城市大腦的起源、發展與未來趨勢

【關鍵詞】城市大腦? 城市神經元? 城市云反射弧? 世界神經系統

【中圖分類號】TP302.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標識碼】A

【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2021.09.010

2020年3月，習近平總書記在考察杭州城市大腦運營指揮中心時指出，推進國家治理體系和治理能力現代化，必須抓好城市治理體系和治理能力現代化。運用云計算、大數據、區塊鏈、人工智能等前沿技術推動城市管理手段、管理模式、管理理念創新，從數字化到智能化再到智慧化，讓城市更聰明一些、更智慧一些，是推動城市治理體系和治理能力現代化的必由之路，前景廣闊。[1]

當前，城鎮化進程不斷加速，城市產生了交通擁堵、環境污染、資源短缺等一系列“城市病”，這對城市公共資源的運營和城市治理提出了巨大挑戰。同時，云計算、大數據、區塊鏈、人工智能等新一代信息技術蓬勃發展，在此背景下，城市大腦應運而生。

到2021年3月，已經有數百個城市宣布建設“城市大腦”，阿里、華為、百度、騰訊、科大訊飛、360、滴滴、京東等數百家科技企業宣布進入城市大腦領域，提出自己的泛城市大腦建設計劃。

在2020年的全國兩會上，多位代表提出應該將如何構建城市大腦建設標準提到議事日程上來。[2]城市大腦作為一個龐大的工程項目，涉及的金額往往高達幾億甚至數十億。其技術涉及物聯網、云計算、傳感器、大數據、人工智能、衛星定位、智能交通等數十個前沿科技領域，如何構建標準將是一個非常復雜的課題。

由于城市大腦目前沒有統一的建設規范和標準，很多企業和城市根據不同的理解和探索，按照不同的技術框架開展建設：有的從城市級人工智能中樞的角度，有的從城市交通、安防的角度，有的從城市生命體的角度，諸多發展中的問題也由此產生。

首先，沒有統一的規范可以使城市各領域的人、機器、AI系統無障礙地進入到城市大腦的系統中，其內部存在部門分割、區縣分割的問題;其次是城市各種需求不能在一個平臺上統一解決，不同城市之間的城市大腦互不連通;再次，建設城市大腦的科技企業之間無法形成協同效應，一個城市的城市大腦建設往往被巨頭型企業壟斷，中小科技企業無法按照模塊化方式有效參與;最后，展望未來3到5年，當不同國家城市的城市大腦需要打通和連接時，當前的城市大腦發展方式將會面臨困境甚至有重新規劃的風險。[3]

應該說城市大腦的產生和建設不僅僅是工程問題，也是一個基礎科學問題。21世紀以來，前沿科技領域出現了包括城市大腦在內的大量新概念新技術，這說明必然出現了新的規律在驅動新世紀的科技發展。城市大腦等復雜智能巨系統為什么會興起？它們的發展趨勢和規律是什么？有沒有更為科學的建設標準和方法？只有找到這些問題的規律并掌握它，才有可能以最小的試錯成本獲得城市大腦未來發展的紅利。本文將針對這些問題進行深入探討。

城市大腦產生的時代背景

21世紀以來，前沿科技概念和技術出現了爆炸式增長，從Web2.0、社交網絡、物聯網、移動互聯網、大數據、工業4.0、工業互聯網、云機器人、深度學習、邊緣計算到谷歌大腦、百度大腦、阿里ET大腦、360安全大腦、騰訊超級大腦、華為EI智能體、城市大腦、城市云腦、工業大腦、農業大腦、航空大腦、社會大腦，等等，這些新概念超過50個以上，他們之間究竟是什么關系？

從21世紀科技發展趨勢看，種種跡象表明，經過50年的發展，互聯網正在從網狀結構向類腦模型演化。譬如騰訊、Facebook等社交網絡具備的神經網絡特征、谷歌街景系統具備的視覺神經特征、云計算具備的中樞神經特征等，在這些現象的啟發下，2008年，我們將這個互聯網新結構稱為“互聯網大腦模型”[4]（見圖1）。

