城市大脑是当前智慧城市与智能产业发展的新热点。2015 年，刘锋团队基于互联网大脑模型的基

础理论研究提出城市大脑的定义与概念，本书由此对城市大脑的理论基础、提出背景和概念定义进行

了详细介绍，重点对建设城市大脑全球标准的9个研究方向进行了深入阐述，同时将城市大脑从起源到

最终状态划分为7个阶段，提出“当世界范围的城市都建立城市大脑后，一个支撑人类协同发展的世

界神经系统将会形成”的观点。在产业应用方面，本书对城市智商的评测方法、著名企业的科技大脑

系统、世界典型城市推出的城市大脑计划以及支撑城市大脑建设的典型技术和典型企业进行了详细介

绍。本书将对城市管理者、企业领导者和科研人员了解、掌握城市大脑的起源、建设规则和未来发展

趋势起到有益的帮助。

本书可以作为智慧城市、物联网、城市规划与设计相关领域的专业人士研究城市大脑建设与发展

的参考读物，也可以作为高等学校物联网工程、人工智能、电子信息工程、大数据技术与应用、计算

机科学与技术等相关专业大学本科生、研究生的教材。

前 言

Preface2020 年，在5G 、大数据、人工智能、区块链和新基建等一轮轮科技浪潮的推动下，“城

市大脑”成为城市建设和前沿科技领域的新热点。城市大脑是在中国诞生的原创科技成

果。2015 年，城市大脑基于互联网大脑模型的定义被首次提出；2016 年，杭州开始了

城市大脑的建设计划。

截至2020 年6 月，全国已经有数百个城市宣布建设城市大脑。阿里巴巴、华为、百度、

腾讯、科大讯飞、中科大脑、奇虎360 和京东等数百家科技企业都宣布进军城市大脑领

域，相继提出了自己的“泛城市大脑”技术规划。

在2020 年5 月的全国人民代表大会和中国人民政治协商会议上，多位代表提出应

该将构建城市大脑建设标准提上议事日程。由于目前没有统一的城市大脑建设规范和标

准，国内先行城市在数百家科技企业的帮助下根据各自的理解和探索，按照不同的技术

框架展开建设工作：有的从城市级人工智能中枢的角度着手，有的从城市交通与安防的

角度启动，有的则从城市生命体的角度展开。其中存在的问题：首先，城市各领域的人、

机器、人工智能系统没有统一的规范可以无障碍地连接到城市大脑的系统中，还存在“部

门孤岛”“行业孤岛”“企业孤岛”“地区孤岛”的问题；其次，城市的各种需求不能在

同一个平台上统一解决；最后，承建城市大脑的科技企业之间无法形成协同效应，一个

城市的城市大脑建设工作往往被企业巨头垄断，中小型科技企业很少有机会参与。

展望未来3~5 年，当不同城市、不同国家需要实现城市大脑的互联互通时，当前

城市大脑建设方式的弊端将会凸显。城市大脑的产生和发展不仅仅是工程技术问题，更

是基础科学研究问题。进入21 世纪以来，前沿科技领域出现了包括城市大脑在内的大

量新概念和新技术。那么，驱动这些新概念和新科技发展的规律是什么？这也是城市大

脑所面临的基本问题。只有找到这个规律并掌握它，才有可能在城市大脑的未来建设过

程中以最小试错成本获得最大红利。

2007 年，作者团队发现，21 世纪前沿科技发展的种种迹象表明，深刻影响人类发

展的互联网正在逐步从扁平的网状结构向立体的类脑架构演化。互联网的这一变化既是

物联网、云计算、大数据、工业互联网、人工智能、边缘计算、数字孪生等技术爆发的

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原因，也是城市大脑、谷歌大脑、百度大脑、讯飞超脑等类脑巨系统涌现的根源。

