智能。城市智能是一種客觀存在，符合城市發(fā)展的客觀規(guī)律（包括社會規(guī)律、經(jīng)濟(jì)規(guī)律等城市運行規(guī)律），同時也會受到人為因素的影響。城市智能的發(fā)展依循提升城市效率和經(jīng)濟(jì)效益最大化的規(guī)律。
城市大腦的內(nèi)涵、外延與邏輯模型
城市大腦是城市智能的載體。建設(shè)城市大腦就是為了提高城市治理的效率和效果，加速城市熵減的進(jìn)程。通過建設(shè)城市大腦，匯聚城市運行數(shù)據(jù)，結(jié)合城市級知識圖譜，經(jīng)過人工智能分析和研判，可以有效地推動城市治理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新，從而解決城市面臨的諸多問題。
城市大腦的概念定義。城市大腦是城市智能的承載體，是城市智能的發(fā)生器、輸出器、連接器及操作系統(tǒng)的總合。其作用是綜合利用人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，全面感知城市要素，基于城市全域時空數(shù)據(jù)資源和城市全域知識圖譜，實現(xiàn)識別和邏輯判斷，形成城市整體認(rèn)知，對城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會治理、環(huán)境優(yōu)化等各領(lǐng)域的城市應(yīng)用進(jìn)行連接、融合、協(xié)同和重構(gòu)，輸出高效的城市級運行管理智能解決方案，讓城市更聰明。城市大腦不僅可以產(chǎn)生單一智能，還可以連接、匯聚、協(xié)同城市各行各業(yè)的智能，從而產(chǎn)生更加綜合、更加高級的統(tǒng)合智能。城市大腦具備自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、自演進(jìn)的特征。城市大腦是城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的科技支撐，是引領(lǐng)城市數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心引擎。
城市大腦的表征維度。城市大腦可以從以下三個維度來表征和體現(xiàn)，即技術(shù)維度、經(jīng)濟(jì)維度和治理維度。第一，技術(shù)維度：城市大腦是綜合利用人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)對城市治理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全息感知、統(tǒng)籌調(diào)度、智能決策和精準(zhǔn)服務(wù)的系統(tǒng)。第二，經(jīng)濟(jì)維度：城市大腦是城市信息化、數(shù)字化發(fā)展到高級階段的必然產(chǎn)物，是實現(xiàn)全時、全域、全量數(shù)字資產(chǎn)運營，推動產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會經(jīng)濟(jì)高水平發(fā)展的重要抓手。第三，治理維度：城市大腦是融合匯集城市運行信息，支撐和引領(lǐng)城市可持續(xù)發(fā)展，具備自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、自演進(jìn)特征的城市級新型基礎(chǔ)設(shè)施。
城市大腦的方法論。首先，本質(zhì)理解上，城市大腦具有動態(tài)演進(jìn)的特征。我們生活的城市是鮮活的，城市大腦也應(yīng)當(dāng)是隨著城市發(fā)展不斷成長的。城市大腦具備自我學(xué)習(xí)、自我修正、自我演進(jìn)、自我生長的特質(zhì)。城市大腦的建設(shè)不是一蹴而就的，而是一項長期持續(xù)、動態(tài)演進(jìn)的過程。通過將人工智能引入城市治理的方方面面，城市大腦能夠?qū)崿F(xiàn)感知、認(rèn)知、分析、推演的持續(xù)循環(huán)，并使其自身持續(xù)地生長和演進(jìn)，保持先進(jìn)性和前瞻性。
其次，建設(shè)理念上，政企合作是建設(shè)城市大腦的必然方式。重新思考企業(yè)和政府的關(guān)系意義深遠(yuǎn)。在以往信息化項目的建設(shè)中，合作雙方大多是一種單向的甲乙方關(guān)系，而政企合作關(guān)系可以廣泛調(diào)動各種科技創(chuàng)新企業(yè)，使其更加積極主動地共同為城市未來的發(fā)展謀劃出力。政府側(cè)通過對建設(shè)機(jī)制和運作模式的制定，激勵引導(dǎo)企業(yè)側(cè)共同參與、共同奉獻(xiàn)、共同獲益，同時依托城市大腦構(gòu)建政企之間的新型生產(chǎn)關(guān)系，使各方共同促進(jìn)產(chǎn)城融合發(fā)展。