21世紀涌現的諸多新技術無一不是與互聯網大腦模型的發育有關。在前沿科技方向，云計算對應中樞神經系統;物聯網對應感覺神經系統;工業4.0，云機器人、智能駕駛、3D打印對應運動神經系統;邊緣計算對應神經末梢;大社交網絡、混合智能、云群體智能和云機器智能對應類腦神經元網絡;移動通訊和光纖技術對應神經纖維。[5]

在行業產業方向，互聯網大腦架構與工業、農業、航空、交通、建筑、冶金、電力等行業結合，形成了諸如工業大腦、農業大腦、航空大腦、冶金大腦、建筑大腦、電力大腦、城市大腦、城市云腦，等等。

在科技企業方向，世界范圍的科技巨頭為了適應互聯網新出現的類腦結構，不斷將自己的核心業務與互聯網大腦架構結合。谷歌依托搜索引擎帶來的大數據提出谷歌大腦、科大訊飛依托語音識別技術提出訊飛超腦、360依托安全業務提出360安全大腦、騰訊依托社交網絡應用提出騰訊超級大腦，阿里巴巴依托企業級服務提出阿里ET大腦，華為依托通訊領域的優勢地位提出華為EI智能體。

互聯網大腦的形成是城市大腦產生的技術基礎，同時它對21世紀人類的社會結構、經濟形態、科技創新、哲學思考也都將產生重大而深遠的影響。

城市大腦的起源與定義

2009年1月，IBM公司首席執行官彭明盛首次提出“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代化進程。[6]

“智慧地球”戰略提出，IT產業的下一階段任務是將新一代IT技術充分運用到各行各業之中。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方案，也將把新一代IT技術充分運用到城市建設之中。[7]

此后，智慧城市迅速成為城市建設的熱點，世界范圍內千余個城市宣布了自己的智慧城市建設計劃。但是，一直以來智慧城市的發展方向并不明晰，智慧城市在國際上也缺乏統一的建設標準、技術標準、行業標準，導致城市各部門的信息系統自成體系，城市的市政、交通、醫療、教育、安防等各個部門之間的信息系統從軟硬件接口規范、網絡傳輸標準、數據交換標準等各個方面都無法統一。一些專家認為智慧城市是把很多新的信息技術打包到城市建設的筐里，由于沒有統一的建設規劃做指導，因此出現了盲目炒作、頂層設計缺位等情況。在實施的過程中，由于存在利益糾葛，“智慧城市”成為各方勢力的角斗場。與此同時，由于政府服務理念的缺失、部門利益的影響、共享機制的不完善和技術標準的制約造成了信息孤島的困境。[8]住建部原副部長仇保興曾指出，一些“智慧城市”方案不能解決任何一種城市病，有的是被IT企業“綁架”，成為企業推銷產品的渠道;有的是被政府部門“綁架”，形成了信息孤島，互不往來;還有不少則是“忽悠”，更有甚者，有些地方的“智能城市”從規劃上就是錯的。

智慧城市出現的這些問題，從根本上說是由于智慧城市的基礎理論和建設框架工作還不夠扎實完善。一直以來，IBM在對未來科技趨勢的判斷上表現出前瞻性，包括智慧地球和智慧城市概念的提出，即在諸多前沿科技的統一支撐下，使城市變得更為智慧。IBM的這個判斷贏得了世界的共鳴，但這些前沿科技應按照什么架構組合在一起，按照什么規律建設能讓城市變得更為智慧， IBM并沒有找到合適的答案。到2018年，IBM最終放棄了智慧地球計劃。

IBM提出智慧地球和智慧城市一年之后，以互聯網為核心的世界科技生態開始呈現越來越多類腦的特征。作為自然界能夠產生智慧的基礎架構“腦”，開始通過兩個途徑為城市智慧的產生提供動力：第一，城市現代化用到的諸多前沿科技按照腦的模型進行組合，由此產生城市的智慧;第二，城市現代化伴隨前沿科技類腦化的過程，從不成熟到逐步成熟，城市的智慧程度不斷提升。

