當前，新一輪科技革命和產業變革正在孕育興起，數字化正以不可逆轉之勢深刻改變人類生產生活方式。城市大腦作為新基建的重要內容，越來越成為推動城市治理體系和治理能力現代化的重要抓手，“十四五”發展綱要將數字化發展單獨成篇，提出分級分類推進新型智慧城市建設，推進城市數據大腦建設，探索建設數字孿生城市。本文聚焦城市大腦未來形態，首先從城市治理、產業發展等維度研究提出城市大腦發展需求，其次介紹城市大腦發展整體現狀、特征及存在問題，分析探討城市大腦未來形態，提出城市大腦落地實施建議。
一、城市大腦成為數字化轉型重要抓手
城市大腦是基于云計算、物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術，打通橫向各部門、縱向各層級的業務壁壘，充分推進城市數據資源網絡共享、集約整合、高效開發、全面賦能，支撐城市運行生命體征感知、公共資源配置優化、重大事件預測預警、宏觀決策指揮的新型基礎設施。城市大腦的建設不僅僅是技術創新，更是社會創新，它揭示了城市未來的發展模式，預示著城市文明新階段的到來。2020年3月31日，習近平總書記在視察杭州城市大腦運營指揮中心時指出，運用大數據、云計算、區塊鏈、人工智能等前沿技術推動城市管理手段、管理模式、管理理念創新，從數字化到智能化再到智慧化，讓城市更聰明一些、更智慧一些，是推動城市治理體系和治理能力現代化的必由之路，前景廣闊。
城市大腦是數據治理與運營的“催化劑”。城市大腦通過政務數據編目，匯聚融合各類數據，形成數據治理體系，統一提供數據接口、共享和開放服務，逐步形成本地化的大數據資源中心，支撐城市各項智慧應用建設。通過搭建城市公共數據資源賦能平臺，可以打造一批數據調用服務組件，對外提供電子證照、地理信息、房屋等基礎數據調用服務，也可通過數據賦能，推動治理向基層下沉，減輕基層日常工作負擔。
城市大腦是城市治理的“使能者”。隨著我國新型城鎮化進程逐步推進，交通擁堵問題嚴重、公共安全事件頻發、城市污水和垃圾處理能力不足、環境污染加劇等“大城市病”日益突出，城市治理需要更高、更寬的視野和更新、更靈的工具，城市大腦作為城市治理者的全新工具，通過全社會數據融合和資源整合，提升政府整體數據分析能力，為有效處理復雜社會問題提供了新的手段。基于數據的科學決策能夠推動政府管理理念和社會治理模式的進步，加快建設法治政府、創新政府、廉潔政府和服務型政府，逐步實現政府治理能力現代化。
城市大腦是產業發展的“助推劑”。城市大腦為產業升級和創新提供了賦能平臺，促進傳統產業轉型升級，培育戰略性新興產業。通過搭建數字經濟“產業大腦”，可以繪制數字經濟產業圖譜，全方位多角度展示產業發展狀況、產業全景圖和重點企業，并圍繞產業鏈短板和提升節點，精準推薦招商靶向企業，為政府提供精準、專業、實時的線上招商服務。
二、城市大腦整體處于發展起步階段
“十四五”期間城市大腦投資規模可達千億。據不完全統計，截止2020年10月底共129個項目以“城市大腦”為名進行招標，平均中標金額約為5500萬元，成為當前新型智慧城市建設熱點。在全國36個省級城市（含直轄市、計劃單列市）、255個地級市和2851個縣級行政區中，完成或正在建設的城市不足2%，根據中國信息通信研究院測算，2019年全國智慧城市投資總規模約為1.7萬億元，而城市大腦占智慧城市總投資比例約為4%，預計未來幾年城市大腦項目可能保持100%以上增速，十四五期間城市大腦投資規模可達千億。此外，在地域分布上，東部地區城市大腦建設數量遙遙領先，占比達到60%，其中，浙江省共17個市縣開始建設城市大腦，建設普及率全國第一。