再次，建設(shè)方法上，遵循“需求牽引，業(yè)務(wù)驅(qū)動”的基本原則。以往條塊分割、單打獨斗的智慧城市建設(shè)方式，是造成“數(shù)據(jù)孤島”等問題的根本原因，無法適應(yīng)城市大腦動態(tài)生長的要求。城市大腦因需而建、一城一策，需要與產(chǎn)業(yè)融合，與環(huán)境融合，因此需要根據(jù)地方的需求、發(fā)展做設(shè)計，進(jìn)行場景化應(yīng)用封裝，滿足城市個性化發(fā)展需求。
第四，體系架構(gòu)上，城市大腦是可持續(xù)演進(jìn)的開放平臺。將互聯(lián)網(wǎng)基因融入城市大腦建設(shè)，融合各類不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)、新算法、新應(yīng)用，將城市大腦構(gòu)建成開放式平臺，使其能對未來不斷演進(jìn)的業(yè)務(wù)需求快速響應(yīng)，以迭代式開發(fā)的思路完成持續(xù)升級，保持其鮮活的生命力。為城市治理體系提供支撐的同時，也為產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和科技創(chuàng)新提供生長的土壤。
第五，在設(shè)計哲學(xué)上，需要制定滿足未來城市發(fā)展的方法體系。城市大腦的頂層設(shè)計不追求靜態(tài)的、大而全的方案制定，而是通過確立一系列規(guī)則，引導(dǎo)城市大腦真正實現(xiàn)動態(tài)生長。未來的城市發(fā)展充滿不確定性，技術(shù)和產(chǎn)品也處于飛躍式發(fā)展，無論是誰都不可避免地在社會需求、業(yè)務(wù)場景、技術(shù)迭代乃至對未來的預(yù)測等方面，天然帶有自身局限性。設(shè)計中有關(guān)規(guī)則、機(jī)制、模式的設(shè)計，是為城市大腦的生長演進(jìn)提供一套規(guī)律，是積極地應(yīng)對未來的無限可能。
城市大腦的定位。城市大腦的定位主要有三方面內(nèi)容。第一，城市大腦是智慧城市的神經(jīng)中樞，是城市智慧化的重要載體和標(biāo)志，是智慧城市發(fā)展到高級階段的產(chǎn)物。第二，城市大腦是引領(lǐng)城市新基建的核心內(nèi)容，是塑造經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化發(fā)展的靈魂。第三，城市大腦是對構(gòu)建新型國家治理體系要求的實踐響應(yīng)，是城市治理能力提升和治理體系現(xiàn)代化的重要支撐，是城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要引擎，是城市創(chuàng)新發(fā)展的重要平臺。
城市大腦的邏輯模型。城市大腦邏輯模型的構(gòu)成要素包括：識別處理組件、邏輯計算組件、知識圖譜組件、時空構(gòu)建組件和指令輸出組件（如圖3所示）。
1.識別處理組件（Identify Processing Unit, IPU）。城市大腦通過結(jié)合完善的數(shù)據(jù)治理方法論，構(gòu)建出一整套通用大數(shù)據(jù)工具——識別處理組件，從而以更加安全、可靠、靈活、便捷的方式支撐政府、企事業(yè)單位多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、實踐與應(yīng)用。識別處理組件把海量結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)和國內(nèi)外主流大數(shù)據(jù)架構(gòu)進(jìn)行有效結(jié)合與集成，并結(jié)合政府和企事業(yè)單位在數(shù)據(jù)采集、計算存儲、數(shù)據(jù)治理、分析挖掘、可視化應(yīng)用等方面的具體需求，開發(fā)出針對經(jīng)營數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、社會化數(shù)據(jù)等全生命周期數(shù)據(jù)治理的服務(wù)。
2.邏輯計算組件（Intelligent Judgment Unit, IJU）。邏輯計算組件是城市大腦的智能決策中樞，是人工智能的技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施平臺，能夠支撐城市大腦未來的各種應(yīng)用，同時也是推動城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心。