2015年1月，筆者團隊在《基于互聯網大腦架構的智慧城市建設探討》一文中提出城市大腦的概念和定義[9]：城市大腦是互聯網大腦架構與智慧城市建設結合的產物，是城市級的類腦復雜智能巨系統，在人類智慧和機器智能的共同參與下，在物聯網、大數據、人工智能、邊緣計算、5G、云機器人和數字孿生等前沿技術的支撐下，城市神經元網絡和城市云反射弧將是城市大腦建設的重點。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雜問題，更好地滿足市民的不同需求。城市大腦的發展目標不僅僅局限在一個城市或一個地區，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神經系統（WWNS），為人類協同發展提供一個類腦的智能支撐平臺。

從城市大腦的定義可以看出，城市大腦是互聯網大腦的一個子集，是互聯網類腦結構與城市現代化建設結合的產物，城市大腦的建設不僅是一個城市內部的事情，而且是通過互聯網大腦架構，在不同城市之間、不同國家之間形成互聯互通、協同工作。

城市大腦定義突出了城市大腦建設的兩個核心：城市神經元網絡和城市云反射弧。一個作為程序單元連接城市的人、智能機器和智能程序，一個作為技術鏈條用來解決城市的各種問題和需求。筆者突出這兩點是希望可以幫助建設者抓住城市大腦的核心，說明所有的前沿科技包括物聯網、云計算、5G、大數據、人工智能、超級計算、數字孿生、區塊鏈、邊緣計算、知識圖譜等都是在為這兩個核心服務。

城市大腦的定義也提出城市大腦不僅是滿足城市管理者的需求，也不僅是滿足城市居民的需求，而是通過城市神經元和城市云反射弧同時滿足城市不同成員的需求。判斷一個城市大腦的頂層設計是否合理，需要從是否能為城市的高效率運轉，為城市各階層民眾提供靈活有彈性、動態進化、性價比合理的服務進行判斷。

城市大腦定義中的城市神經元是指在應用層為城市大腦涉及的每一個人、物、系統建立統一的程序單元，可以根據需求進行連接、組合、交互，從而實現跨部門、跨行業、跨地區的互聯互通。按照類腦的城市大腦框架，這些程序單元被稱為城市神經元，而眾多城市神經元結合在一起就形成城市大腦的基礎結構——城市神經元網絡。

城市大腦定義中的城市云反射弧是通過多種城市神經元的組合形成的技術鏈條，對應解決城市中的具體問題和具體需求。與腦科學的反射弧相同，城市云反射弧也包括感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神經和效應器五個部分。

目前產業界如何理解和建設城市大腦

2010年以來，世界性科技公司紛紛推出自己的“大腦”系統、包括谷歌大腦、百度大腦、訊飛超腦、阿里ET大腦、騰訊超級大腦、滴滴大腦、360安全大腦、華為EI智能體、IBM沃森系統、達闥科技的機器人大腦等。

在這些公司的支持下，2016年4月，杭州開始正式啟動城市大腦建設，以交通領域為突破口，開啟了利用大數據改善城市交通的探索，邁出了從治堵向治城跨越的步伐。[10]

此后，上海、海口、福州、北京、長沙、鄭州、合肥、寧波、深圳、呼和浩特等城市也都開展了泛城市大腦建設，到2021年，全國已經有近500個城市開始了城市大腦的建設或規劃。[11]

在建設的過程中，由于承建企業不同，每個城市在城市大腦建設中的主導思想不同，對城市大腦的認知、定義和建設方式也不盡相同。除了基于互聯網大腦模型的城市大腦定義外，還有如下7種對城市大腦的理解和定義。[12]

1.城市大腦要搭建的是整個城市的人工智能中樞，是一個對城市信息進行處理和調度的超級人工智能系統。

2.城市大腦是利用大數據、云計算、人工智能終端（物聯網）三個核心構件組合體，為城市交通治理、公共安全、應急管理、網格防控、醫療衛生、環境保護、城市精細化管理等構建的一個人工智能中樞。

