城市大腦的新探索

劉鋒

（1.中國科學(xué)院虛擬經(jīng)濟與數(shù)據(jù)科學(xué)研究中心；2.天府大數(shù)據(jù)研究院）

1 城市大腦產(chǎn)生的背景

21世紀(jì)的科技領(lǐng)域出現(xiàn)了很多新的概念和技術(shù)，除了物聯(lián)網(wǎng)，云計算，大數(shù)據(jù)、云機器人、區(qū)塊鏈，數(shù)字孿生、元宇宙，也出現(xiàn)了大量與腦相關(guān)的科技名詞，例如谷歌大腦、百度大腦、阿里ET大腦、城市大腦、世界數(shù)字大腦等[1]，這些新的概念和技術(shù)引起產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的思考，如各種前沿科技之間有什么關(guān)系，為什么在IT和智能產(chǎn)業(yè)中出現(xiàn)許多類腦概念？

研究表明，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的技術(shù)正在從網(wǎng)狀向類腦結(jié)構(gòu)演化，從而形成互聯(lián)網(wǎng)大腦模型（見圖1），這是導(dǎo)致世界科技生態(tài)發(fā)生如此變化的根源，各種前沿科技可視為互聯(lián)網(wǎng)大腦中各神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的產(chǎn)物，例如云計算對應(yīng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)對應(yīng)感覺神經(jīng)系統(tǒng)；云機器人對應(yīng)運動神經(jīng)系統(tǒng)；邊緣計算對應(yīng)神經(jīng)末梢；大社交網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)；移動通信和光纖技術(shù)對應(yīng)神經(jīng)纖維等[2-4]?；ヂ?lián)網(wǎng)大腦模型與科技企業(yè)結(jié)合產(chǎn)生了谷歌大腦、阿里ET大腦等；與產(chǎn)業(yè)結(jié)合形成了工業(yè)大腦、農(nóng)業(yè)大腦等；與智慧城市建設(shè)結(jié)合形成了城市大腦、世界數(shù)字大腦[5-6]。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)大腦模型發(fā)育圖

2 基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的城市大腦定義

城市大腦正在成為我國智能產(chǎn)業(yè)和智慧城市的新熱點，近500個城市宣布建設(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)宣布進入城市大腦領(lǐng)域，提出自己的泛城市大腦建設(shè)計劃[7]。

然而作為一個新興的前沿科技領(lǐng)域，不同企業(yè)、不同城市對城市大腦的理解并不相同，目前尚無統(tǒng)一的建設(shè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致不同城市的大腦千差萬別，互不連通[8]。城市大腦不僅僅是工程問題，更是一個基礎(chǔ)科學(xué)問題，要開展城市大腦建設(shè)和制定城市大腦的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，就需要找到其背后的科學(xué)規(guī)律，明晰城市大腦的定義，形成堅實的理論和概念基礎(chǔ)，避免產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)方向性錯誤和由此導(dǎo)致的探索性成本過大，建設(shè)的系統(tǒng)隱憂過多等問題[9]。

2015年以來基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型，形成了城市大腦的定義如下：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，是城市級的類腦復(fù)雜智能巨系統(tǒng)。在人類智慧和機器智能的共同參與下，由物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算、5G、云機器人和數(shù)字孿生等前沿技術(shù)的支撐，數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和云反射弧將是城市大腦建設(shè)的重點，促進了城市各神經(jīng)系統(tǒng)包括城市智能管理中樞、城市視覺神經(jīng)、城市聽覺神經(jīng)、城市軀體感覺神經(jīng)、城市運動神經(jīng)、城市記憶、城市神經(jīng)纖維等系統(tǒng)的成熟。城市大腦能提高城市的運行效率，解決城市運行中面臨的復(fù)雜問題，更好地滿足所覆蓋人群的不同需求。城市大腦的發(fā)展目標(biāo)不僅僅局限在一個城市或一個地區(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數(shù)字大腦，為人類協(xié)同發(fā)展提供一個類腦的智能支撐平臺[10-11]。

城市大腦定義中的數(shù)字神經(jīng)元是指在應(yīng)用層為城市大腦涉及的每一個人、物、系統(tǒng)、組織建立世界統(tǒng)一的程序單元（見圖2），可根據(jù)需求進行連接、組合、交互，實現(xiàn)跨部門、跨行業(yè)、跨地區(qū)的互聯(lián)互通。按照類腦的城市大腦框架，這些程序單元被稱為城市大腦的數(shù)字神經(jīng)元，眾多數(shù)字神經(jīng)元結(jié)合在一起就形成城市大腦的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)——數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)[11]。