依托于異構(gòu)算力集群，邏輯計算組件統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)同工作，向上層應(yīng)用提供平等開放的人工智能分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法服務(wù)，并通過數(shù)據(jù)積累、生態(tài)鏈建設(shè)、算法自學(xué)習(xí)，豐富算法／模型庫，支撐應(yīng)用的成長、擴(kuò)充。同時，通過系統(tǒng)接口與城市大數(shù)據(jù)資源平臺關(guān)聯(lián)，并與相關(guān)部門系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享，向城市各委、辦、局以及街鎮(zhèn)用戶提供服務(wù)。
邏輯計算組件能夠有效支撐城市大腦上層業(yè)務(wù)應(yīng)用的智能分析功能，針對城市管理、城市交通、人口監(jiān)測、生態(tài)環(huán)保、公共安全等領(lǐng)域的問題，對城市大腦接入的文本、圖片、語音、視頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析處理，為城市大腦各類應(yīng)用提供預(yù)測、預(yù)警等人工智能算法分析服務(wù)，以此發(fā)現(xiàn)城市潛在的運行規(guī)律，并為城市提供全局協(xié)同的決策支持服務(wù)，為城市大腦建設(shè)以及全面促進(jìn)智慧城市的穩(wěn)定發(fā)展提供有力支撐。
3.知識圖譜組件（Knowledge Base Unit, KBU）。城市信息涉及基礎(chǔ)設(shè)施、交通出行、醫(yī)療服務(wù)、公共安全、教育服務(wù)、生產(chǎn)制造等與公眾生活相關(guān)的各個方面，具有高維度、異構(gòu)性、多樣性、稀疏性和海量性等特征。整合上述城市運行核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)是城市大腦必須面臨和解決的問題，知識圖譜具備對海量高維復(fù)雜數(shù)據(jù)的強大處理能力，能很好地為該問題提供解決方案。知識圖譜所運用的知識融合技術(shù)利用知識建模和知識計算，可將散布在城市各個角落的數(shù)據(jù)連接起來，可對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)分析和整合，以完成對城市進(jìn)行全域即時分析、指揮、調(diào)動和管理，從而實現(xiàn)對城市的精準(zhǔn)分析、整體研判與協(xié)同指揮。
4.時空構(gòu)建組件（Time Space Unit, TSU）?；诮y(tǒng)一的時空基準(zhǔn)，以位置服務(wù)、時空融合、數(shù)據(jù)挖掘為核心，實時匯聚、融合、統(tǒng)籌二三維基礎(chǔ)地理空間、物聯(lián)網(wǎng)、政務(wù)、社會信息、專題信息、態(tài)勢感知、遙感影像等各種城市時空數(shù)據(jù)，搭建城市全域時空資源庫，形成集“采集、治理、融合、服務(wù)、分析及應(yīng)用”為一體的時空數(shù)據(jù)持續(xù)生產(chǎn)和共享服務(wù)體系。采用數(shù)字孿生、第五代新測繪技術(shù)、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等信息技術(shù)，構(gòu)建地上地下、室內(nèi)室外、宏觀微觀、虛實相輔、動靜一體化的城市運行全貌圖。賦予城市以狀態(tài)感知、實時分析、智能決策、精準(zhǔn)執(zhí)行、虛實互動的能力，實現(xiàn)各類時空資源的一圖可查、一圖比對、一圖共享、一圖管理、一圖分析，形成城市大腦數(shù)字孿生底座。
5.指令輸出組件（Instruction Output Unit, IOU）。指令輸出組件秉承以信息流為核心，聚焦指揮和運營兩大核心能力的設(shè)計理念，以智能化的科技手段使操作更加便捷，打造領(lǐng)導(dǎo)指揮調(diào)度的駕駛艙、部門協(xié)同會商的參謀部、街鎮(zhèn)吹哨報到的調(diào)度室、城市平穩(wěn)運行的中控臺，助力推進(jìn)治理體系的重構(gòu)與治理能力的提升。
