城市大腦的七階進(jìn)化

劉鋒　劉朝暉

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，前沿科技領(lǐng)域出現(xiàn)諸多“大腦”概念，如谷歌大腦，阿里大腦，城市大腦，工業(yè)大腦，航空大腦，互聯(lián)網(wǎng)大腦等。其中城市大腦的出現(xiàn)引起了政府、學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。

到2020年，在中國(guó)已經(jīng)有近500個(gè)城市啟動(dòng)“城市大腦”建設(shè)計(jì)劃，成為當(dāng)前新型智慧城市建設(shè)的熱點(diǎn)。其中包括杭州、上海、北京、福州、鄭州、銅陵、廣州等城市，建設(shè)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)數(shù)百億資金[1]。

在產(chǎn)業(yè)界，騰訊的“WeCity未來(lái)城市”和“城市超級(jí)大腦”，阿里的”阿里ET城市大腦“，華為的“城市神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，科大訊飛的“城市超腦”，360的“城市安全大腦”[2]，通過(guò)企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)與智慧城市建設(shè)的結(jié)合，形成不同風(fēng)格和特點(diǎn)的城市大腦建設(shè)方案。在產(chǎn)業(yè)界，主要認(rèn)為城市大腦是“基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，支撐城市運(yùn)行生命體征感知、公共資源配置優(yōu)化、重大事件預(yù)測(cè)預(yù)警、宏觀決策指揮的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施和開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)。[3]”

在研究領(lǐng)域，論文《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧城市建設(shè)探討》于2015年提出城市大腦的學(xué)術(shù)定義[4]，認(rèn)為在過(guò)去50年，互聯(lián)網(wǎng)從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)化成為大腦結(jié)構(gòu)[5]并與智慧城市建設(shè)結(jié)合，是城市大腦產(chǎn)生的根源，如圖1所示。

由此本文認(rèn)為，城市大腦是伴隨互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)腦化和城市智能化的深度發(fā)展，智能單元的廣泛應(yīng)用與全面連接，并在與人類(lèi)社會(huì)的持續(xù)互動(dòng)中自組織形成的類(lèi)腦系統(tǒng)。城市大腦系統(tǒng)最終將具備城市中樞神經(jīng)（云計(jì)算），城市感覺(jué)神經(jīng)（物聯(lián)網(wǎng)），城市運(yùn)動(dòng)神經(jīng)（云機(jī)器人，無(wú)人駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)），城市神經(jīng)末梢發(fā)育（邊緣計(jì)算），城市智慧的產(chǎn)生與應(yīng)用（大數(shù)據(jù)與人工智能）以及城市神經(jīng)纖維（5G、光纖、衛(wèi)星等通訊技術(shù)）。在這些城市類(lèi)腦神經(jīng)的支撐下，形成城市建設(shè)的兩大核心：第一是城市神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)城市中人與人、人與物、物與物的信息交互。第二是城市大腦的云反射弧，實(shí)現(xiàn)城市服務(wù)的快速智能反應(yīng)。云機(jī)器智能和云群體智慧是城市智慧涌現(xiàn)的核心動(dòng)力。這樣基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的城市類(lèi)腦架構(gòu)稱(chēng)之為“城市大腦”。

與產(chǎn)業(yè)界通常所理解的城市大腦相比，基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的城市大腦架構(gòu)明顯不同。首先，產(chǎn)業(yè)界所提出的城市大腦在一定程度上模擬了生物腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，但是這種經(jīng)由設(shè)計(jì)產(chǎn)生的大腦仍屬于復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，只有設(shè)計(jì)的迭代而沒(méi)有自發(fā)的演化，也不會(huì)存在超出設(shè)計(jì)的功能。而本文認(rèn)為城市大腦首先并不是一個(gè)人為設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，而是一個(gè)由進(jìn)化和涌現(xiàn)主導(dǎo)的復(fù)雜系統(tǒng)。其次，目前產(chǎn)業(yè)界認(rèn)知的城市大腦與人類(lèi)社會(huì)之間的關(guān)系比較靜態(tài)和僵化，而事實(shí)上城市大腦應(yīng)該將智能系統(tǒng)與人類(lèi)社會(huì)的互動(dòng)做為進(jìn)化的核心動(dòng)力。我們所有的實(shí)踐和探索終將成為城市大腦進(jìn)化過(guò)程的一部分。當(dāng)我們洞察這種規(guī)律，就能夠以更簡(jiǎn)單和更有效的方式來(lái)誘導(dǎo)和激發(fā)進(jìn)化的過(guò)程。