技術演進方面，數字孿生技術作為城市大腦的重要技術方向，納入國家和地方發展戰略體系。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》明確提出要“探索建設數字孿生城市”。2020年，國家發改委、科技部、工信部、自然資源部、住建部等部委密集出臺政策文件，有力推動城市信息模型（CIM）及建筑信息模型（BIM）相關技術、產業與應用快速發展，助力數字孿生城市建設。隨著數字孿生城市在雄安新區先行先試，數字孿生建設理念深入到各地新型智慧城市規劃中。上海市發布《關于進一步加快智慧城市建設的若干意見》，明確提出“探索建設數字孿生城市”；海南省發布《智慧海南總體方案》，提出“到2025年底，基本建成‘數字孿生第一省’”；浙江省提出建設數字孿生社區。據中國信息通信研究院統計，2018年城市信息模型（CIM）相關投標項目全國僅有兩項，2019年新增8項，2020年（截至2020年10月）新增19項，增長迅猛，標志城市信息模型已加速進入到探索推廣階段。
業務功能方面，一網統管成為城市大腦的發展方向，著力構建跨領域、跨層級高效調度體系。各地城市大腦著重提升協同聯動能力，深化“一網統管”建設，一方面聚焦公共安全、應急管理、規劃建設、城市網格化管理、交通管理、市場監管、生態環境等重點領域，實現態勢全面感知、風險監測預警、趨勢智能研判、資源統籌調度、行動人機協同；另一方面打破“層層上報、層層審批”傳統上傳下達方式，改變數據采集慢、融合難、整理耗時等頑疾，著力構建“市、區、街道社區”三級聯動體系，實現快速靈活綜合調度。例如疫情防控初期，傳統數據報送處理方式層級多，數據從采集、整理、摸排、上報到發布要一天左右，海口城市大腦疫情防控智能指揮平臺建立“市、區、街道社區”三級聯防聯控體系，基層人員和公眾可直報數據到城市大腦，城市大腦處置命令直達工作人員，實現命令下達、執行跟蹤、摸排上報、群防群治全鏈路快速閉環，避免了多級數據采集和命令傳達。
應用支撐方面，城市大腦發揮城市基礎設施作用，助力應用快速開發，為應用場景開發節省時間和成本。疫情前期發展迅速，急需快速搭建疫情監測、人口排查、防控指揮等新應用，城市大腦可基于基礎支撐平臺、成熟應用組件庫、基礎數據庫等，快速搭建疫情防控新平臺。例如杭州基于城市大腦快速開發健康碼平臺，將開發周期從常規的4周縮短到16小時；北京海淀區基于城市大腦的“時空一張圖”和“AI計算平臺”等快速上線疫情防控平臺。
產業生態方面，企業基于四大核心優勢入局城市大腦領域，形成群雄逐鹿產業格局。一是以云數為內核的生態整合實力，基于“云+數”優勢，通過打造城市級“云數”平臺，面向合作伙伴打造“合作生態”，合作伙伴基于平臺快速構建應用層，提供最后一公里的服務。如華為依托同時提供云管端協同ICT產品與解決方案的能力，打造數據底座，提供云計算服務、新ICT能力和行業使能，構建開放的數字化生態。二是以AI為核心的技術實力，基于AI核心技術，提供更多具有“AI思維”的解決方案，迅速打開市場空間。如百度基于百度大腦和AI核心技術，提出AI智能城市“ACE王牌計劃”，引入自動駕駛汽車、智慧道路車路協同，提升車和路的智能化水平，引入自主泊車，幫助駕駛員節省找停車位的時間。三是便捷觸達公眾優勢，依托城市服務平臺便捷觸達公眾優勢，讓城市智能中樞的應用工具和應用場景的多樣性上具有得天獨厚的優勢，形成技術與場景的點線面結合。如騰訊提出構建“WeCity未來城市”，以騰訊云的基礎產品和能力為底層，為數字政務、城市治理、城市決策和產業互聯等領域提供解決方案，并通過微信、小程序等工具觸達用戶。四是系統集成能力，傳統集成商依托強大的產業鏈上下游整合、整體解決方案提供和售后服務能力等優勢，積極入局城市智能中樞建設，如2020年中軟國際1.47億中標張家港城市大腦項目。