這5個構(gòu)成要素之間存在協(xié)同關(guān)系。識別處理組件是其他各組件的基礎(chǔ)設(shè)施，通過識別處理組件向其他組件提供城市數(shù)據(jù)。邏輯計算組件依據(jù)識別處理組件采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研判，支撐其他組件有效運行。知識圖譜組件、時空構(gòu)建組件基于識別處理組件采集的數(shù)據(jù)和邏輯計算組件分析的結(jié)果，搭建城市全域時空數(shù)據(jù)庫，為指令輸出組件提供服務(wù)。知識圖譜組件通過知識融合和建模，打造城市級知識體系，為指令輸出組件及時空構(gòu)建組件提供支撐。指令輸出組件以指揮和運營為核心功能，提升城市治理的現(xiàn)代化水平。
上述5大模塊協(xié)同進(jìn)化，融合發(fā)展，完成了自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、自演進(jìn)的過程，進(jìn)而產(chǎn)生了城市智能。以海淀城市大腦項目中的重點車輛治理為例，城市大腦依托對城市道路的感知以及一些基礎(chǔ)知識，識別渣土車的位置及其違法行為，當(dāng)確認(rèn)其有違法行為后，依托對道路的認(rèn)識判斷其路線，同時依托原有的處理經(jīng)驗判斷需要哪些部門到場執(zhí)法，而當(dāng)問題處理完畢后，不論城市大腦判斷正確與否，執(zhí)法人員都會將路線判別和聯(lián)合執(zhí)法的情況反饋給城市大腦，城市大腦再依據(jù)這些反饋進(jìn)一步修改既定的判斷規(guī)則。
城市大腦的實證分析——海淀城市大腦
海淀城市大腦是北京市海淀區(qū)立足首都“四個中心”“兩區(qū)三平臺”戰(zhàn)略定位，貫徹海淀“兩新兩高”戰(zhàn)略部署的重要抓手和龍頭工程。同時，海淀城市大腦建設(shè)成果得到北京市市委、市政府充分肯定。北京市大數(shù)據(jù)工作推進(jìn)小組在《北京大數(shù)據(jù)行動計劃2020年重點工作任務(wù)》中明確指出，要在全市推廣海淀城市大腦建設(shè)模式。
在具體建設(shè)過程中，海淀城市大腦通過搭建海淀城市大腦基礎(chǔ)平臺，包括一張城市時空底圖、一個城市知識圖譜、一個城市指揮中心（Intelligent Operation Command Center, IOCC）、兩個中心（大數(shù)據(jù)中心、AI計算中心），支撐城市治理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展應(yīng)用。
在城市治理方面，城市大腦通過接口、數(shù)據(jù)、資源對接，打造“三融五跨”的55個城市大腦業(yè)務(wù)場景應(yīng)用，涵蓋城市管理、公共安全、生態(tài)環(huán)保、城市交通、應(yīng)急指揮、金融、能源等領(lǐng)域，每日處理大量數(shù)據(jù)。例如，截至2021年5月海淀時空一張圖項目收集到17萬幢建筑物信息；AI計算中心每天處理100萬張過車圖；IOCC數(shù)據(jù)超過6000萬條；北京市健康寶累計查詢處理數(shù)據(jù)50億次。在“渣土車治理”場景中，平臺集結(jié)7個政府部門、14家高科技企業(yè)，打破渣土車治理業(yè)務(wù)、流程、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的“煙囪”“壁壘”“孤島”，形成更精準(zhǔn)、更高效的執(zhí)法新模式，對渣土車違法行為初步實現(xiàn)看得清、逮得著、罰得了、管得住。在疫情防控場景中，城市大腦疫情防控平臺的建設(shè)發(fā)揮了重大作用，可對重點人員進(jìn)行6類信息的采集，并快速統(tǒng)計分析主要來源地、活動軌跡。疫情期間，疫情防控平臺實現(xiàn)對全區(qū)617個社區(qū)（村）信息實時掌控，為疫情防控提供有效支持。后續(xù)將建設(shè)公共衛(wèi)生應(yīng)急場景，實現(xiàn)公共衛(wèi)生領(lǐng)域的監(jiān)測預(yù)警。
在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，城市大腦通過運營方式、管理方式、產(chǎn)業(yè)方式、資源匹配方式等支撐產(chǎn)業(yè)形成、轉(zhuǎn)型升級和競爭力提升。首先，以新場景助力初創(chuàng)科技企業(yè)加快成果產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化。在水環(huán)境治理場景中，芯視界公司量子點光譜傳感芯片技術(shù)走出實驗室，在南沙河布設(shè)了29套“零接觸式”監(jiān)測點位，實現(xiàn)了在海淀創(chuàng)新示范、在全市推廣應(yīng)用，二期更是布設(shè)了100多個監(jiān)測點位，目前其成果已應(yīng)用到外地省市。