“十四五”：AI城市構(gòu)筑立體城市信息模型

文｜杜明芳

清華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心研究員、副教授；清華大學(xué)智慧城市大數(shù)據(jù)研究中心副主任 杜明芳

戰(zhàn)略背景與發(fā)展態(tài)勢(shì)

為搶抓人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機(jī)遇，構(gòu)筑我國(guó)人工智能發(fā)展的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，加快建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和世界科技強(qiáng)國(guó)，國(guó)務(wù)院2017年7月發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，指出當(dāng)前人工智能的戰(zhàn)略態(tài)勢(shì)為：人工智能成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，帶來社會(huì)建設(shè)的新機(jī)遇。新一代人工智能相關(guān)學(xué)科發(fā)展、理論建模、技術(shù)創(chuàng)新、軟硬件升級(jí)等整體推進(jìn)，正在引發(fā)鏈?zhǔn)酵黄?，推?dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速躍升。當(dāng)前，新一代人工智能正在加速融入我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域，為工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化均注入了新動(dòng)能，帶來了新的發(fā)展思路。另一方面，從發(fā)展趨勢(shì)看，“十一五”“十二五”及“十三五”前期互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、智慧城市已經(jīng)充分發(fā)展起來，為人工智能在城市和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的深度應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖1 新一代人工智能內(nèi)涵

隨著AI 通用理論和技術(shù)的不斷成熟，AI正逐步成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的通用智能基礎(chǔ)設(shè)施，影響范圍和深度都在不斷加大。可以預(yù)見，“十四五”期間，人工智能將加速滲透到城市和產(chǎn)業(yè)的各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展起到強(qiáng)勁催化作用，以城市和產(chǎn)業(yè)為兩大核心的人工智能賦體系將被逐步構(gòu)建并得到不斷完善。

人工智能城市（AI City）基礎(chǔ)理論

1.人工智能城市理論支撐

推動(dòng)人工智能城市發(fā)展的四大核心要素為：政策、需求、供給、技術(shù)。人工智能城市理論是一個(gè)綜合性強(qiáng)的研究分支，本文認(rèn)為其理論支撐為：人工智能理論，信息物理系統(tǒng)（CPS），城市科學(xué)，系統(tǒng)工程理論，信息經(jīng)濟(jì)學(xué)。

圖2 人工智能城市理論支撐體系

信息物理系統(tǒng)(cyber physical systems,簡(jiǎn)稱CPS)作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)通過人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的、安全的、協(xié)作的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。信息物理系統(tǒng)包含了將來無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。CPS 是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合計(jì)算、通信和控制能力的可控可信可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)深度融合和實(shí)時(shí)交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實(shí)時(shí)的方式檢測(cè)或者控制一個(gè)物理實(shí)體。

信息經(jīng)濟(jì)學(xué)是將信息視為企業(yè)資產(chǎn)的理論和實(shí)踐，包括測(cè)量、管理和貨幣化與公認(rèn)資產(chǎn)(資產(chǎn)負(fù)債表)相同或相似的信息。一些投資銀行家已開始在評(píng)估企業(yè)整體價(jià)值時(shí)，考慮企業(yè)的信息資產(chǎn)以及將它們貨幣化，包括量化其各種利益的模型。這些數(shù)據(jù)和分析習(xí)慣做法已被領(lǐng)導(dǎo)人及商業(yè)領(lǐng)袖采納，以鼓勵(lì)創(chuàng)新和減少開支。

2.人工智能城市全景

為了更明確的表達(dá)人工智能城市的內(nèi)涵，本文提出如圖3所示的人工智能城市AICITY全景圖。

人工智能城市的支撐體系由人工智能理論體系、人工智能伴隨技術(shù)體系、人工智能細(xì)分應(yīng)用系統(tǒng)體系及智慧城市行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景體系四部分構(gòu)成，并彼此支撐、交互、協(xié)作，形成如圖4所示的同心圓結(jié)構(gòu)，共同服務(wù)于AI城市的八個(gè)核心特征：實(shí)時(shí)感知、高效傳輸、自主控制、自主學(xué)習(xí)、智能決策、自組織協(xié)同、自尋優(yōu)進(jìn)化、個(gè)性化定制。

人工智能城市是第四次工業(yè)革命歷史背景下智慧城市演進(jìn)發(fā)展過程中以“AI+”為標(biāo)志性驅(qū)動(dòng)力的智慧城市新形態(tài)，擁有三大核心要素：技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、人文，每一要素自成體系且相互作用。未來，智慧城市將朝著“人工智能城市”方向發(fā)展。人工智能城市的發(fā)展將促使智慧城市的產(chǎn)業(yè)維度向柔性化、定制化、個(gè)性化、實(shí)時(shí)協(xié)同、多元主體方向落地，將促進(jìn)城市自然稟賦與經(jīng)典文化、現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的有機(jī)融合，進(jìn)而促使城市治理、社會(huì)治理朝著透明化多元化方向演進(jìn)。

圖3 人工智能城市AICITY 全景圖

圖4 人工智能城市參考框架模型AICIM-K

AI 城市之AICIM 模型

AI 城市模型至少包括兩類基礎(chǔ)模型，一類是參考框架模型，一類是產(chǎn)業(yè)鏈模型。隨著城市的發(fā)展，還可以并入多類模型，它們將共同構(gòu)筑起AI 驅(qū)動(dòng)的城市信息模型AICIM?？傮w上看，本文構(gòu)建并提出一種以智慧城市與智能制造深度融合為特征，以AI 統(tǒng)一賦能的產(chǎn)城融合型城市信息模型AICIM。