2015 年，作者在其论文《基于互联网大脑模型的智慧城市建设》中提出城市大脑

的概念和定义，指出城市大脑是互联网大脑架构与智慧城市建设相结合的产物，是城市

级的类脑复杂智能巨系统。

在以上研究的基础上，形成了城市大脑全球标准的9 个研究方向。

从城市大脑的起源和发展来看，它的发展和规划不应局限于一个城市、一个地区或

一个国家的内部。当世界各国的城市大脑走向成熟、实现连接之后，世界范围的城市大

脑最终会形成一个统一的“世界神经系统”。

近50 年来，IT 相关智能产业有3 次重要的标准制定机遇：①TCP/IP 的制定，规范

了硬件设备之间的通信活动；②W3C 规则的制定，规范了互联网上的信息展示与数据

传输活动；③从城市大脑到世界神经系统规则的制定（WWNS-R），将在应用层规范人类、

实物和系统的交互与协同。城市大脑的研究将推动城市建设和智能产业的深入发展，更

为重要的是，这项研究希望构建一个全球统一的类脑智能支撑平台，从而推动人类社会

的协同发展，最终为构筑起人类命运共同体奠定技术基础。

本书共9 章。第1 章介绍了城市大脑产生的时代背景和理论基础；第2 章介绍了城市

大脑的起源与定义，以及产业界对城市大脑的不同理解、目前存在的问题、具备的关键特

征；第3 章详细介绍了城市大脑全球标准研究的9 个方向；第4 章介绍了城市智商，即城

市大脑智能发展水平的评估方法；第5 章基于互联网大脑模型、城市的发展历史和未来趋

势，将城市大脑的发展划分为7 个阶段；第6 章基于脑的架构，对物联网、大数据、云计算、

边缘计算、数字孪生、人工智能等前沿技术与城市大脑的关系进行了分析；第7 章介绍了

世界科技公司发展类脑复杂巨系统的情况；第8 章介绍了世界范围特别是中国典型城市如

何建设城市大脑；第9 章介绍了城市大脑涉及的产业分布和相关典型企业（产品）。

本书的形成得到了中国科学院石勇教授、吕本富教授、刘颖副教授，国家创新与发

展战略研究会创新驱动研究院副院长周长青，中国管理科学学会副会长张晓东，中国生态

城市研究院首席技术官刘朝晖等专家的指导和支持。在这里向他们表示衷心的感谢！

由于城市大脑是一个处于前沿探索的新领域，本书的撰写难免会存在疏漏之处，期

待读者能够给予批评指正，帮助我们的研究不断深入。

作 者

2021 年11 月

目 录  Contents 

第1 章 理论基础：互联网大脑模型1

1.1 互联网的起源与传统结构2

1.2 互联网大脑模型简介2

1.3 互联网大脑模型的新特征 4

第2 章 城市大脑的起源与定义. 6

2.1 城市大脑的起源 7

2.2 城市大脑的定义 7

2.3 城市大脑中的“大脑”含义分析9

2.4 城市大脑发展中遇到的问题9

2.5 城市大脑的关键特征11

第3 章 城市大脑全球标准研究 14

3.1 城市大脑顶层标准15

3.2 城市神经元分类标准18

3.2.1 城市神经元按功能进行划分的标准19

3.2.2 城市神经元按映射对象进行划分的标准20

3.3 城市神经元功能标准22

3.4 城市神经元权限关系标准23

3.4.1 城市神经元之间的等级关系24

3.4.2 4 种城市神经元之间产生的关系数量24

3.4.3 城市神经元的权限关系分配24

3.5 城市大脑技术框架标准25

3.5.1 中心化架构的优缺点26

3.5.2 去中心化架构的种类及优缺点28

3.5.3 中心化+ 分布式混合架构的探讨29

3.6 城市神经元空间位置标准31

3.6.1 空间定位技术和系统发展概述31

3.6.2 空间位置编码简述32

3.6.3 北斗网格码简介33

3.7 城市神经元编码标准35

3.7.1 IPv4 地址编码35

3.7.2 IPv6 地址编码36

3.7.3 MAC 地址编码36

3.7.4 城市大脑神经元编码37

3.8 城市云反射弧建设标准41

3.8.1 脑科学神经反射弧简介41

3.8.2 城市云反射弧构成42

3.8.3 城市云反射弧的应用案例43

3.8.4 城市云反射弧的规划和实现44

3.8.5 城市云反射弧的种类45

3.9 城市大脑运行安全标准49

第4 章 城市智商：城市大脑智能发展水平的评估 53

4.1 城市智商的定义54