其次，以新契機(jī)助力傳統(tǒng)科技企業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級。一直致力于傳統(tǒng)教育信息化的競業(yè)達(dá)公司成功轉(zhuǎn)型為人工智能物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)，其新產(chǎn)品在杭州、上海得到了推廣應(yīng)用。再次，以新平臺助力領(lǐng)軍企業(yè)提升在前沿技術(shù)領(lǐng)域的國際競爭力和話語權(quán)。百度“飛槳”平臺在全面支撐海淀城市大腦人工智能場景應(yīng)用過程中，取得了深度學(xué)習(xí)框架平臺在自主可控、安全可靠、應(yīng)用生態(tài)等方面的新進(jìn)展。最后，推動國產(chǎn)芯片和算法適配應(yīng)用，初步實現(xiàn)人工智能芯片算力資源的80%國產(chǎn)化率和自主可控；后續(xù)將逐步升級各領(lǐng)域算法模型，采取高度自動化模式，形成面向未來的動態(tài)演進(jìn)、可生長的技術(shù)平臺。
結(jié)論與展望
本文的理論研究成果來源于結(jié)合理論對海淀城市大腦等多個城市大腦建設(shè)項目的真實案例進(jìn)行總結(jié)、凝練與升華。本文通過對城市智能的概念研究，界定了城市大腦，進(jìn)而構(gòu)建了城市大腦的邏輯模型，闡明了城市大腦統(tǒng)籌引領(lǐng)城市治理、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技創(chuàng)新的落地形式，說明了城市大腦是城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的新引擎。
2021年1月19日，獲得圖靈獎的唯一華人科學(xué)家、中科院院士、清華大學(xué)交叉信息研究院院長姚期智先生在進(jìn)行海淀城市大腦參觀調(diào)研時指出，人類社會發(fā)展到現(xiàn)階段，由于信息技術(shù)、人工智能技術(shù)等的發(fā)展，城市大腦應(yīng)運而生，未來將成為一門學(xué)科。以應(yīng)用場景建設(shè)為出發(fā)點的城市大腦“海淀模式”值得研究和推廣。同時，城市大腦有可能成為中國領(lǐng)跑世界的一個突破口。本文是一個開端，后續(xù)將圍繞兩方面展開研究，其一，城市大腦理論模型的數(shù)學(xué)證明過程，其二，城市大腦理論模型的應(yīng)用實證分析。
注釋
[1]柳進(jìn)軍：《城市智能與城市大腦概念機(jī)》，《中關(guān)村》，2021年第4期；柳進(jìn)軍：《城市大腦——重新定義城市，塑造未來產(chǎn)業(yè)》，《中關(guān)村》，2021年第2期；劉鋒：《研究報告：城市大腦的起源、現(xiàn)狀與未來趨勢》，https://wenku.baidu.com/view/ec2f9aa10408763231126edb6f1aff00bfd57059.htmlhttps://pan.baidu.com/s/1YdDKx2MGMndwX9faIbDq7w，2018年3月26日更新。
[2]Caragliu A.; Bo C. D.; Nijkamp P., "Smart Cities in Europe", Journal of Urban Technology, 2009, 18(0048) ；李重照、劉淑華：《智慧城市：中國城市治理的新趨向》，《電子政務(wù)》，2011年第6期。
[3]單勇、阮重駿：《社會治理地圖對綜合治理體系的三重發(fā)展——以城市大腦為例》，《中國特色社會主義研究》，2021年第1期；沈錫權(quán)、魏一駿：《“城市大腦”刷新現(xiàn)代治理》，《半月談》，2019年第10期；高文：《城市大腦的痛點與對策》，《智能系統(tǒng)學(xué)報》，2020年第4期。
[4]劉鋒：《研究報告：城市大腦的起源、現(xiàn)狀與未來趨勢》，https://wenku.baidu.com/view/ec2f9aa10408763231126edb6f1aff00bfd57059.htmlhttps://pan.baidu.com/s/1YdDKx2MGMndwX9faIbDq7w，2018年3月26日更新。
[5] 肖家立、黃泳豪、羅琳、蔡泳：《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型以珠海為核心的智慧城市群建設(shè)研究》，《無線互聯(lián)科技》，2020年第20期；劉鋒：《如何理解和定義城市大腦》，《中國建設(shè)信息化》，2020年第17期；Russell S.; Norvig P., Artificial Intelligence: A Modern Approach, http://aima.cs.berkeley.edu/, 2020-12-12；“中國城市營商環(huán)境評價研究”課題組、李志軍等：《中國城市營商環(huán)境評價的理論邏輯、比較分析及對策建議》，《管理世界》，2021年第5期。