1.AICIM 參考框架模型AICIM-K

人工智能城市參考框架模型AICIM-K 如圖4所示。

參考框架模型AICIM-K 中存在三個(gè)維度，即三條“線”，分別是：智慧城市維度（線）、人工智能維度（線）、產(chǎn)品和服務(wù)維度/工業(yè)維度（線）。

人工智能維度包括4 層：

層1 是基礎(chǔ)資源層，包括硬件（體現(xiàn)算力）、算法模型、數(shù)據(jù)三部分。

算法模型部分包括：專家系統(tǒng)、模糊系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、聚類、仿生系統(tǒng)、群體智能、知識(shí)圖譜等人工智能研究分支。

層2 是AI 技術(shù)層，包括通用的單項(xiàng)AI 技術(shù)（圖像、語音語義、文本）和混合AI 技術(shù)（機(jī)器人、無人車、無人機(jī)等）。

層3 是人工智能的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，是人工智能+場(chǎng)景后衍生出的行業(yè)應(yīng)用。

層1（基礎(chǔ)資源層）為層2（AI 技術(shù)層）的構(gòu)建提供核心資源，產(chǎn)生各種相對(duì)通用的AI技術(shù)方向，供層3（AI 行業(yè)應(yīng)用層）使用，層3 的開發(fā)實(shí)現(xiàn)需建立在層1 和層2 基礎(chǔ)之上。在層1、層2 基礎(chǔ)之上，融入行業(yè)場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)層3 的各種實(shí)際應(yīng)用。

“產(chǎn)品和服務(wù)/工業(yè)維度（線）”即智慧城市產(chǎn)品和服務(wù)產(chǎn)業(yè)鏈，指的是服務(wù)于城市建設(shè)、消費(fèi)及應(yīng)用的各智能制造產(chǎn)業(yè)部門、生產(chǎn)要素、企業(yè)、消費(fèi)者、使用者之間的鏈條式技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)形態(tài)。

2.AICIM 產(chǎn)業(yè)鏈模型AICIM-P

基于人工智能維度的3 層架構(gòu)，可構(gòu)建AI城市產(chǎn)業(yè)鏈模型AICIM-P。AI 城市產(chǎn)業(yè)鏈包含價(jià)值鏈、企業(yè)鏈、供需鏈和空間鏈四個(gè)維度，四個(gè)維度在相互對(duì)接、相互均衡協(xié)調(diào)過程中形成了產(chǎn)業(yè)鏈。人工智能產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)窃诂F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系框架下各產(chǎn)業(yè)部門之間基于一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)，并依據(jù)特定邏輯關(guān)系和時(shí)空布局關(guān)系客觀形成的鏈條式關(guān)聯(lián)關(guān)系形態(tài)。

圖5 AI 城市產(chǎn)業(yè)鏈模型AICIM-P

感知和自動(dòng)控制是數(shù)據(jù)閉環(huán)流動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。感知的本質(zhì)是物理世界的數(shù)字化。工業(yè)軟件是算法的代碼化，是對(duì)工業(yè)知識(shí)、技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)體系的載體，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的核心。工業(yè)軟件定義了信息物理系統(tǒng)，其本質(zhì)是要打造數(shù)據(jù)流動(dòng)的閉環(huán)與規(guī)則體系，應(yīng)對(duì)制造系統(tǒng)的不確定性，實(shí)現(xiàn)制造資源的高效配置。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是連接工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和工業(yè)產(chǎn)品各要素的信息網(wǎng)絡(luò)，主要用于支撐工業(yè)數(shù)據(jù)的采集交換、集成處理、建模分析和反饋執(zhí)行，是支撐數(shù)據(jù)流動(dòng)的通道。物質(zhì)（機(jī)械、如導(dǎo)線）連接、能量（物理場(chǎng)、如傳感器）連接、信息（數(shù)字、如比特）連接乃至意識(shí)（生物場(chǎng)，如思維）連接，為打造萬物互聯(lián)的世界提供了基礎(chǔ)和前提。工業(yè)云和智能服務(wù)平臺(tái)是高度集成、開放和共享的數(shù)據(jù)集散中心、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、數(shù)據(jù)分析中心和數(shù)據(jù)共享中心，基于工業(yè)云服務(wù)平臺(tái)推動(dòng)專業(yè)軟件庫、應(yīng)用模型庫、產(chǎn)品知識(shí)庫、測(cè)試評(píng)估庫、案例專家?guī)斓然A(chǔ)數(shù)據(jù)和工具的開發(fā)集成與開放共享。這將帶來產(chǎn)品、機(jī)器、人、業(yè)務(wù)從封閉走向開放，從獨(dú)立走向系統(tǒng)，將重組客戶、供應(yīng)商、銷售商以及企業(yè)內(nèi)部組織的關(guān)系，重構(gòu)生產(chǎn)體系中信息流、產(chǎn)品流、資金流的運(yùn)行模式，重建新的產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈和競(jìng)爭(zhēng)格局。

AICIM-P 中蘊(yùn)含著一個(gè)重要的鏈條，即“智造+城市”產(chǎn)業(yè)鏈，指的是服務(wù)于城市建設(shè)、消費(fèi)及應(yīng)用的各智能制造產(chǎn)業(yè)部門、生產(chǎn)要素、企業(yè)、消費(fèi)者、使用者之間的鏈條式技術(shù)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)形態(tài)。

“十四五”時(shí)期，智慧城市將進(jìn)入新的發(fā)展階段，新的智慧城市中國(guó)方案亟待構(gòu)建與實(shí)施。本文構(gòu)建的AI 城市立體化、多維度、產(chǎn)城融合、知識(shí)密集型模型為新時(shí)期智慧城市提供了新的解決方案，也是城市信息模型的一種實(shí)現(xiàn)方法。