4.2 城市智商测试量表54

4.3 范例: 上海城市智商56

第5 章 城市大脑发展的7 个阶段分析58

5.1 城市大脑的史前阶段（距今6 000 多年以前—2008 年）59

5.2 城市大脑的混沌阶段（2009—2014 年）59

5.3 城市大脑的萌芽阶段（2015—2021 年）60

5.4 城市大脑的连接阶段（2022—2045 年）61

5.5 城市大脑的分权阶段（2023—2045 年）62

5.6 城市大脑的反射弧阶段（2025—2045 年）63

5.7 城市大脑的世界神经系统阶段（2046 年以后）64

第6 章 城市大脑与前沿科技的关系 66

6.1 21 世纪前沿科技关系图67

6.2 大社交网络：类脑神经元网络69

6.3 云计算：中枢神经系统71

6.4 光纤与移动通信：神经纤维72

6.5 物联网：感觉神经系统74

6.6 工业互联网与云机器人：运动神经系统75

6.7 大数据：互联网与城市大脑形成智能的基础76

6.8 人工智能：激活互联网和城市大脑的自动运转77

6.9 边缘计算：互联网大脑神经末梢的发育78

6.10 数字孪生与虚拟现实：思维空间的构造79

6.11 智慧社会、混合智能和云反射弧的形成80

6.12 区块链：弥散性分布式神经系统81

第7 章 世界科技公司的大脑系统84

7.1 谷歌大脑85

7.2 讯飞超脑86

7.3 百度大脑87

7.4 阿里ET 大脑88

7.5 360 安全大脑89

7.6 腾讯超级大脑90

7.7 华为云EI 智能体91

7.8 腾讯WeCity 未来城市92

7.9 中科大脑93

7.10 达闼科技机器人云端大脑95

7.11 明略明智系统96

第8 章 世界城市的城市大脑案例 98

8.1 杭州城市大脑99

8.2 上海城市大脑100

8.3 北京海淀区城市大脑101

8.4 多伦多谷歌超级智慧城市103

8.5 铜陵城市超脑103

8.6 福州城市大脑105

 

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第9 章 城市大脑相关产业划分107

9.1 类脑神经元网络范例109

9.2 视觉神经系统范例110

9.3 听觉神经系统范例112

9.4 感觉神经系统范例113

9.5 运动神经系统范例114

9.6 神经纤维系统范例116

9.7 中枢神经系统范例117

9.8 神经反射弧范例119

9.9 思维空间构建范例120

9.10 人工智能算法范例122

9.11 群体智能范例123

9.12 人机交互界面（互联网入口）范例125

9.13 安全防护范例126

9.14 芯片范例127

9.15 操作系统范例129

9.16 记忆系统（大数据存储与处理）范例. 131

9.17 超算与大规模计算范例132

9.18 定位与空间位置范例134

9.19 神经系统综合应用（系统集成）范例136

参考文献138

城市大脑是当前智慧城市与智能产业发展的新热点，2015年刘锋团队基于互联网大脑模型的基础理论研究提出城市大脑的定义与概念，本书由此对城市大脑的理论基础、提出背景和概念定义进行了详细介绍，基于互联网大脑模型的三个特征，重点对建设城市大脑全球标准的九个研究方向进行深入阐述，同时将城市大脑从起源到最终状态划分为7个阶段，提出当世界范围的城市都建立城市大脑后，一个支撑人类协同发展的世界神经系统将会形成。在产业应用方面，本书对城市智商的评测方法、著名企业的科技大脑系统、世界典型城市推出的城市大脑计划以及支撑城市大脑建设的典型技术和典型企业进行了详细介绍。本书将将城市管理者，企业领导者和科研人员了解、掌握城市大脑的起源、建设规则和未来发展趋势起到有益的帮助。

刘锋，计算机博士，南京财经大学教授（客座），2008年受聘中国科学院虚拟经济与数据科学研究中心特聘研究员，沃民高科超级智能研究院院长，主要研究方向为互联网、人工智能和脑科学交叉领域，发表相关学术论文30余篇，出版专著两部（《互联网进化论》《崛起的超级智能》），其中互联网进化论获评中国互联网20年最重要的100本书之一，崛起的超级智能获评2019年7月中国好书，2020年社长总编推荐书籍。