本次新冠肺炎疫情期間，城市大腦暴露出平臺賦能不足、業務支撐不力、建設運營模式不清晰等問題。一是平臺賦能不足，城市大腦組件化工具化能力較弱，難以快速提供上層系統需要的大數據、物聯網感知、城市信息模型等服務，場景靈活搭建和系統快速生成能力不強，亟需打造城市大腦支撐平臺全面賦能上層應用。二是跨部門業務協同型場景支撐不力，城市大腦中涉及多部門聯動處置的業務經常出現“數據盲區、數據打架”等問題，一張圖規劃、一盤棋管理等跨部門跨行業應用場景效果不明顯，對決策指揮、聯防共治造成困難，需城市大腦針對跨部門業務需求打造一批典型場景和超級應用。三是城市大腦長效運營模式不清晰，城市大腦系統復雜度高、技術更新迭代快、所需資金巨大，需建立長效運營理念，建立與技術支撐、制度建設相匹配的城市級建設運營服務體系，引入具有定制化服務、長效運營增值、生態伙伴培引等能力的本地運營機構支撐。
三、一體四翼構建未來城市大腦
城市大腦以網絡、計算、感知設施為基礎，全面匯聚整合分布在城市各級各部門各行業的海量數據，構建聚合數據、共享技術、協同業務、賦能應用的城市運營中樞平臺，促進數據協同、技術協同、業務協同，賦能生產、生活、生態等上層應用場景。作為城市新型基礎設施，城市大腦將是開放、不斷完善、迭代發展的，一方面能夠隨著未來信息技術發展不斷演進，另一方面隨著各行業信息化建設逐步深化，激活城市各行業以及跨行業的基于城市大腦的系統建設，有序推進各行業系統接入及提升，最終實現城市治理和服務領域的全覆蓋。城市大腦未來形態的總體架構見圖1。
圖1 城市大腦總體架構
（一）四大核心平臺
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，在人類智慧和機器智能的共同參與下，在物聯網、大數據、人工智能、邊緣計算、5G、云機器人、數字孿生等前沿技術的支撐下，充分推進城市數據資源網絡化共享、集約化整合、高效化開發、全面化賦能，注重標準接口的提煉和統一，各類共性支撐平臺是城市大腦的核心要素。
1、城市大數據平臺
城市大數據平臺以CIM數據為骨架，通過對全域全量數據匯聚、融合、存儲與分析，并使用智能感知、分布式存儲、數據挖掘、實時動態可視化等大數據技術，提高數據資源利用水平，成為數據驅動治理模式的強大引擎。隨著數據處理技術的不斷進步，數據應用的需求不斷提升，城市大數據的數據資源來源越來越豐富。同時，城市大數據結構異構特征顯著，數據量大，速度增速快、處理速度和實時性要求高，且具有跨部門、跨行業流動的特征。雖然各級地方政府和企業都在積極探索城市大腦建設，但仍然存在特色不明、體驗不佳、共享不足等問題，究其根源在于，未能實現城市大數據資源與城市業務的良好融合，大部分城市仍停留在政務數據共享交換平臺的水平，主要在政府內部進行數據共享。
2、城域物聯感知平臺
