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城市大脑的定义与理论基础综述

已有 926 次阅读 2022-3-16 00:34 |系统分类:科研笔记

 

本文发表于2022年·2月下旬的《中国建设信息化》,作者杜青峰 刘锋 任伟阳

1 前言

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。

2 城市大脑的15个定义介绍

作为一个新生事务,如何理解城市大脑在学术界和产业界并没有形成统一的认知。很多城市和科技企业根据对城市大脑的不同的理解,按照不同的技术框架开展建设,产生的城市大脑定义超过15个以上(如下面列表所示)。

1.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,在人类智慧和机器智能的共同参与下,在物联网、大数据、人工智能、边缘计算、5G、云机器人和数字孪生等前沿技术的支撑下,数字神经元网络和云反射弧将是城市大脑建设的重点。城市大脑的作用是提高城市的运行效率,解决城市运行中面临的复杂问题,更好地满足市民的不同需求。城市大脑的发展目标不仅仅局限在一个城市或一个地区,当世界范围的城市大脑连接在一起,城市大脑最终将形成世界数字大脑,为人类协同发展提供一个类脑的智能支撑平台。

来源:《2021城市大脑全球标准研究报告》


2.城市大脑(也叫城市智能中枢)是运用大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链、数字孪生等技术,提升城市现代化治理能力和城市竞争力的新型基础设施,是推进城市数字化、智能化、智慧化的重要手段。通过对城市全域运行数据进行实时汇聚、监测、治理和分析,全面感知城市生命体征,辅助宏观决策指挥,预测预警重大事件,配置优化公共资源,保障城市安全有序运行,支撑政府、社会、经济数字化转型。在城市治理、应急管理、公共交通、生态环保、基层治理、城市服务等方面提供综合应用能力,实现整体智治、高效协同、科学决策,推进城市治理体系和治理能力现代化。

来源:《2022城市大脑发展白皮书》


3.城市大脑是基于云计算、物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术,打通横向各部门、纵向各层级的业务壁垒,充分推进城市数据资源网络共享、集约整合、高效开发、全面赋能,支撑城市运行生命体征感知、公共资源配置优化、重大事件预测预警、宏观决策指挥的新型基础设施。

来源:《关于城市大脑未来形态的思考》《学术前沿》2021 年第 9 期


4.城市大脑是面向城市治理和服务现代化需求,利用云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链、数字孪生等新一代信息技术,推动城市数据资源汇聚融合和运行态势全域感知,驱动业务流程优化和再造,实现城市治理能力提升、产业结构优化和管理模式创新的综合平台,是城市新一代的数字基础设施、现代化治理和服务的智能中枢。

来源:《城市大脑规划建设与应用研究报告 2020》2020 年 10月


5.城市大脑是基于城市生命体理念,以系统科学为指引,将散落在城市各个角落的数据( 包 括政务数据、企业数据、社会数据、生态环境数 据、互联网数据等) 汇聚起来,用云计算、大数 据、人工智能等前沿技术构建的平台型人工智能中枢。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。

来源:朝阳区“城市智慧大脑”建设理念,
https://www.sohu.com/a/496618346_276597


6.城市大脑,是指由中枢、系统与平台、数字驾驶舱和应用场景等要素组成,以数据、算力、算法等为基础和支撑,运用大数据、云计算、区块链等新技术,推动全面、全程、全域实现城市治理体系和治理能力现代化的数字系统和现代城市基础设施。

来源:浙江省杭州市《杭州城市大脑赋能城市治理促进条例》


7.城市大脑是运用大数据、云计算、人工智能等技术构建的城市数字化运行的基础设施,是数字政府、数字社会和数字经济的载体,汇集政府、企业和社会等数据,进行融合计算,感知城市生命体征,实现对城市全域的精准分析、整体研判、协同指挥、科学治理。

