“城市大腦”：構(gòu)建智慧未來

文｜劉鋒

城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加速，城市產(chǎn)生了交通擁堵、環(huán)境污染、資源短缺等一系列“城市病”，這對(duì)城市公共資源的運(yùn)營(yíng)和城市治理提出了巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在此背景下，城市大腦應(yīng)運(yùn)而生。

到2021年3月，已經(jīng)有數(shù)百個(gè)城市宣布建設(shè)“城市大腦”，阿里、華為、百度、騰訊、科大訊飛、360、滴滴、京東等數(shù)百家科技企業(yè)宣布進(jìn)入城市大腦領(lǐng)域，提出自己的泛城市大腦建設(shè)計(jì)劃。

城市大腦如何建設(shè)才能符合科學(xué)發(fā)展規(guī)律，應(yīng)該說城市大腦的產(chǎn)生和建設(shè)不僅僅是工程問題，它首先也是一個(gè)基礎(chǔ)科學(xué)問題。需要探尋新世紀(jì)前言科技生態(tài)的發(fā)展規(guī)律，并以此作為研究基礎(chǔ)構(gòu)建新一代城市大腦的建設(shè)方案與步驟。

城市大腦建設(shè)規(guī)律和特點(diǎn)

從21世紀(jì)科技發(fā)展趨勢(shì)看，種種跡象表明，經(jīng)過50年的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)正在從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向類腦模型演化。譬如騰迅、Facebook 等社交網(wǎng)絡(luò)具備的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征、谷歌街景系統(tǒng)具備的視覺神經(jīng)特征、云計(jì)算具備的中樞神經(jīng)特征，在這些現(xiàn)象的啟發(fā)下，2008年，科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)將這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)新結(jié)構(gòu)稱為互聯(lián)網(wǎng)大腦模型，如圖1所示。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)大腦模型圖

21世紀(jì)涌現(xiàn)的諸多新技術(shù)無一不是與互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的發(fā)育有關(guān)。在前沿科技方向：云計(jì)算對(duì)應(yīng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)對(duì)應(yīng)感覺神經(jīng)系統(tǒng)；工業(yè)4.0，云機(jī)器人、智能駕駛、3D 打印對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)；邊緣計(jì)算對(duì)應(yīng)神經(jīng)末梢；大社交網(wǎng)絡(luò)，混合智能、云群體智能和云機(jī)器智能對(duì)應(yīng)類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)通訊和光纖技術(shù)對(duì)應(yīng)神經(jīng)纖維。

在行業(yè)產(chǎn)業(yè)方向，互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)與工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空、交通、建筑、冶金、電力、城市建設(shè)等等行業(yè)結(jié)合，就形成了諸如工業(yè)大腦，農(nóng)業(yè)大腦，航空大腦、冶金大腦、建筑大腦、電力大腦、城市大腦、城市云腦等等。

互聯(lián)網(wǎng)大腦的形成不但是城市大腦產(chǎn)生的技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)它對(duì)21世紀(jì)人類的社會(huì)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)形態(tài)、科技創(chuàng)新、哲學(xué)思考也都將產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

2015年1 月，科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧城市建設(shè)探討》一文首次提出城市大腦的概念和定義。

城市大腦是互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)與智慧城市建設(shè)結(jié)合的產(chǎn)物，是城市級(jí)的類腦復(fù)雜智能巨系統(tǒng)，在人類智慧和機(jī)器智能的共同參與下，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計(jì)算、5G、云機(jī)器人和數(shù)字孿生等前沿技術(shù)的支撐下，城市神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和城市云反射弧將是城市大腦建設(shè)的重點(diǎn)。城市大腦的作用是提高城市的運(yùn)行效率，解決城市運(yùn)行中面臨的復(fù)雜問題，更好的滿足市民的不同需求。城市大腦的發(fā)展目標(biāo)不僅僅局限在一個(gè)城市或一個(gè)地區(qū)，當(dāng)世界范圍的城市大腦連接在一起，城市大腦最終將形成世界神經(jīng)系統(tǒng)（WWNS），為人類協(xié)同發(fā)展提供一個(gè)類腦的智能支撐平臺(tái)。

從上述城市大腦的定義可以看出，城市大腦不僅僅是一個(gè)城市內(nèi)部的系統(tǒng)、更是國(guó)家范圍、世界范圍內(nèi)不同城市之間相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜智能巨系統(tǒng)。因此構(gòu)建城市大腦的標(biāo)準(zhǔn)不是某一個(gè)城市或一個(gè)國(guó)家的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)該是適用于全球各個(gè)城市的城市大腦建設(shè)，從互聯(lián)網(wǎng)大腦的定義和互聯(lián)網(wǎng)大腦模型中，可以看到存在三個(gè)最重要的特點(diǎn)，如圖2所示，它們分別是：1.類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與萬物互聯(lián)；2.云群體智能與云機(jī)器智能的雙智能中心控制；3.云反射弧的形成與信息的跨節(jié)點(diǎn)傳遞。通過這三個(gè)特點(diǎn)的分析可以為建設(shè)城市大腦的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)提供理論支撐。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)大腦的三個(gè)基礎(chǔ)特征

城市大腦建設(shè)方向和特征

2020年12 月，科學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)發(fā)布了《城市大腦全球標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告》，提出城市大腦全球標(biāo)準(zhǔn)的9 個(gè)方向，它們分別是城市大腦的頂層建設(shè)規(guī)范、整體技術(shù)架構(gòu)、云反射弧機(jī)制、運(yùn)行安全、城市神經(jīng)元的種類劃分、識(shí)別編碼、空間位置編碼、功能結(jié)構(gòu)和關(guān)系確定等，它們的關(guān)系如圖3所示。