2020年的《城市大腦與超級(jí)智能城市建設(shè)規(guī)范研究》進(jìn)一步提出了城市大腦發(fā)展的三個(gè)頂層規(guī)范分別是：首先，連接人，物，設(shè)備和系統(tǒng)的統(tǒng)一的城市類(lèi)腦神經(jīng)元技術(shù)框架;其次，每一個(gè)城市類(lèi)腦神經(jīng)元要實(shí)現(xiàn)人機(jī)雙智能控制，但保持人類(lèi)控制權(quán)最高 ;再次，通過(guò)信息路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市云反射弧，滿足城市各種需求[6]。

通過(guò)預(yù)判城市大腦三個(gè)頂層規(guī)范實(shí)施難度和成熟條件，結(jié)合城市發(fā)展歷史和現(xiàn)代化進(jìn)程，我們對(duì)城市大腦從產(chǎn)生、成熟到最終形態(tài)，劃分了七個(gè)階段，如圖表所示。

世界范圍的城市大腦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)腦架構(gòu)最終聯(lián)合形成世界腦（world wide Brain），高效的解決人類(lèi)社會(huì)面臨的各領(lǐng)域問(wèn)題。

第一階段??城市大腦的史前階段（6000年前--2009年）

城市的起源可以上溯到6000年前以前，考古學(xué)證明最早的城市起源于美索布達(dá)米亞平原，城市產(chǎn)生的多元學(xué)說(shuō)認(rèn)為，城市產(chǎn)生于不同地域并各自進(jìn)行傳播。同時(shí)，城市是人類(lèi)走向成熟和文明的標(biāo)志，也是人類(lèi)群居生活的高級(jí)形式。

城市的智慧程度是伴隨人類(lèi)科技和文明的進(jìn)步發(fā)展起來(lái)的。18世紀(jì)中葉開(kāi)始的工業(yè)革命帶來(lái)城市嶄新的發(fā)展時(shí)期。作為工業(yè)化原動(dòng)力的各種原料產(chǎn)地，特別是煤炭豐盛及沿海地區(qū)，資本、工廠、人口的迅速集中形成了人口集中、密度高、工業(yè)發(fā)達(dá)的城市[7]。

世界城市化水平在1980年為39.6%， 2000年達(dá)到46.6%，這個(gè)時(shí)期城市現(xiàn)代化的標(biāo)志是城市內(nèi)部與城市之間的分工與協(xié)作，包括基礎(chǔ)設(shè)施高能化，道路交通（國(guó)內(nèi)與國(guó)際）、通訊、供排水、供電、供氣等現(xiàn)代設(shè)施的靈敏化，城市管理工作的信息化等。正如同最早的單細(xì)胞生物體開(kāi)始感知和反饋世界一般，城市也開(kāi)始形成一些簡(jiǎn)單的感知和反饋機(jī)制。

第二階段??城市大腦的混沌階段（2009年-2015年）

2009年1月，IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”，其主張IT產(chǎn)業(yè)下一階段任務(wù)是將新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用到各行業(yè)中。由此延伸的智慧城市概念極大推動(dòng)了世界各個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化城市進(jìn)程。智慧城市就是基于智慧地球建設(shè)的大框架下，城市的智慧化建設(shè)方案。將新一代IT技術(shù)充分運(yùn)用到城市建設(shè)之中[8]。

為了緊貼城市建設(shè)的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)有近千個(gè)城市宣布了各自的智慧城市建設(shè)計(jì)劃。住建部原副部長(zhǎng)仇保興指出：一些“智慧城市”方案無(wú)法解決任何一種城市病，有的被IT企業(yè)“綁架”，成為企業(yè)推銷(xiāo)產(chǎn)品的渠道;有的被政府部門(mén)“綁架”，部門(mén)間形成信息孤島互不往來(lái);有些地方的“智能城市”規(guī)劃方向本身就是錯(cuò)的，帶來(lái)一系列盲目炒作、缺乏頂層設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)不扎實(shí)等弊端。總之在這個(gè)階段，城市大腦概念還沒(méi)有浮現(xiàn)出來(lái)，缺乏統(tǒng)一的建設(shè)規(guī)劃指導(dǎo)，導(dǎo)致智慧城市還存在很多概念和實(shí)施上的問(wèn)題[9]。

第三個(gè)階段??城市大腦的萌芽階段（2015年-2021年）

2015年的《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的智慧城市建設(shè)》提出了城市大腦的類(lèi)腦智能巨系統(tǒng)特征的定義，認(rèn)為在過(guò)去的近50年時(shí)間里，互聯(lián)網(wǎng)逐步從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展成為大腦模型。互聯(lián)網(wǎng)類(lèi)腦架構(gòu)與智慧城市建設(shè)結(jié)合是城市大腦產(chǎn)生的根源，城市大腦除了具備中樞神經(jīng)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)和記憶神經(jīng)之外，最重要的是城市類(lèi)腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和城市云反射弧建設(shè)。