圖2 數(shù)字神經(jīng)元結(jié)構(gòu)圖

城市大腦定義的城市云反射弧是通過多種數(shù)字神經(jīng)元的組合形成的技術(shù)鏈條，對應(yīng)解決城市和人類社會的具體問題和具體需求（見圖3）。與腦科學(xué)的反射弧相同，城市云反射弧包括感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)和效應(yīng)器五個部分[11]。

圖3 云反射弧結(jié)構(gòu)圖

3 基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的城市大腦總體架構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)大腦模型有三個最重要的特點（見圖1紅線所示），它們分別是：①具有世界統(tǒng)一的類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)；②人類群體智能和機器群體智能基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)形成一種新的混合智能形態(tài)；③通過云反射弧機制實現(xiàn)信息的跨節(jié)點傳遞和數(shù)字神經(jīng)元的協(xié)同工作[12]。

根據(jù)這三個重要特征形成了城市大腦的1+2+N的建設(shè)模式，其中1是世界統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)連通人、設(shè)備、程序和組織。為城市云反射弧提供統(tǒng)一的運轉(zhuǎn)基礎(chǔ)；2是人類智能與機器智能共同形成城市大腦的智能驅(qū)動力，同時要求人類智能權(quán)限要總體高于機器智能，N是N條云反射弧，對應(yīng)解決解決城市和人類社會的各種問題，滿足人類社會各成員的需求[13]。在1+2+N的建設(shè)模式的基礎(chǔ)上進一步形成城市大腦的總體建設(shè)架構(gòu)見圖4。它由五個功能層次組成：①問題與需求層；②云反射弧層；③神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層；④管理控制層；⑤技術(shù)支撐層[13]。

其中圖4上部右側(cè)的云反射弧層、數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層是城市大腦的核心；問題與需求層是云反射弧層、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)的對象；管理控制層、技術(shù)支撐層為云反射弧層、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層和管理控制層的正常運轉(zhuǎn)提供基礎(chǔ)支撐。

架構(gòu)的數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧機制具有世界統(tǒng)一的屬性，圖4的上部左側(cè)體現(xiàn)在不同社區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城市、省/地區(qū)和國家之間的互聯(lián)互通，架構(gòu)模型的左側(cè)反映可跨城市、跨地區(qū)應(yīng)用的特征。

圖4的下半部體現(xiàn)了通過城市大腦的運轉(zhuǎn)形成智慧城市建設(shè)中的各神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。如具有映射攝像頭設(shè)備的大量數(shù)字神經(jīng)元將構(gòu)成城市大腦的視覺神經(jīng)系統(tǒng)，映射聲音設(shè)備的大量數(shù)字神經(jīng)元將構(gòu)成城市大腦的聽覺神經(jīng)系統(tǒng)，映射氣敏、溫敏設(shè)備的大量數(shù)字神經(jīng)元將構(gòu)成城市大腦的軀體神經(jīng)系統(tǒng)，映射機器人、智能汽車，無人機、智能設(shè)備的大量數(shù)字神經(jīng)元將構(gòu)成城市大腦的運動神經(jīng)系統(tǒng)，映射不同層級城市管理者和輔助決策AI系統(tǒng)的大量數(shù)字神經(jīng)元將構(gòu)成城市大腦的智能管理中樞。

圖4 城市大腦總體架構(gòu)圖

4 關(guān)于城市大腦的不同定義和理論基礎(chǔ)分析

作為一個新生事物，城市大腦在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界并沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)知。很多城市和科技企業(yè)根據(jù)對城市大腦的不同理解，按照不同的技術(shù)框架開展建設(shè)，產(chǎn)生了各種城市大腦的定義（見表1）[14]。

