劉鋒　劉朝暉

進入21世紀(jì)以來，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，在中國已經(jīng)有近500個城市啟動“城市大腦”建設(shè)計劃，成為當(dāng)前新型智慧城市建設(shè)的熱點。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)超過數(shù)百億資金[1]。

在產(chǎn)業(yè)界，騰訊的“WeCity未來城市”和“城市超級大腦”，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]，通過企業(yè)技術(shù)優(yōu)勢與智慧城市建設(shè)的結(jié)合，形成不同風(fēng)格和特點的城市大腦建設(shè)方案。在產(chǎn)業(yè)界，主要認(rèn)為城市大腦是“基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，支撐城市運行生命體征感知、公共資源配置優(yōu)化、重大事件預(yù)測預(yù)警、宏觀決策指揮的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施和開放創(chuàng)新平臺。[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)為在過去50年，互聯(lián)網(wǎng)從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進化成為大腦結(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，并在與人類社會的持續(xù)互動中自組織形成的類腦系統(tǒng)。城市大腦系統(tǒng)最終將具備城市中樞神經(jīng)（云計算），城市感覺神經(jīng)（物聯(lián)網(wǎng)），城市運動神經(jīng)（云機器人，無人駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)），城市神經(jīng)末梢發(fā)育（邊緣計算），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，實現(xiàn)城市服務(wù)的快速智能反應(yīng)。云機器智能和云群體智慧是城市智慧涌現(xiàn)的核心動力。這樣基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的城市類腦架構(gòu)稱之為“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)計產(chǎn)生的大腦仍屬于復(fù)雜的機械系統(tǒng)，只有設(shè)計的迭代而沒有自發(fā)的演化，也不會存在超出設(shè)計的功能。而本文認(rèn)為城市大腦首先并不是一個人為設(shè)計的產(chǎn)品，而是一個由進化和涌現(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社會之間的關(guān)系比較靜態(tài)和僵化，而事實上城市大腦應(yīng)該將智能系統(tǒng)與人類社會的互動做為進化的核心動力。我們所有的實踐和探索終將成為城市大腦進化過程的一部分。當(dāng)我們洞察這種規(guī)律，就能夠以更簡單和更有效的方式來誘導(dǎo)和激發(fā)進化的過程。

2020年的《城市大腦與超級智能城市建設(shè)規(guī)范研究》進一步提出了城市大腦發(fā)展的三個頂層規(guī)范分別是：首先，連接人，物，設(shè)備和系統(tǒng)的統(tǒng)一的城市類腦神經(jīng)元技術(shù)框架;其次，每一個城市類腦神經(jīng)元要實現(xiàn)人機雙智能控制，但保持人類控制權(quán)最高 ;再次，通過信息路由技術(shù)實現(xiàn)城市云反射弧，滿足城市各種需求[6]。

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

世界范圍的城市大腦通過互聯(lián)網(wǎng)類腦架構(gòu)最終聯(lián)合形成世界腦（world wide Brain），高效的解決人類社會面臨的各領(lǐng)域問題。

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米亞平原，城市產(chǎn)生的多元學(xué)說認(rèn)為，城市產(chǎn)生于不同地域并各自進行傳播。同時，城市是人類走向成熟和文明的標(biāo)志，也是人類群居生活的高級形式。

城市的智慧程度是伴隨人類科技和文明的進步發(fā)展起來的。18世紀(jì)中葉開始的工業(yè)革命帶來城市嶄新的發(fā)展時期。作為工業(yè)化原動力的各種原料產(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)達的城市[7]。

世界城市化水平在1980年為39.6%， 2000年達到46.6%，這個時期城市現(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（國內(nèi)與國際）、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)胞生物體開始感知和反饋世界一般，城市也開始形成一些簡單的感知和反饋機制。

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)充分運用到各行業(yè)中。由此延伸的智慧城市概念極大推動了世界各個國家的現(xiàn)代化城市進程。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)充分運用到城市建設(shè)之中[8]。

為了緊貼城市建設(shè)的熱點，國內(nèi)有近千個城市宣布了各自的智慧城市建設(shè)計劃。住建部原副部長仇保興指出：一些“智慧城市”方案無法解決任何一種城市病，有的被IT企業(yè)“綁架”，成為企業(yè)推銷產(chǎn)品的渠道;有的被政府部門“綁架”，部門間形成信息孤島互不往來;有些地方的“智能城市”規(guī)劃方向本身就是錯的，帶來一系列盲目炒作、缺乏頂層設(shè)計、基礎(chǔ)不扎實等弊端?？傊谶@個階段，城市大腦概念還沒有浮現(xiàn)出來，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施上的問題[9]。

第三個階段??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腦智能巨系統(tǒng)特征的定義，認(rèn)為在過去的近50年時間里，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、聽覺、感覺和記憶神經(jīng)之外，最重要的是城市類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和城市云反射弧建設(shè)。