2016年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)科技公司相繼提出了各自的泛城市大腦計(jì)劃，如阿里ET城市大腦，百度城市大腦，騰訊未來(lái)城市（Wecity），華為城市神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訊飛超腦等。到2020年，在這些科技企業(yè)的支撐下，中國(guó)數(shù)百家城市啟動(dòng)了城市大腦工程，包括杭州、上海、北京、福州、銅陵、重慶、貴州、深圳等。

在產(chǎn)業(yè)界，認(rèn)為城市大腦是“基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，支撐城市運(yùn)行生命體征感知、公共資源配置優(yōu)化、重大事件預(yù)測(cè)預(yù)警、宏觀決策指揮的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施和開(kāi)放創(chuàng)新平臺(tái)?！?/p>

這個(gè)時(shí)期產(chǎn)業(yè)實(shí)施的城市大腦，主要是依托人工智能技術(shù)對(duì)城市的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行管理的城市級(jí)人工智能系統(tǒng)。為了方便城市領(lǐng)導(dǎo)者掌握和管理城市信息，還建立了城市管理者“駕駛艙“[10]，這時(shí)建設(shè)中的城市大腦方案與互聯(lián)網(wǎng)大腦的關(guān)系見(jiàn)圖2。

從互聯(lián)網(wǎng)大腦的架構(gòu)圖中可以看出，這個(gè)時(shí)期推進(jìn)的城市大腦項(xiàng)目主要建設(shè)了巨型神經(jīng)元控制下的城市人工智能中樞系統(tǒng)，因此這個(gè)階段也可稱(chēng)為城市大腦的AI巨型神經(jīng)元建設(shè)階段。由于沒(méi)有統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，不同企業(yè)和不同城市建設(shè)的城市大腦依然存在信息孤島或智能孤島的問(wèn)題。不但城市內(nèi)的人，物，系統(tǒng)不能完全打通，不同城市之間的城市大腦也無(wú)法連接。這種隱憂可能為未來(lái)的城市大腦發(fā)展帶來(lái)額外成本。

第四個(gè)階段??城市大腦的連接階段（2021-2045）

神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是生物大腦最重要的結(jié)構(gòu)，因此建設(shè)城市大腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)也是最重要和最基礎(chǔ)的工作。這也是城市大腦第三階段缺失的地方。因?yàn)闆](méi)有統(tǒng)一的神經(jīng)元技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。城市內(nèi)部的居民、設(shè)備、系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，更為重要的是城市間的城市大腦也無(wú)法有效連接。

因此如何建立統(tǒng)一的城市神經(jīng)元框架標(biāo)準(zhǔn)并展開(kāi)實(shí)施就成為城市大腦第四階段最重要的任務(wù)，城市類(lèi)腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)能為城市中的每一個(gè)元素提供統(tǒng)一的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)空間。在這個(gè)節(jié)點(diǎn)空間里，人、物、系統(tǒng)將自己的信息同步映射，可以運(yùn)行相應(yīng)的管理控制程序，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物、人與系統(tǒng)、物與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)的相互關(guān)注與信息交流。如圖3所示。

2020年《城市大腦與超級(jí)智能城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)研究》的研究報(bào)告中提出，在城市神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)中應(yīng)該有5個(gè)重要的組成部分，分別是;

1.信息展示區(qū)，對(duì)映射對(duì)象發(fā)布的信息進(jìn)行顯示的權(quán)限控制

2.功能模塊區(qū)，根據(jù)不同的映射對(duì)象需求提供不同的功能模塊

3.智能控制區(qū)，對(duì)信息展示和功能模塊進(jìn)行管理的區(qū)域，人類(lèi)和AI可同時(shí)控制

4.神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)編碼，對(duì)所有的城市大腦神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一編碼

5.空間位置編碼，對(duì)所有城市大腦神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)所處的地理位置和海拔高度進(jìn)行統(tǒng)一編碼，標(biāo)注其位置（如果是網(wǎng)絡(luò)智能系統(tǒng)，空間位置將為0）

當(dāng)每個(gè)城市神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)具有統(tǒng)一的技術(shù)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)和地址編碼，這樣才能保證符合城市大腦作為互聯(lián)網(wǎng)大腦的子集，各城市大腦可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)實(shí)現(xiàn)相互協(xié)同合作的發(fā)展規(guī)律與目標(biāo)。