[6]王波、張偉、張敬欽：《突發(fā)公共事件下智慧城市建設(shè)與城市治理轉(zhuǎn)型》，《科技導(dǎo)報》，2021年第5期；鄒凱、萬震、曹丹、張東東：《智慧城市信息安全監(jiān)管策略的演化博弈分析》，《現(xiàn)代情報》，2021年第3期。
參考文獻(xiàn)
［匈］歐文·拉茲洛，2020，《宇宙的智慧》，李永學(xué)譯，北京：中國民主法治出版社。
戴汝為，2007，《社會智能科學(xué)》，上海交通大學(xué)出版社。
責(zé) 編／桂 琰
The Logical Model of City Brain
Liu Jinjun
Abstract: In recent years, due to the introduction of new technologies such as artificial intelligence, cloud computing, big data, blockchain as well as the national new infrastructure policy, local governments have generally included the "City Brain" program into their urban development and construction plan, and the relevant practical activities of "City Brain" are developed vigorously, becoming a new hot spot in the field of urban development and scientific and technological innovation. Although the practice of City Brain has produced many scientific and technological achievements and practical results, a consensus is yet to be reached among the academic and industrial circles on certain issues in the theoretical research of City Brain. There are still great differences in the concept and connotation of City Brain. This paper, starting from the generation of intelligence, combs the theories of biological intelligence and non-biological intelligence, universe intelligence and information intelligence, social intelligence and urban intelligence; elaborates the important role of "City Brain" in urban development; and further expounds the concept definition, representation dimension, function orientation and logical model of "City Brain". Through the practice of Haidian City Brain, this paper further explains the role of "City Brain" in the urban transformation and development, and provides reference for the practice of conducting "City Brain" programs and the formulation of relevant standards.
Keywords: City Brain, logical model, urban governance, industrial development, technological innovation, city intelligence
