城市大腦的七階進化

劉鋒　劉朝暉

進入21世紀以來，前沿科技領域出現諸多“大腦”概念，如谷歌大腦，阿里大腦，城市大腦，工業大腦，航空大腦，互聯網大腦等。其中城市大腦的出現引起了政府、學術界和產業界的高度重視。

到2020年，在中國已經有近500個城市啟動“城市大腦”建設計劃，成為當前新型智慧城市建設的熱點。其中包括杭州、上海、北京、福州、鄭州、銅陵、廣州等城市，建設規模已經超過數百億資金[1]。

在產業界，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“城市神經網絡”，科大訊飛的“城市超腦”，360的“城市安全大腦”[2]，通過企業技術優勢與智慧城市建設的結合，形成不同風格和特點的城市大腦建設方案。在產業界，主要認為城市大腦是“基于云計算、物聯網、大數據、人工智能等技術，支撐城市運行生命體征感知、公共資源配置優化、重大事件預測預警、宏觀決策指揮的數字化基礎設施和開放創新平臺。[3]”

在研究領域，論文《基于互聯網大腦架構的智慧城市建設探討》于2015年提出城市大腦的學術定義[4]，認為在過去50年，互聯網從網狀結構進化成為大腦結構[5]并與智慧城市建設結合，是城市大腦產生的根源，如圖1所示。

由此本文認為，城市大腦是伴隨互聯網類腦化和城市智能化的深度發展，智能單元的廣泛應用與全面連接，并在與人類社會的持續互動中自組織形成的類腦系統。城市大腦系統最終將具備城市中樞神經（云計算），城市感覺神經（物聯網），城市運動神經（云機器人，無人駕駛、工業互聯網），城市神經末梢發育（邊緣計算），城市智慧的產生與應用（大數據與人工智能）以及城市神經纖維（5G、光纖、衛星等通訊技術）。在這些城市類腦神經的支撐下，形成城市建設的兩大核心：第一是城市神經元網絡，實現城市中人與人、人與物、物與物的信息交互。第二是城市大腦的云反射弧，實現城市服務的快速智能反應。云機器智能和云群體智慧是城市智慧涌現的核心動力。這樣基于互聯網大腦模型的城市類腦架構稱之為“城市大腦”。

與產業界通常所理解的城市大腦相比，基于互聯網大腦模型的城市大腦架構明顯不同。首先，產業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系統，但是這種經由設計產生的大腦仍屬于復雜的機械系統，只有設計的迭代而沒有自發的演化，也不會存在超出設計的功能。而本文認為城市大腦首先并不是一個人為設計的產品，而是一個由進化和涌現主導的復雜系統。其次，目前產業界認知的城市大腦與人類社會之間的關系比較靜態和僵化，而事實上城市大腦應該將智能系統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。當我們洞察這種規律，就能夠以更簡單和更有效的方式來誘導和激發進化的過程。

2020年的《城市大腦與超級智能城市建設規范研究》進一步提出了城市大腦發展的三個頂層規范分別是：首先，連接人，物，設備和系統的統一的城市類腦神經元技術框架;其次，每一個城市類腦神經元要實現人機雙智能控制，但保持人類控制權最高 ;再次，通過信息路由技術實現城市云反射弧，滿足城市各種需求[6]。

通過預判城市大腦三個頂層規范實施難度和成熟條件，結合城市發展歷史和現代化進程，我們對城市大腦從產生、成熟到最終形態，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網類腦架構最終聯合形成世界腦（world wide Brain），高效的解決人類社會面臨的各領域問題。

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，考古學證明最早的城市起源于美索布達米亞平原，城市產生的多元學說認為，城市產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展起來的。18世紀中葉開始的工業革命帶來城市嶄新的發展時期。作為工業化原動力的各種原料產地，特別是煤炭豐盛及沿海地區，資本、工廠、人口的迅速集中形成了人口集中、密度高、工業發達的城市[7]。

世界城市化水平在1980年為39.6%， 2000年達到46.6%，這個時期城市現代化的標志是城市內部與城市之間的分工與協作，包括基礎設施高能化，道路交通（國內與國際）、通訊、供排水、供電、供氣等現代設施的靈敏化，城市管理工作的信息化等。正如同最早的單細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公司首席執行官彭明盛首次提出“智慧地球”，其主張IT產業下一階段任務是將新一代IT技術充分運用到各行業中。由此延伸的智慧城市概念極大推動了世界各個國家的現代化城市進程。智慧城市就是基于智慧地球建設的大框架下，城市的智慧化建設方案。將新一代IT技術充分運用到城市建設之中[8]。

為了緊貼城市建設的熱點，國內有近千個城市宣布了各自的智慧城市建設計劃。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“綁架”，成為企業推銷產品的渠道;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”規劃方向本身就是錯的，帶來一系列盲目炒作、缺乏頂層設計、基礎不扎實等弊端。總之在這個階段，城市大腦概念還沒有浮現出來，缺乏統一的建設規劃指導，導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《基于互聯網大腦模型的智慧城市建設》提出了城市大腦的類腦智能巨系統特征的定義，認為在過去的近50年時間里，互聯網逐步從網狀結構發展成為大腦模型?；ヂ摼W類腦架構與智慧城市建設結合是城市大腦產生的根源，城市大腦除了具備中樞神經、視覺、聽覺、感覺和記憶神經之外，最重要的是城市類腦神經元網絡和城市云反射弧建設。

