文｜劉鋒

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。“智慧地球”戰(zhàn)略提出IT 產(chǎn)業(yè)的下一階段任務(wù)是將新一代IT技術(shù)充分運用到各行各業(yè)之中。智慧城市就是在智慧地球大框架下形成的城市智慧化建設(shè)方案，也將把新一代IT 技術(shù)充分運用到城市建設(shè)之中。

此后，智慧城市迅速成為城市建設(shè)的熱點，世界范圍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，智慧城市在國際上也缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標準、技術(shù)標準、行業(yè)標準，導(dǎo)致城市各部門的信息系統(tǒng)自成體系，城市的市政、交通、醫(yī)療、教育、安防等各個部門之間的信息系統(tǒng)從軟硬件接口規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)傳輸標準、數(shù)據(jù)交換標準等各個方面都無法統(tǒng)一。

智慧城市出現(xiàn)的這些問題，從根本上說是由于智慧城市的基礎(chǔ)理論和建設(shè)框架工作沒有很好地完成。智慧地球和智慧城市提出在諸多前沿科技的統(tǒng)一支撐下讓地球和城市變的更為智慧，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)能讓城市變的更為智慧，產(chǎn)業(yè)界并沒有找到合適的答案，因此如何讓智慧城市產(chǎn)生智慧將是一個重要的研究課題。

城市大腦的提出

種種跡象表明，21 世紀以來，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的世界前沿科技生態(tài)呈現(xiàn)出越來越多的類腦特征，由此，互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的技術(shù)框架在2008 年被建立（如圖1 所示）。各種前沿科技可以看作是互聯(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)，移動通訊和光纖技術(shù)對應(yīng)神經(jīng)纖維等。

圖1 互聯(lián)網(wǎng)大腦模型圖

互聯(lián)網(wǎng)大腦模型與各個領(lǐng)域結(jié)合也不斷產(chǎn)生新的成果，當它與科技企業(yè)結(jié)合就產(chǎn)生了谷歌大腦、百度大腦、阿里ET 大腦、360 安全大腦等；與產(chǎn)業(yè)結(jié)合形成了工業(yè)大腦、農(nóng)業(yè)大腦、航空大腦等；與智慧城市建設(shè)結(jié)合形成了城市大腦、城市智能體、城市神經(jīng)系統(tǒng)；與智慧社會的構(gòu)建結(jié)合就形成了世界數(shù)字大腦。

其中，城市大腦在中國已經(jīng)成為智能產(chǎn)業(yè)和智慧城市領(lǐng)域新的熱點，到2022 年，在中國有近500 個城市宣布建設(shè)“城市大腦”，中國的科技企業(yè)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。

2015 年城市大腦被提出后，逐步形成如下成熟的定義。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，在物聯(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)的支撐下，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，它們的發(fā)展同時促進城市各神經(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。城市大腦的作用是提高城市的運行效率，解決城市運行中面臨的復(fù)雜問題，更好地滿足覆蓋人群的不同需求。城市大腦的發(fā)展目標不僅僅局限在一個城市或一個地區(qū)，當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。

城市大腦定義中的數(shù)字神經(jīng)元是指在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層為城市大腦涉及的每一個人、物、系統(tǒng)建立世界統(tǒng)一的程序單元，可以根據(jù)需求進行連接、組合、交互，從而實現(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，而眾多數(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)（如圖2 所示）。

圖2 數(shù)字神經(jīng)元結(jié)構(gòu)圖城市大腦

定義中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。與腦科學(xué)的反射弧相同，城市云反射弧也包括感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)和效應(yīng)器五個部分（如圖3 所示）。

圖3 云反射弧示意圖

城市大腦是21 世紀全球科技生態(tài)的類腦化變化的產(chǎn)物，通過世界統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和可跨層級交互的云反射弧機制，為智慧城市和智慧地球產(chǎn)生智慧尋找到一種新的技術(shù)結(jié)構(gòu)或者解決方案。如果將多個數(shù)字神經(jīng)元與多條云反射弧結(jié)合起來可以形成城市大腦的邏輯結(jié)構(gòu)圖（如圖4 所示）。

圖4 城市大腦運行邏輯結(jié)構(gòu)圖

基于城市大腦的邏輯結(jié)構(gòu)圖與具體的地域范圍和工程技術(shù)結(jié)合又可以形成城市大腦的運行總體結(jié)構(gòu)，我們將在下面進行詳細闡述。

城市大腦總體結(jié)構(gòu)和城市智慧的產(chǎn)生

互聯(lián)網(wǎng)大腦模型有三個最重要的特點（如圖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。

根據(jù)互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的三個重要特征，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)，負責(zé)連通人、設(shè)備、程序和組織；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，是基于數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，將不同的數(shù)字神經(jīng)元按照類反射弧機制組織起來聯(lián)合工作，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。

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)（如圖5 所示），它由五個功能層次組成，分別是問題與需求層、云反射弧層、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層、管理控制層和技術(shù)支撐層。

圖5 城市大腦總體結(jié)構(gòu)圖

在城市大腦的總體框架圖中，云反射弧層、數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層是城市大腦建設(shè)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。因為本架構(gòu)中提出的數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧機制具有世界統(tǒng)一的屬性，可以在不同社區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城市、省/地區(qū)和國家之間互聯(lián)互通，因此在架構(gòu)模型的左側(cè)體現(xiàn)了這種可跨城市、跨地區(qū)應(yīng)用的特征。

通過數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和云反射弧的運轉(zhuǎn)將促進城市大腦中的各神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育。如映射攝像頭的大量數(shù)字神經(jīng)元將構(gòu)成城市大腦的視覺神經(jīng)系統(tǒng)，映射聲音識別設(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、力敏設(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、智能機床設(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。

智慧城市、智慧地球的智慧從何而來，自然界已經(jīng)給出了參考模型，科學(xué)研究已經(jīng)證明，生物腦特別是人類大腦，是產(chǎn)生智慧的重要結(jié)構(gòu)。種種跡象表明，互聯(lián)網(wǎng)正在從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向類腦結(jié)構(gòu)進化，其與智慧城市結(jié)合形成了城市大腦的架構(gòu)和機制。城市大腦產(chǎn)生智慧的路徑（如圖6 所示）是通過構(gòu)建世界統(tǒng)一標準的數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和“N”條可以在社區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城市、省、國家和世界范圍運行的云反射弧，實現(xiàn)對世界的認知、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。

圖6 城市大腦產(chǎn)生智慧的路徑

建設(shè)城市大腦的國際戰(zhàn)略意義

近50 年來，IT 相關(guān)的智能產(chǎn)業(yè)有三次重要的標準制定機遇。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，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)一的標準。TCP/IP 的產(chǎn)生也為21 世紀的傳感器、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)標準成為實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)信息共享的解決方案。萬維網(wǎng)標準的制定對后續(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。

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、行業(yè)級、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。應(yīng)該說，城市大腦出現(xiàn)本質(zhì)上是解決網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的孤島問題。通過世界統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧機制的構(gòu)建，將各種服務(wù)于人類社會的應(yīng)用打通，使得城市首先作為一個整體為城市各階層民眾服務(wù)。然后擴展到國家，擴展到世界范圍，當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。