城域物聯感知平臺以全域物聯感知和智能化設施接入為基礎，為設備開發者、應用開發者、業務管理者、運維服務者等各參與者，提供物聯感知服務，成為終端設備與智能應用之間的紐帶。城域物聯感知平臺的核心功能主要包括接入管理、設備管理、數據管理等三部分，向下接入感知終端，兼容適配各類協議接口，提供感知數據的接入與匯聚；中間面向設備開發者、管理者、運維者提供遠程運維管理、事件告警、反向控制等設備管理；向上為應用開發者提供數據解析、數據分析、數據統計、數據調用等數據管理，支撐物聯數據創新應用。
圖2 城域物聯感知平臺架構
3、城市信息模型平臺
城市信息模型平臺是刻畫城市細節、呈現城市趨勢、推演未來趨勢的綜合信息載體。城市信息模型平臺基于城市GIS地圖，按照地形層、道路層、建筑層、水域層等順序加載城市大數據平臺和城域物聯感知平臺數據，并對建筑物、橋梁、停車場、綠地等城市部件進行單體化處理。在模型單體化基礎上，同步接入人口、房屋、水電燃氣、交通等城市公共系統的信息資源，實現可視化展示城市運行狀態，并運用模擬仿真、深度學習等技術，模擬推演城市發展態勢。
4、應用支撐模型平臺
應用支撐模型平臺是城市大腦關鍵共性技術、應用開發組件和城市模型服務的模塊化封裝集成平臺，實現靈活配置和高效開發利用，包括共性應用組件服務、信息模型服務和核心使能技術服務。其中，共性應用組件服務包括信用服務、身份認證、非稅支付、電子證照等底層技術支撐；信息模型服務是指面向應用場景的賦能服務，包括自定義渲染服務、空間分析計算、虛實融合互動等；核心使能技術服務包括人工智能、大數據、區塊鏈等新技術能力，為上層應用提供技術支撐。
（二）七大協同場景
城市大腦在行業系統應用的基礎上，著眼城市建設和管理，以解決城市運行問題為牽引，賦能場景不斷向跨部門跨領域的超級場景應用方向發展，協同聯動成為業務場景建設的重點和亮點。
1、多規融合一圖管控
城市大腦整合所有基礎空間數據、現狀數據、規劃成果、地下空間數據等城市規劃相關信息資源，在城市信息模型上實現合并疊加，解決潛在沖突差異，統一空間邊界控制，形成規劃管控的“一張藍圖”。在充分保證“一張藍圖”實時性和有效性的前提下，匯聚更多規劃相關數據，如人口分布密度、綠地面積布局、交通流量、實時環境檢測、空氣流動、溫度變化、人們社交活動等信息，基于全量數據構建各類模型，如城市風貌模型、控規模型、參數化模型等，對各種規劃方案及結果進行模擬仿真及可視化展示，實現方案的優化和比選。
2、項目建設全程可視
在設計階段，利用數字孿生技術，構建還原設計方案周邊環境，充分考慮設計方案和已有環境的相互影響因子，讓原來到施工階段才能暴露出來的缺陷提前暴露在虛擬設計過程中，方便設計人員及時針對這些缺陷進行優化。在施工階段，利用數字孿生技術將施工方案和計劃進行模擬，分析進度計劃的合理性，對施工過程進行全面管控。在運營維護階段，基于設計、施工、裝配過程中留存數據生成的建筑三維模型，結合建筑內外部各類傳感器、監控設備采集的建筑環境數據、設備運行數據、構件壓力和應變數據、視頻監控數據、異常報警數據等，開展智能分析，對可能出現的建筑壽命、設備健康等問題進行預測預警。
3、城市運行一網統管
基于標準統一的城市部件數字編碼標識體系和空天地全方位立體部署的物聯感知設施，為各類城市部件、基礎設施甚至是動植物等生命體賦予獨一無二的“數字身份證”，實現對城市部件的智能感知、精準定位、故障發現和遠程處置。利用城市智能引擎賦能城市攝像頭，智能識別跨門經營、違章停車、堆物堆料、暴露垃圾、無證游商、積存垃圾渣土、沿街掛曬等違章行為，通過智能立案、派發、審核，縮減案件處置流程，有效縮短處置時間、節省工作人力投入，提升城市管理的智能化，提升市民滿意度。此外，通過全要素數據聚合，準確抓取城市體征，進行城市畫像，洞察城市機場、高鐵站、交通樞紐、地鐵站、熱門景點、博物館、圖書館、體育館運行狀態和實時利用率，人和車輛動態和軌跡追蹤，城市大型建筑、橋梁、游樂場、重點設施的安全監控，一張圖全景展現城市運行動態。