圖3 城市大腦建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)研究示意圖

城市大腦涉及到龐大數(shù)量的因素和技術(shù)，如何建設(shè)城市大腦，不同企業(yè)和城市提出了不同的建設(shè)重點(diǎn)，譬如以大數(shù)據(jù)為核心、以5G 為核心、以超級(jí)計(jì)算為核心、以人工智能技術(shù)為核心等。綜上所述，一個(gè)科學(xué)的城市大腦建設(shè)方案應(yīng)該具備以下10 個(gè)特征：1.構(gòu)建基礎(chǔ)理論；2.適應(yīng)復(fù)雜場(chǎng)景；3.突破地域限制；4.消除信息孤島；5.滿足民眾需求；6.降低建設(shè)成本；7.實(shí)現(xiàn)協(xié)同建設(shè)；8.體現(xiàn)人機(jī)融合；9.保持持續(xù)進(jìn)化；10.對(duì)人類協(xié)同發(fā)展形成支撐。

回到城市大腦建設(shè)的初衷，它的建設(shè)必然首先要解決城市的重要問題或滿足民眾的緊迫需求，各種技術(shù)必須作為整體形成技術(shù)鏈條一一對(duì)應(yīng)解決城市的每一個(gè)問題和每一個(gè)需求。這個(gè)技術(shù)鏈條就是城市云反射弧機(jī)制。

由此可以得出推論，在城市大腦的建設(shè)中城市云反射弧應(yīng)該處于第一核心位置，而世界統(tǒng)一的城市神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)處于第二核心位置，在此基礎(chǔ)上，可以形成1+N 模式新一代城市大腦建設(shè)方案：1 是世界統(tǒng)一的城市神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)連通人、物和程序，為城市云反射弧提供統(tǒng)一的運(yùn)轉(zhuǎn)基礎(chǔ)；N 是N 條城市云反射弧，對(duì)應(yīng)解決城市的問題，滿足城市各成員的需求。如圖4所示。

圖4 城市大腦建設(shè)結(jié)構(gòu)圖

城市云反射弧的機(jī)制形成是拉動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生等技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵動(dòng)力。為了避免應(yīng)用孤島，使得城市、國(guó)家乃至世界作為一個(gè)整體進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，這就需要建設(shè)世界統(tǒng)一的城市神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)將每一條城市云反射弧關(guān)聯(lián)起來。新一代城市大腦建設(shè)方案的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)能夠?yàn)槿祟惿鐣?huì)協(xié)同發(fā)展提供支撐的世界神經(jīng)系統(tǒng)。

城市大腦建設(shè)步驟

基于上述城市大腦建設(shè)方案的新框架和新特征，可以進(jìn)一步形成新一代城市大腦建設(shè)方案的九個(gè)關(guān)鍵步驟：1.確定誰(shuí)要建設(shè)城市大腦的問題；2.確定要解決城市的什么問題和需求是什么；3.確定每個(gè)問題和需求對(duì)應(yīng)的城市云神經(jīng)反射弧是什么；4.對(duì)不同方面對(duì)每條城市云神經(jīng)反射弧進(jìn)行評(píng)估；5.對(duì)城市云反射弧涉及到的重要城市神經(jīng)元進(jìn)行規(guī)劃；6.設(shè)計(jì)可實(shí)施的城市云反射弧方案并開始建設(shè)；7.對(duì)已建立的城市云反射弧進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估和持續(xù)監(jiān)控；8.通過云反射弧的共性發(fā)現(xiàn)該每個(gè)城市的建設(shè)重點(diǎn)；9.公開共享城市大腦建設(shè)信息，持續(xù)進(jìn)化城市大腦涉及的管理和技術(shù)。

通過新一代城市大腦建設(shè)方案的研究，希望能夠解決目前智慧城市或城市大腦存在的若干問題：

第一是城市各領(lǐng)域的人、機(jī)器、AI 系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的規(guī)范可以無障礙地進(jìn)入到城市大腦的系統(tǒng)中，還存在部門分割、區(qū)縣分割的問題；第二是城市各種需求不能在一個(gè)平臺(tái)上統(tǒng)一解決，不同城市之間的城市大腦互不連通；第三是建設(shè)城市大腦的科技企業(yè)之間無法形成協(xié)同效應(yīng)，一個(gè)城市的城市大腦建設(shè)往往被巨頭型企業(yè)壟斷，中小科技企業(yè)無法按照模塊化方式有效參與。

總體，城市大腦的未來發(fā)展還有很多工作需要完成，譬如世界范圍統(tǒng)一的城市神經(jīng)元標(biāo)準(zhǔn)還未真正建立；人、設(shè)備和系統(tǒng)在城市大腦和世界神經(jīng)系統(tǒng)中的角色和權(quán)限如何分配還沒有解決；一個(gè)既能在一棟大樓也能在世界范圍內(nèi)自由實(shí)現(xiàn)的云反射弧機(jī)制還未形成。應(yīng)該說到2021年，城市大腦依然還處于萌芽階段，需要不同領(lǐng)域的專家、企業(yè)家、政府決策者不斷實(shí)踐和創(chuàng)新，共同推動(dòng)城市大腦的發(fā)展。

作為城市大腦發(fā)展的最終形態(tài)，世界神經(jīng)系統(tǒng)將為人類社會(huì)的協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建起全球統(tǒng)一的類腦智能支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)世界的認(rèn)知、判斷、決策、反饋和改造，共同應(yīng)對(duì)來自大自然的各種挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，滿足人類社會(huì)的各種需求。應(yīng)該說新一代城市大腦建設(shè)方案的提出、為城市大腦最終演化為世界神經(jīng)系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)人類命運(yùn)共同體構(gòu)筑重要的全球性技術(shù)基礎(chǔ)。