如何構(gòu)建城市神經(jīng)元的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如何在不同城市和不同國(guó)家之間形成共識(shí)并推進(jìn)是一個(gè)漫長(zhǎng)和困難的過(guò)程。因此城市大腦第四階段預(yù)計(jì)會(huì)持續(xù)10年或數(shù)十年的時(shí)間。一部分有前瞻性的城市如上海已經(jīng)重視城市神經(jīng)元的建設(shè)，提出將布控百億傳感器的城市神經(jīng)元[11]。

第五階段??城市大腦的分權(quán)階段（2023年-2045年）

構(gòu)建世界統(tǒng)一的城市神經(jīng)元技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是把城市、國(guó)家乃至世界范圍的人、智能設(shè)備與系統(tǒng)連接起來(lái)，數(shù)十億人類(lèi)和數(shù)百億智能設(shè)備及系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)形成自然界前所未有的超級(jí)智能形式。

作為子集，城市大腦也將連接百萬(wàn)級(jí)人口和上億級(jí)的智能系統(tǒng)，這其中包含人與機(jī)器（系統(tǒng)）的各種組合關(guān)系，城市大腦需要重點(diǎn)解決這各種組合關(guān)系的權(quán)限分配問(wèn)題：也就是機(jī)器（系統(tǒng)）與機(jī)器（系統(tǒng)）的權(quán)限分配問(wèn)題，人與人之間的權(quán)限分配問(wèn)題，人與機(jī)器（系統(tǒng)）權(quán)限分配的問(wèn)題。

第一是機(jī)器（系統(tǒng)）與機(jī)器（系統(tǒng)）的權(quán)限分配問(wèn)題，可以按照具體場(chǎng)景對(duì)涉及的機(jī)器權(quán)限進(jìn)行分配，在城市大腦第三階段中，一些城市建設(shè)的城市大腦重點(diǎn)發(fā)展了較高級(jí)別的城市級(jí)AI巨型神經(jīng)元。

第二是人與人之間的權(quán)限分配問(wèn)題，一種最簡(jiǎn)單的方法是將人類(lèi)的社會(huì)關(guān)系映射進(jìn)來(lái)，包括領(lǐng)導(dǎo)與下屬關(guān)系，城市管理者與居民之間的服務(wù)被服務(wù)關(guān)系，國(guó)家與地區(qū)領(lǐng)導(dǎo)者之間的管理和被管理關(guān)系等。

第三是人與機(jī)器（系統(tǒng)）權(quán)限分配的問(wèn)題。2020年研究報(bào)告《城市大腦的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)研究》提出任何一個(gè)城市神經(jīng)元，可以實(shí)現(xiàn)人類(lèi)和機(jī)器雙智能控制，但要求必須有一個(gè)權(quán)限最大的人類(lèi)用戶，這個(gè)規(guī)則的設(shè)定也符合錢(qián)學(xué)森在“開(kāi)放復(fù)雜巨系統(tǒng)”理論中提到的“人機(jī)結(jié)合，以人為主”的原則。這項(xiàng)規(guī)則的提出也是為了避免全部交給機(jī)器和AI系統(tǒng)進(jìn)行決策導(dǎo)致的失控現(xiàn)象。

6.?第六階段??城市大腦的反射弧階段（2025-2045）

我們知道反射弧是生命智能體展現(xiàn)智能的重要功能[12]，同樣當(dāng)城市所有系統(tǒng)都被鏈接到類(lèi)腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，完成人人，人機(jī)，機(jī)機(jī)的權(quán)限分配后，城市的大量的需求就可以基于城市云反射弧實(shí)現(xiàn)，從感知城市的需求到中樞神經(jīng)處理，最后反饋到現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行，形成一條條城市大腦的云反射弧，它是城市大腦最終可以對(duì)城市的各種問(wèn)題、需求、任務(wù)產(chǎn)生反應(yīng)、做出決策、開(kāi)展行動(dòng)進(jìn)而解決問(wèn)題的關(guān)鍵，如圖5所示。

應(yīng)該說(shuō)一個(gè)城市將有大量需求可以通過(guò)云反射弧機(jī)制實(shí)現(xiàn)。如通過(guò)智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)的出行打車(chē)（交通云反射?。?，通過(guò)云端實(shí)現(xiàn)的購(gòu)物活動(dòng)（購(gòu)物云反射），通過(guò)煙霧傳感器引發(fā)的滅火行動(dòng)（防火云反射?。┑取?/p>

由此產(chǎn)生的城市居民、企業(yè)和政府機(jī)構(gòu)在這個(gè)機(jī)制下承擔(dān)怎樣的角色？跨越城市之間的地區(qū)級(jí)云反射弧如何協(xié)調(diào)？不同的技術(shù)和科技企業(yè)在這個(gè)過(guò)程中如何支撐？這些問(wèn)題也需要在發(fā)展中不斷解決。