4、公共安全一屏掌控
依托城市大腦，基于AI和大數據技術能力，構建治安防控圈，對重點區域、重點出入口等監控點位的人員和車輛進行全覆蓋、全方位智能采集，將散布在城市各個角落的監控攝像頭等設備產生的數據連接起來，進行分析與整合，根據結構化數據形成一臉一檔、一車一檔、標簽庫等，做到“人過留像、車過留牌、留特征、留軌跡”，當社會治安防控中智能發現顯性問題時，可實現自動報警、快響應與協同處置，從而實現對城市的精準分析、整體研判、協同指揮，使“雪亮”工程更“明亮”。如當發生老年人、幼童走失等事件時，系統自動調動事發現場及其周邊視頻監控設備，通過軌跡跟蹤和自動尋位，降低走失風險。
5、應急指揮一鍵調度
城市應急態時，城市大腦發揮應急指揮中心功能，為決策者實時遠程分析、展示城市各類信息，對重大事件和重點人群進行動態監測、跟蹤、預警，支持跨層級、跨部門的全域資源快速調動，有效應對重大公共安全事件、突發公共衛生事件、自然災害等緊急突發事件，做到統一平臺、統一通信、統一部署、統一指揮、統一調度，打造領導“管理駕駛艙”。整合視頻監控等各類信息，快速還原應急事故現場的環境，為相關部門開展災情研判、災害分析等工作提供保障；通過可視化的界面形象的實時展示各種應急資源的位置、狀態，并基于空間實際地理坐標對可用應急資源進行查詢，形成應急資源一張圖；通過三維模擬仿真技術對整個應急事件的處置全流程進行仿真，在仿真的過程中通過多種評價方式對每個具體的仿真流程，整體應急資源的準備情況，應急預案整體執行效率等進行多角度的評價，為領導決策提供科學輔助。
6、政務服務一網通辦
以城市大腦建設為基礎，打造一體多端的政務服務平臺，以政府服務大廳、政務服務網、城市級app、自助終端、12345熱線等整合各部門、各領域現有公共服務入口，形成統一入口，匯聚用戶使用頻率高、需求量大的服務事項，實現政務服務線下大廳辦、網上辦、掌上辦、自助辦、12345 熱線辦等多渠道聯動。打造政務服務支撐平臺，推進區塊鏈+政務服務審管互動應用，加強政務服務事項治理分析，利用OCR 識別、自然語言處理、語音識別、智能機器人等 AI 能力，實現跨部門業務流程自動化、12345語音智能識別、審批材料智能化識別，解決審批信息二次錄入問題，支撐利企惠民服務直達。以惠民服務為例，通過“掌上政務”服務平臺融合身份證、駕駛證、社保卡、醫保卡、銀行卡等功能權限，為市民提供交通出行、教育繳費、看病就醫、政務服務、智慧社區、信用支付、不動產交易、小微貸款、圖書館借閱、公園景點等便民服務。
7、產業發展一圖總覽