3.城市大腦是以互聯網為基礎設施，基于城市所產生的數據資源，對城市進行全局的即時分析、指揮、調動、管理，最終實現對城市的精準分析、整體研判、協同指揮。

4.城市大腦是基于城市所產生的數據資源，實現數據互聯互通，對城市進行全局的即時分析，有效調配公共資源，不斷完善社會治理，推動城市可持續發展的新模式。

5.城市大腦是利用人工智能、大數據、物聯網等先進技術，為城市交通治理、環境保護、城市精細化管理、區域經濟管理等構建一個后臺系統，打通不同平臺，推動城市數字化管理。

6.城市大腦是支撐未來城市可持續發展的全新基礎設施，核心是利用實時全量的城市數據資源全局優化城市公共資源，即時修正城市運行缺陷，實現城市治理模式突破、城市服務模式突破、城市產業發展突破。

7.城市大腦是基于城市生命體理念，以系統科學為指引，將散落在城市各個角落的數據（ 包括政務數據、企業數據、社會數據、生態環境數據、互聯網數據等）匯聚起來，用云計算、大數據、人工智能等前沿技術構建的平臺型人工智能中樞。通過對城市進行全域的即時分析、指揮、調動管理，實現對城市的精準分析、整體研判、協同指揮，從而更加智能地管理城市。

產業界根據上述城市大腦的定義和理解，在不同城市開展了有益的探索，下面我們主要從杭州城市大腦、上海城市大腦和福州城市大腦的建設情況進行觀察。

杭州城市大腦建設提出了“531”的邏輯體系架構。“5”即“五個一”：打通“一張網”，一張確保數據無障礙流動的網;做大“一朵云”，將各類云資源連接在一起;匯聚“一個庫”，形成城市級數據倉庫;建設“一個中樞”，作為數據、各系統互通互聯的核心層;建強“一個大腦”，在全市實施統一架構、一體化實施。“3”即“三個通”：第一個“通”是市、區、部門間互聯互通;第二個“通”是中樞、系統、平臺、場景互聯互通;第三個“通”是政府與市場的互聯互通。“1”即“一個新的城市基礎設施”。“城市大腦”通過全面打通各類數據，接入各業務系統，實施融合計算，將為城市建設一個會思考、能迭代進化的數字化基礎設施。[13]

上海于2018年1月30日正式發布《貫徹落實〈中共上海市委、上海市人民政府關于加強本市城市管理精細化工作的實施意見〉三年行動計劃（2018～2020年）》（以下簡稱《三年行動計劃》）。《三年行動計劃》提出上海市要做強“城市大腦”和“神經末梢”。打造感知敏捷、互聯互通、實時共享的“神經元”系統;深化智慧治理，以城市網格化綜合管理信息平臺為基礎，構建城市綜合管理信息平臺，推進“城市大腦”建設。[14]

福州市于2019年9月17日發布城市大腦頂層設計綱要，基于國產自研、自主可控人工智能芯片的算力，通過開放城市創新應用場景，營造國內外企業共同參與建設的開放生態。福州城市大腦可概括為“一云一湖一生態”，即一個自主可控的AI算力云、一個融合共享的數據湖和一個開放創新的生態體系。其中，一個生態體系又包含了開放算法生態、場景應用生態和協同創新生態三個層面的含義。[15]

城市大腦建設目前存在的問題

作為一個新興的科技產業領域，不同企業、不同機構、不同研究者對如何理解城市大腦存在不同觀點。這種分歧一方面體現了城市大腦正處于新生萌芽狀態，展示出很強的生命活力;另一方面也意味著城市大腦的建設需要找到科學的理論基礎和發展框架，才能形成最大共識，避免智慧城市建設中的亂象。從基于互聯網大腦模型的城市大腦研究看，目前產業和地方政府建設的城市大腦還存在如下問題。