表1所列的城市大腦定義，可分為三類：第一種是以互聯(lián)網(wǎng)大腦模型作為理論基礎(chǔ)，提出以互聯(lián)網(wǎng)為核心的科技生態(tài)從網(wǎng)狀向類腦演化形成的互聯(lián)網(wǎng)大腦模型是城市大腦產(chǎn)生和建設(shè)的基礎(chǔ)；第二種是以城市生命體作為理論基礎(chǔ)，提出城市是具有新陳代謝、自適應(yīng)、應(yīng)激性、生長發(fā)育和遺傳變異等典型生命特征的復(fù)雜巨系統(tǒng)，城市大腦是城市生命體的一部分；第三種是沒有形成較為完整的理論體系，將城市大腦作為城市級的人工智能系統(tǒng)，或者人工智能中樞系統(tǒng)，但沒有指出各種技術(shù)按什么架構(gòu)實現(xiàn)。

表1 城市大腦的8個定義與來源

互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的城市大腦定義中的“大”與大數(shù)據(jù)的“大”含義相同，是結(jié)構(gòu)和覆蓋范圍龐大的城市級類腦系統(tǒng)，當(dāng)世界范圍的城市大腦通過互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)連接在一起時，城市大腦最終將形成世界數(shù)字大腦。

在城市大腦的兩個基礎(chǔ)理論中，互聯(lián)網(wǎng)大腦模型提出通過物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，云計算、5G、區(qū)塊鏈、云機器人構(gòu)建城市的神經(jīng)系統(tǒng)[15]，而在城市生命體理念中除了肌肉、血液、心臟、細(xì)胞等，也必然包括城市生命體的神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的構(gòu)建，加拿大學(xué)者麥克盧漢提出新的電子媒介構(gòu)建了人類社會的神經(jīng)系統(tǒng)[16]，這說明要實現(xiàn)城市生命體的神經(jīng)系統(tǒng)也必然要使用物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，云計算、5G、區(qū)塊鏈、云機器人等技術(shù)。因此，城市大腦的兩個理論基礎(chǔ)在為城市大腦做理論支撐時，內(nèi)涵是一致的，但也存在區(qū)別。一個區(qū)別是，互聯(lián)網(wǎng)大腦模型理論認(rèn)為，互聯(lián)網(wǎng)大腦是一個世界級的智能系統(tǒng)，城市大腦是互聯(lián)網(wǎng)大腦的子集，在互聯(lián)網(wǎng)大腦的整體框架下，城市大腦可以沿著省級大腦，國家大腦向世界數(shù)字大腦平滑演進。而城市生命體理論因為理論本身的邊界問題，無法將城市大腦放在一個更廣闊的空間內(nèi)進行研究，也無法解決城市大腦向省級，國家和世界范圍擴展的理論構(gòu)建問題。另一區(qū)別是，互聯(lián)網(wǎng)大腦模型提出了城市大腦不僅僅是人工智能系統(tǒng)，而是鏈接了人、機器和智能系統(tǒng)的龐大的類腦復(fù)雜智能巨系統(tǒng)，世界統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元將人、機器和智能系統(tǒng)鏈接在一起，通過云反射弧機制將不同的數(shù)字神經(jīng)元組合起來進行聯(lián)合工作，可以在鄉(xiāng)鎮(zhèn)/社區(qū)、城市/省或國家世界范圍內(nèi)靈活地應(yīng)對人類的需求和問題。目前基于城市生命體理論提出的城市大腦定義，認(rèn)為城市大腦是城市的中樞神經(jīng)或“大腦”，重點體現(xiàn)了城市大腦的管控功能，但沒有提出如何靈活地跨地區(qū)、跨行業(yè)、跨部門解決問題的技術(shù)機制。

綜上，我們認(rèn)為相關(guān)研究者和項目實施者需要進一步解決城市大腦與城市管理神經(jīng)中樞的關(guān)系。

5 城市大腦與智慧城市的關(guān)系

智慧是人類發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，自2009年1月IBM公司首次提出“智慧地球”概念，由此延伸的智慧城市概念極大推動了世界各國城市的現(xiàn)代化進程[17]。世界范圍有千個城市宣布了自己的智慧城市建設(shè)計劃。但是，一直以來智慧城市的發(fā)展方向并不明晰，國際上也缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致城市各部門的信息系統(tǒng)自成體系，各種信息系統(tǒng)從軟硬件接口規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)等各個方面都無法統(tǒng)一[18]。