基于城市大腦，匯聚投資、消費、就業、稅收、財政、金融、能源等經濟運行領域的監測數據，為產業經濟運行分析數據支持。開展產業運行態勢綜合監測，實現生產運營管理總體情況概覽，包括產業結構數據、入駐企業、產值分析、稅收、招商引資數據、稅收數據、復工復產情況等；生成產業地圖，重點聚焦城市產業分布，從空間和產業兩個維度，形成現狀圖和未來圖，通過發揮產業地圖的指引作用，有效服務各類投資者，推動重大項目與產業地圖精準匹配、快速落地，引導社會資本向重點區域集聚，加快構建集產業鏈、創新鏈等融為一體的產業要素體系；探索產業經濟分析，通過分析城市傳統產業、優勢產業、戰略產業的發展規模、投資、效益、稅收情況，以及各產業在研發、生產、銷售、管理各環節狀態、資源情況，建立經濟運行大數據分析模型，對區域經濟運行趨勢進行分析和預判，為淘汰落后產能、清理“僵尸企業”、鼓勵科技創新、扶持優勢產業、改造技術落后企業等一系列經濟調節目標提供及時、精準、有效的決策信息。
四、因地制宜推動城市大腦落地實施
因地制宜創新建設運營模式。相對智慧城市建設，城市大腦的技術復雜度更高、更新速度更快、系統集成度更難，勢必需要專業的公司進行建設和運營。目前，國內城市大腦建設主要有三種模式：（1）企業總包建設運營模式。由某家企業總包負責城市大腦建設運營，企業通常為與城市簽訂戰略合作協議的國內領軍ICT企業。該模式優點是系統之間集成整合相對平滑，政府部門統籌組織難度低，缺點是城市大腦的企業標簽化色彩重，技術體系相對不開放。（2）領軍企業生態圈建設+主導企業運營模式。由智慧城市主管部門組織實施，以某個國內領軍ICT企業負責城市大腦的總體架構設計和核心模塊建設，以一批專業化企業形成生態圈共同參與城市大腦不同模塊建設。在城市大腦建設完成投入運行后，由主導企業負責后續運營工作。該模式優點是建設階段能最大化生產合力，缺點是政府統籌組織壓力大。（3）政企合作組建公司開展建設運營模式。由政企合作的公司負責建設運營，該公司通常為某主導企業和后續參與建設的領軍企業合資，將該領軍企業的技術方案進行落地，同時引入其他專業化企業參與建設，并承擔后續運營工作。該模式優點是整個建設運營階段都由專業化公司負責，有效整合企業資源，缺點是組建公司等前期準備工作相對復雜。
內外協同構建建設運營生態。城市大腦是一個復雜巨系統，需要協調內外部資源形成建設運營生態。一方面，對內強化統籌協調，形成政府多部門協同合力。如杭州市級層面成立杭州城市大腦建設領導小組，由市委書記掛帥，另有6位市領導擔任副組長，一位副市長主抓，各區縣（市）和各部門主要領導均為領導小組成員。同時，以項目為單元，建立工作專班，統一進駐云棲小鎮集中辦公。上海成立城市運行綜合管理中心，持續深化聯席會商機制，對于需要多部門共同處置的事件，建立共同的規則和秩序，明確責任主體、規范處置流程。另一方面，對外成立產業聯盟，聚合市場建設資源。如在海淀城市大腦建設過程中，百度牽頭華為、中國聯通、中海投資、比特大陸、曠世科技、千方科技、商湯、中科寒武紀、佳訊飛鴻等45家公司成立科技產業聯盟。在杭州城市大腦建設過程中，阿里云負責總體架構以及計算平臺、數據采集系統、數據交換中心、開放算法平臺、數據應用平臺等核心模塊建設，海康威視、大華股份、數夢工場、杭州城市大數據運營有限公司等多家企業負責組成模塊建設。
示范引領穩步推進城市大腦建設。城市大腦建設應根據自身城市發展戰略、數字政府建設需求、數字社會及數字經濟發展需求，遵循“需求導向、頂層設計、示范引領、分步實施”思路穩步推進，避免貪大求快。根據項目實施重點的不同，可以城市大腦建設期細分為夯實基礎、推廣應用、全面建設三個主要階段。夯實基礎階段重點圍繞頂層設計編制、平臺運營公司組建、平臺及重點子系統建設等工作開展；推廣應用階段重點圍繞平臺及重點系統完善、先行先試示范應用項目建設等工作開展；全面建設階段重點圍繞各領域智慧應用服務全面深化和協同運行，形成一批特色智慧應用，輸出地方特色方案。