一是對城市大腦的理解局限在城市范圍。目前對城市大腦的理解還局限在城市范圍，沒有考慮到小到企業大腦、社區大腦、鄉鎮大腦、行業大腦、城市大腦，大到城市群區域大腦、省級大腦、國家大腦或世界神經系統之間的關系和內在統一規律問題。

事實上，上述諸多“大腦”得以出現的基礎是21世紀以來世界范圍互聯網大腦架構的形成，它們是在一個統一的框架下，在相同的原理支持下適應不同的場景。把城市大腦的理解局限在城市范圍，容易在未來城市內部和外部的一體化建設中形成城市大腦的應用孤島、行業孤島和區域孤島。

二是誤認為城市大腦只是城市的中樞神經。目前對城市大腦的“大腦”理解有偏差，誤認為是城市的中樞神經，導致城市大腦的實際建設重心偏移，建設成本高企不下。

基于互聯網大腦模型的城市大腦認為城市大腦的“大”與大數據的“大”含義相同，是結構和覆蓋范圍龐大的城市級類腦系統。各種前沿科技是作為腦結構中的各個神經系統聯合讓城市變得更智慧。而目前產業界對城市大腦的一種理解是認為其是城市的中樞神經，突出城市級人工智能系統對整個城市各領域信息的掌控和處理，這種理解產生的問題是，會忽視城市神經元網絡和城市云反射弧在城市大腦建設中的核心地位。

目前一些地方的城市大腦建設將大量成本和關注投入到城市中樞神經建設需要的服務器集群、中央機房、運營中心、數據中心等方面。實際上，只有當城市的各種關鍵要素包括人、設備、系統被連接到一個統一的城市神經元網絡中，并通過能夠直面問題的城市云反射弧運轉起來，由此產生的硬件設備、軟件系統、城市相關數據才會在運轉的過程中不斷積累、發展和壯大。將城市大腦看作是一個通過云反射弧機制拉動的類腦復雜巨系統，可以實現城市大腦建設的低成本啟動、發展過程循序漸進，符合自然界腦發育規律，從而避免盲目發展。

三是沒有關注城市神經元統一標準的重要性。雖然目前很多城市大腦的建設已經提出“一張網”“一網通辦””一個平臺”。上海、呼和浩特等城市大腦建設中也提出了發展神經元和神經末梢措施。但在具體的實施規劃中，總體還沒有形成城市一級、地區（省）一級、國家一級或世界一級完整的城市神經元網絡構建標準。

城市神經元對應的城市元素非常復雜，包括城市居民、城市管理者、城市服務人員、商業機構、政府機構、智能機器人、無人汽車、智能設備、攝像頭、傳感器、AI數據處理系統、AI安全系統，等等。

如何對城市神經元進行分類、形成標準、進行區分和識別，將是一個重要的基礎性工作。由于國家或世界統一的城市神經元網絡標準還沒有形成，由此各地建設的城市大腦還無法實現人、設備和系統的無障礙連接。未來更無法在世界范圍形成統一的城市問題解決機制。

四是沒有注意到城市云反射弧的核心意義。城市云反射弧機制是城市大腦基礎理論研究的產物，在理論預測中，它是城市大腦建設的真正核心，從某種角度來看它比城市神經元網絡還要重要。

這是因為建設城市大腦的目的是為了要解決城市各成員的各種問題，滿足各種需求，而直接對應這一目標的技術結構只有云反射弧機制，可以說一個城市有多少問題和需求，就需要有多少條城市云反射弧。

把城市大腦的建設中心放在城市云反射弧上，要求定向地對每一條城市云反射弧的運行效率、建設成本，是否合法合規、是否合乎道德倫理、是否在安全上有重大風險以及反射弧中涉及的人、機、系統協同共同機制是否合理等問題進行全面評估。

通過對一個城市的城市云反射弧進行記錄和管理，就可以將復雜的城市智能巨系統完全掌控在城市管理者手中。同時，通過城市云反射弧的建立和運行還可以拉動其他相關技術如大數據、物聯網、云計算、人工智能、數字孿生、數據中心、運營中心的應用。