来源:浙江省杭州市DB3301/T 0273-2018《城市数据大脑建设管理规范》


8.“城市云脑”建设将在城市治理、民生服务、经济发展三大重点领域推进数据的应用,充分运用大数据、云计算、人工智能、区块链等前沿技术,推动实现政府决策科学化、社会治理精准化、公共服务高效化、产业发展现代化,助力打造新型智慧城市。坚持以人民为中心的发展思想,牢固树立新发展理念,坚持问题导向,建设“上下贯通、左右衔接 , 全市一体、高度集成 , 数据共享、业务协同”的城市云脑,利用互联网、大数据、人工智能等新兴技术手段,全面整合城市资源要素,数字化、网络化、平台化、智能化地“搞活一座城”。

来源:山东省青岛市《青岛市人民政府办公厅关于加快青岛市城市云脑建设的实施意见》


9.生态城的城市大脑在最初“运营中心”的基础上,又增设了“数据中心”“安全中心”和“标准中心”,逐步实现多脑并行、各司其职,集数据赋能、智慧赋能、标准约束、安全保障于一体。

来源:中新天津生态城对城市大脑的理解


10.城市大脑要搭建的是整个城市的人工智能中枢,是一个对城市信息进行处理和调度的超级人工智能系统,能将散布在城市各个角落的数据连接起来,通过对大量数据的分析和整合,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。

来源:“长沙城市超级大脑”项目对城市大脑的理解


11.城市大脑是利用大数据、云计算、人工智 能终端 (物联网) 三个核心构件组合体,为城市 交通治理、公共安全、应急管理、网格防控、医 疗卫生、环境保护、城市精细化管理等构建的一 个人工智能中枢。

来源:河南省发展改革委下发的《2020年河南省数字经济发展工作方案》


12.城市大脑是以互联网为基础设施,基于城 市所产生的数据资源,对城市进行全局的即时分析、指挥、调动、管理,最终实现对城市的精准 分析、整体研判、协同指挥

来源:《群众》《决策资讯:城市大脑》


13.城市大脑是基于城市所产生的数据资源,实现数据互联互通, 对城市进行全局的即时分析,有效调配公共资源,不断完善社会治理,推 动城市可持续发展的新模式。

来源:2018世界人工智能大会《“城市大脑·未来生活”主题分享论坛》


14.城市大脑是利用人工智能、大数据、物联网等先进技术,为城市交通治理、环境保护、城市精细化管理、区域经济管理等构建一个后台系 统,打通不同平台,推动城市数字化管理。

来源:《中国安防行业网》


15城市大脑是支撑未来城市可持续发展的全 新基础设施,核心是利用实时全量的城市数据资 源全局优化城市公共资源,即时修正城市运行缺陷,实现城市治理模式突破、城市服务模式突破、城市产业发展突破。

、来源:《阿里ET城市大脑》


3 城市大脑是否具备理论基础的三种情况

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。

4.城市大脑定义分析

4.1基于互联网大脑模型的城市大脑定义

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。

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:

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。

城市大脑的定义与理论基础综述


图1 基于互联网大脑模型的城市大脑架构图

4.2 基于城市生命体的城市大脑定义

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,它有可能孕育、生长、成熟、死亡等(引用:中国人民大学公共管理学院教授李文钊的观点)。

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。

城市大脑的定义与理论基础综述


图2 基于城市生命体的城市大脑架构图


5.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):

image.png


图3 基于不同理论基础形成的城市大脑示意图


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需要进一步解决城市大脑(城市大尺度大范围的脑系统)与城市管理神经中枢的关系问题。从图一所示基于互联大脑模型的城市大脑定义认为城市智能中枢本质上是在城市大脑的数字神经元网络中,AI管理系统(神经元)支撑下的城市最高管理部门对应的数字神经元群体组成的城市数字管理神经团,负责对管辖区域进行统一管理,这一点将在未来进行详细阐述。


6 结语

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。


(作者单位 :杜青峰,中国城市科学研究会 / 智慧城市联合实验室、中城智慧(北京)北京城市规划设计研究院有限公司、智慧城市( 合肥 ) 标准化研究院有限公司 ;刘锋,中国科学院虚拟经济与数据科学研究中心、远望智库、天府大数据国际战略与技术研究院 ;任伟阳,雄安城市规划设计研究院有限公司)

 



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