2016年開始，國內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），華為城市神經網絡，訊飛超腦等。到2020年，在這些科技企業的支撐下，中國數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。

在產業界，認為城市大腦是“基于云計算、物聯網、大數據、人工智能等技術，支撐城市運行生命體征感知、公共資源配置優化、重大事件預測預警、宏觀決策指揮的數字化基礎設施和開放創新平臺?！?/p>

這個時期產業實施的城市大腦，主要是依托人工智能技術對城市的數據和信息進行管理的城市級人工智能系統。為了方便城市領導者掌握和管理城市信息，還建立了城市管理者“駕駛艙“[10]，這時建設中的城市大腦方案與互聯網大腦的關系見圖2。

從互聯網大腦的架構圖中可以看出，這個時期推進的城市大腦項目主要建設了巨型神經元控制下的城市人工智能中樞系統，因此這個階段也可稱為城市大腦的AI巨型神經元建設階段。由于沒有統一的建設標準，不同企業和不同城市建設的城市大腦依然存在信息孤島或智能孤島的問題。不但城市內的人，物，系統不能完全打通，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）

神經元網絡是生物大腦最重要的結構，因此建設城市大腦的神經元網絡也是最重要和最基礎的工作。這也是城市大腦第三階段缺失的地方。因為沒有統一的神經元技術標準。城市內部的居民、設備、系統無法實現關聯，更為重要的是城市間的城市大腦也無法有效連接。

因此如何建立統一的城市神經元框架標準并展開實施就成為城市大腦第四階段最重要的任務，城市類腦神經元網絡的建設能為城市中的每一個元素提供統一的神經元節點空間。在這個節點空間里，人、物、系統將自己的信息同步映射，可以運行相應的管理控制程序，實現人與人、人與物、物與物、人與系統、物與系統、系統與系統的相互關注與信息交流。如圖3所示。

2020年《城市大腦與超級智能城市建設標準研究》的研究報告中提出，在城市神經元節點中應該有5個重要的組成部分，分別是;

1.信息展示區，對映射對象發布的信息進行顯示的權限控制

2.功能模塊區，根據不同的映射對象需求提供不同的功能模塊

3.智能控制區，對信息展示和功能模塊進行管理的區域，人類和AI可同時控制

4.神經元節點編碼，對所有的城市大腦神經元節點進行統一編碼

5.空間位置編碼，對所有城市大腦神經元節點所處的地理位置和海拔高度進行統一編碼，標注其位置（如果是網絡智能系統，空間位置將為0）

當每個城市神經元節點具有統一的技術結構、節點和地址編碼，這樣才能保證符合城市大腦作為互聯網大腦的子集，各城市大腦可以通過互聯網大腦架構實現相互協同合作的發展規律與目標。

如何構建城市神經元的技術標準，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計會持續10年或數十年的時間。一部分有前瞻性的城市如上海已經重視城市神經元的建設，提出將布控百億傳感器的城市神經元[11]。

第五階段??城市大腦的分權階段（2023年-2045年）

構建世界統一的城市神經元技術標準，目標是把城市、國家乃至世界范圍的人、智能設備與系統連接起來，數十億人類和數百億智能設備及系統通過互聯網大腦架構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，這其中包含人與機器（系統）的各種組合關系，城市大腦需要重點解決這各種組合關系的權限分配問題：也就是機器（系統）與機器（系統）的權限分配問題，人與人之間的權限分配問題，人與機器（系統）權限分配的問題。

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

第二是人與人之間的權限分配問題，一種最簡單的方法是將人類的社會關系映射進來，包括領導與下屬關系，城市管理者與居民之間的服務被服務關系，國家與地區領導者之間的管理和被管理關系等。

第三是人與機器（系統）權限分配的問題。2020年研究報告《城市大腦的建設標準研究》提出任何一個城市神經元，可以實現人類和機器雙智能控制，但要求必須有一個權限最大的人類用戶，這個規則的設定也符合錢學森在“開放復雜巨系統”理論中提到的“人機結合，以人為主”的原則。這項規則的提出也是為了避免全部交給機器和AI系統進行決策導致的失控現象。

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智能的重要功能[12]，同樣當城市所有系統都被鏈接到類腦神經元網絡中，完成人人，人機，機機的權限分配后，城市的大量的需求就可以基于城市云反射弧實現，從感知城市的需求到中樞神經處理，最后反饋到現場執行，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、任務產生反應、做出決策、開展行動進而解決問題的關鍵，如圖5所示。

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

由此產生的城市居民、企業和政府機構在這個機制下承擔怎樣的角色？跨越城市之間的地區級云反射弧如何協調？不同的技術和科技企業在這個過程中如何支撐？這些問題也需要在發展中不斷解決。