城市神經元網絡的構建本質上也是為了支撐城市云反射弧的實現。幫助盡量多的城市云反射弧在同一個平臺上實現反射，實現線路、系統和設備的復用，并使得城市云反射弧伴隨城市神經元在世界范圍的標準化進程能夠平滑地向外擴張。

城市大腦全球標準九個研究方向的提出

城市大腦不僅僅是一個城市內部的系統，更是國家范圍、世界范圍內不同城市之間相互關聯的復雜智能巨系統。因此，構建城市大腦的標準不是某一個城市或一個國家的建設標準，而應該適用于全球各個城市的城市大腦建設。從互聯網大腦的定義和互聯網大腦模型中，可以看到其存在三個最重要的特點（見圖2）。通過這三個特點的分析可以為城市大腦的標準建設提供理論支撐。

第一個特點是類腦神經元網絡的建設與萬物互聯。與神經元網絡是人類大腦最重要的結構一樣，類腦神經元網絡也是互聯網大腦最重要的結構之一（如圖2所示），世界萬物都會映射到互聯網大腦的類腦神經元網絡上，世界萬物包括真實世界的人、設備、自然元素、虛擬世界的應用程序、控制系統、虛擬人工智能角色，每一個元素都應該在類腦神經元網絡中映射成一個神經元節點，通過這個神經元節點，世界萬物可以同步自己的信息與知識，運行屬于自己的功能程序。更為重要的是，世界萬物可以通過自己的神經元節點相互關注、相互通訊，實現互聯網大腦類腦神經元網絡的構成與激活。

第二個特點是云群體智能與云機器智能的雙智能中心控制。如圖2所示，數十億人類在互聯網大腦神經元網絡的映射構成了云群體智能，數百億設備在互聯網大腦神經元網絡的映射構成了云機器智能，這兩種智能類型聯合控制著互聯網大腦的運行。但因為互聯網大腦的形成是為人類提供服務，需要受控于人類，因此在這兩種智能聯合控制時，必須保證人類智能擁有最高的權限。

第三個特點是云反射弧的形成與信息的跨節點傳遞。隨著人類用戶、傳感器、云機器人、智能設備、類腦神經元網絡的加入，互聯網大腦模型的各神經系統逐漸完善起來。人類神經系統中一個非常重要的智能現象——反射功能在互聯網的大腦模型中也將出現，我們將互聯網大腦的這個反射過程稱為云反射弧。它是互聯網大腦成為一個復雜的類腦智能體，從而可以對世界外部和互聯網內部的信息刺激產生反應的關鍵。在具體實現上，與人類大腦的機制相同，互聯網大腦的云反射弧也需要不同種類的神經元之間形成聯動，將信息從一個神經元節點傳送到另一個神經元節點，再根據需求不斷向其他神經元傳遞。這種機制與當前的社交網絡點對點通訊是不一致的。

根據互聯網大腦模型的三個特征，2020年12月，筆者團隊發布了《城市大腦全球標準研究報告》[16]，提出城市大腦全球標準的9個方向，它們分別是城市大腦的頂層建設規范、整體技術架構、云反射弧機制、運行安全、城市神經元的種類劃分、識別編碼、空間位置編碼、功能結構和關系確定等，它們的關系如下（見圖3）。

研究方向1是城市大腦的三個頂層規范，主要內容是城市大腦的建設應該有統一的神經元節點技術框架（對應人類、設備和程序系統）;對于每個神經元節點應該遵循人機雙智能控制、人類權限最大的原則，避免城市大腦因為過于復雜而失控;通過跨節點信息路由機制實現城市云反射弧，直接面對城市問題和需求的解決。