出現(xiàn)這些問題的根本是由于智慧城市的基礎(chǔ)理論和建設(shè)框架不完備。雖然智慧地球和智慧城市能在諸多前沿科技的支撐下讓地球和城市變得更智慧，得到世界的共鳴，但這些前沿科技按照什么架構(gòu)組合在一起，按照什么規(guī)律建設(shè)能讓城市更智慧，產(chǎn)業(yè)界并沒有找到合適的答案。智慧城市、智慧地球的智慧從何而來，自然界中的生物腦可供參照，人類大腦是一種產(chǎn)生智慧最重要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[19]，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的前沿科技生態(tài)則呈現(xiàn)出越來越多的類腦特征。城市大腦和世界數(shù)字大腦分別對應(yīng)了智慧城市和智慧地球，是產(chǎn)生智慧的一種解決方案。因此，城市大腦和世界數(shù)字大腦是智慧地球、智慧城市發(fā)展到更高階段的產(chǎn)物。最終將實現(xiàn)一個可以支撐人類協(xié)同發(fā)展的全球化類腦智能系統(tǒng)。

6 結(jié)語

近50年來，IT相關(guān)的智能產(chǎn)業(yè)有三次重要的標(biāo)準(zhǔn)制定機遇，第一次發(fā)生在互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生之初。1974年，美國科學(xué)家卡恩與瑟夫共同開發(fā)了TCP/IP協(xié)議[20]，為不同的計算機，甚至不同類型的網(wǎng)絡(luò)間傳送信息包制定了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。TCP/IP的產(chǎn)生也為21世紀(jì)的傳感器、機器人、無人機、智能汽車等智能設(shè)備平滑、無障礙地進入互聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)，為物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、云機器人、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特別是城市大腦的建設(shè)提供了技術(shù)保障。第二次發(fā)生在互聯(lián)網(wǎng)誕生20年后，互聯(lián)網(wǎng)已成長為世界科技、軍事、政府機構(gòu)中信息共享的巨大網(wǎng)絡(luò)，但由于技術(shù)架構(gòu)的問題，互聯(lián)網(wǎng)的信息像被鎖在一個個箱子里一樣獲取時需要密碼和鑰匙。1989年，在歐洲核物理實驗室工作的物理學(xué)家伯納斯·李建立的萬維網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)成為實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信息共享的解決方案[22]。萬維網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的制定對后續(xù)的科技生態(tài)產(chǎn)生了巨大影響，云計算、大數(shù)據(jù)等都與萬維網(wǎng)有關(guān)，甚至區(qū)塊鏈在某種程度上也可以說是為對抗萬維網(wǎng)引發(fā)的互聯(lián)網(wǎng)中心化趨勢[21]。第三次則發(fā)生在互聯(lián)網(wǎng)誕生50年后，各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層出不窮，出現(xiàn)了各種消費級網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、行業(yè)級網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、政府類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。由于存在企業(yè)壁壘、行業(yè)壁壘、地區(qū)壁壘、國家壁壘，這些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用同樣出現(xiàn)了各種孤島現(xiàn)象，無法互聯(lián)互通[22]。應(yīng)該說城市大腦出現(xiàn)的本質(zhì)是解決網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的孤島問題。當(dāng)世界各國的城市都開始建設(shè)城市大腦并能夠互聯(lián)互通，一個應(yīng)用層的大統(tǒng)一架構(gòu)——世界數(shù)字大腦將逐步形成[23]。

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；一個既能在一棟大樓，也能在世界范圍內(nèi)自由實現(xiàn)的云反射弧機制還未形成。到2022年，城市大腦依然還處于萌芽階段，但已經(jīng)開始出現(xiàn)新的變化，城市大腦的發(fā)展已經(jīng)開始從城市向省級擴展，譬如浙江、安徽、山東、上海已經(jīng)開始從省一來規(guī)劃城市大腦的發(fā)展。

城市大腦的未來需要不同領(lǐng)域的專家、企業(yè)家、政府決策者不斷實踐和創(chuàng)新，共同推動。作為城市大腦發(fā)展的最終形態(tài)，世界數(shù)字大腦將為人類社會的協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建起全球統(tǒng)一的類腦智能支撐平臺，實現(xiàn)對世界的認(rèn)知、判斷、決策、反饋和改造，共同應(yīng)對來自大自然的各種挑戰(zhàn)和風(fēng)險，滿足人類社會的廣泛需求，為實現(xiàn)人類命運共同體構(gòu)筑重要的全球性技術(shù)基礎(chǔ)[24]。