2016年開始，國內(nèi)科技公司相繼提出了各自的泛城市大腦計劃，如阿里ET城市大腦，百度城市大腦，騰訊未來城市（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，中國數(shù)百家城市啟動了城市大腦工程，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“基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，支撐城市運行生命體征感知、公共資源配置優(yōu)化、重大事件預(yù)測預(yù)警、宏觀決策指揮的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施和開放創(chuàng)新平臺?！?/p>

這個時期產(chǎn)業(yè)實施的城市大腦，主要是依托人工智能技術(shù)對城市的數(shù)據(jù)和信息進行管理的城市級人工智能系統(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]，這時建設(shè)中的城市大腦方案與互聯(lián)網(wǎng)大腦的關(guān)系見圖2。

從互聯(lián)網(wǎng)大腦的架構(gòu)圖中可以看出，這個時期推進的城市大腦項目主要建設(shè)了巨型神經(jīng)元控制下的城市人工智能中樞系統(tǒng)，因此這個階段也可稱為城市大腦的AI巨型神經(jīng)元建設(shè)階段。由于沒有統(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法連接。這種隱憂可能為未來的城市大腦發(fā)展帶來額外成本。

第四個階段??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。因為沒有統(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)無法實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，更為重要的是城市間的城市大腦也無法有效連接。

因此如何建立統(tǒng)一的城市神經(jīng)元框架標(biāo)準(zhǔn)并展開實施就成為城市大腦第四階段最重要的任務(wù)，城市類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)能為城市中的每一個元素提供統(tǒng)一的神經(jīng)元節(jié)點空間。在這個節(jié)點空間里，人、物、系統(tǒng)將自己的信息同步映射，可以運行相應(yīng)的管理控制程序，實現(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《城市大腦與超級智能城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)研究》的研究報告中提出，在城市神經(jīng)元節(jié)點中應(yīng)該有5個重要的組成部分，分別是;

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

2.功能模塊區(qū)，根據(jù)不同的映射對象需求提供不同的功能模塊

3.智能控制區(qū)，對信息展示和功能模塊進行管理的區(qū)域，人類和AI可同時控制

4.神經(jīng)元節(jié)點編碼，對所有的城市大腦神經(jīng)元節(jié)點進行統(tǒng)一編碼

5.空間位置編碼，對所有城市大腦神經(jīng)元節(jié)點所處的地理位置和海拔高度進行統(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)每個城市神經(jīng)元節(jié)點具有統(tǒng)一的技術(shù)結(jié)構(gòu)、節(jié)點和地址編碼，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互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)實現(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家之間形成共識并推進是一個漫長和困難的過程。因此城市大腦第四階段預(yù)計會持續(xù)10年或數(shù)十年的時間。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、國家乃至世界范圍的人、智能設(shè)備與系統(tǒng)連接起來，數(shù)十億人類和數(shù)百億智能設(shè)備及系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)形成自然界前所未有的超級智能形式。

作為子集，城市大腦也將連接百萬級人口和上億級的智能系統(tǒng)，這其中包含人與機器（系統(tǒng)）的各種組合關(guān)系，城市大腦需要重點解決這各種組合關(guān)系的權(quán)限分配問題：也就是機器（系統(tǒng)）與機器（系統(tǒng)）的權(quán)限分配問題，人與人之間的權(quán)限分配問題，人與機器（系統(tǒng)）權(quán)限分配的問題。

第一是機器（系統(tǒng)）與機器（系統(tǒng)）的權(quán)限分配問題，可以按照具體場景對涉及的機器權(quán)限進行分配，在城市大腦第三階段中，一些城市建設(shè)的城市大腦重點發(fā)展了較高級別的城市級AI巨型神經(jīng)元。

第二是人與人之間的權(quán)限分配問題，一種最簡單的方法是將人類的社會關(guān)系映射進來，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。

第三是人與機器（系統(tǒng)）權(quán)限分配的問題。2020年研究報告《城市大腦的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)研究》提出任何一個城市神經(jīng)元，可以實現(xiàn)人類和機器雙智能控制，但要求必須有一個權(quán)限最大的人類用戶，這個規(guī)則的設(shè)定也符合錢學(xué)森在“開放復(fù)雜巨系統(tǒng)”理論中提到的“人機結(jié)合，以人為主”的原則。這項規(guī)則的提出也是為了避免全部交給機器和AI系統(tǒng)進行決策導(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)都被鏈接到類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，完成人人，人機，機機的權(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城市的各種問題、需求、任務(wù)產(chǎn)生反應(yīng)、做出決策、開展行動進而解決問題的關(guān)鍵，如圖5所示。

應(yīng)該說一個城市將有大量需求可以通過云反射弧機制實現(xiàn)。如通過智能手機實現(xiàn)的出行打車（交通云反射?。?，通過云端實現(xiàn)的購物活動（購物云反射），通過煙霧傳感器引發(fā)的滅火行動（防火云反射?。┑取?/p>

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