研究方向2是城市神經元的架構標準，主要提出城市大腦神經元的結構可以有信息展示區、功能模塊區、智能控制區、神經元節點編碼、空間位置編碼等五個模塊組成。

研究方向3是城市神經元的分類標準，提出按照映射對象將城市大腦的神經元分為城市人類神經元、城市實物神經元、城市程序神經元、城市團體神經元四種類型。

研究方向4是城市神經元的空間位置編碼，主要是為在現實世界存在的各種人、實物和團體的定位提供支持，目前可以采用的方法有經緯度和海拔的組合，北斗導航網格碼等方法作為標準的候選方案。

研究方向5是城市神經元的全球身份編碼，主要作用是為城市神經元提供世界統一的身份編碼標準，為相互識別、互聯互通做支撐。城市神經元編碼包括分類標識位、人工編碼、歸屬編碼、時間戳和隨機數，允許使用者自動生成。但需要在中心化的驗證節點進行驗證，保證全球唯一性。

研究方向6是城市神經元的權限關系，提出城市神經元的權限關系包括：人機關系、人人關系、機機關系等;相互的管理關系包括控制、領導和平等關系等。

研究方向7是城市大腦全球體系的技術架構，提出城市大腦的總體技術框架標準可以采用中心化和去中心化結合的方式，這樣既能適應具有統一行政關系的場景，也能適應不同城市、不同國家行政主體互不隸屬時的場景。

研究方向8是城市大腦的云反射弧的結構和運行機制，主要針對城市運行中的各種需求和問題進行處理的技術鏈條如何形成進行了探討，提出可以參考神經科學的反射弧機制，即從感受器、傳入傳出神經、中樞神經、效應器等五個部分對城市云反射弧機制進行分析。

研究方向9是城市大腦的運行安全標準，提出城市大腦運行中出現黑客的攻擊、病毒的侵入、操作者的失誤、AI系統的BUG等問題。因此需要從感知節點、傳輸線路、決策中樞、運行數據、人機交互等多個角度對城市大腦運行安全進行保護。

新一代城市大腦的建設方法與步驟

城市大腦涉及數量龐大的因素和技術，對于如何建設城市大腦，不同企業和城市提出了不同的建設重點，譬如以大數據為核心、以5G為核心、以超級計算為核心、以人工智能技術為核心等。基于現有研究，科學的城市大腦建設方案應具備以下十個特征：構建基礎理論、適應復雜場景、突破地域限制、消除信息孤島、滿足民眾需求、降低建設成本、實現協同建設、體現人機融合、保持持續進化、對人類協同發展形成支撐。

如果回到城市大腦建設的初衷看，它的建設必然首先要解決城市的重要問題或滿足民眾的緊迫需求，各種技術必須作為整體形成技術鏈條一一對應解決城市的每一個問題和每一個需求。這個技術鏈條就是在前文中提到的城市云反射弧機制。

由此可知，在城市大腦的建設中城市云反射弧應處于第一核心位置，世界統一的城市神經元網絡處于第二核心位置。在此基礎上，可以形成“1+N”模式的新一代城市大腦建設方案（見圖4）：“1”是世界統一標準的城市神經元網絡，負責連通人、物和程序，為城市云反射弧提供統一的運轉基礎;“N”是N條城市云反射弧，旨在解決城市問題，滿足人民群眾的工作生活需求。

城市云反射弧的機制形成是拉動物聯網、云計算、大數據、人工智能、工業互聯網、邊緣計算、數字孿生等技術應用的關鍵動力;為了避免形成應用孤島，需要建設統一標準的城市神經元網絡將每一條城市云反射弧關聯起來。新一代城市大腦建設方案的最終目標是實現能夠為人類協同發展提供支撐的世界神經系統。

基于上述城市大腦建設方案的新框架和新特征，新一代城市大腦建設方案包含九個關鍵步驟（見表1）。

第一個步驟，確定誰是城市大腦的負責主體。這個步驟首先要確定實施城市大腦的負責主體是誰，這一主體將負責選擇和確定城市大腦的建設企業，負責提出建設城市大腦要解決哪些問題，負責監督城市大腦運行的安全性、穩定性和連續性。城市大腦作為互聯網大腦架構的一部分，根據其覆蓋和管理的范圍大小，又可以變形成不同尺度的“大腦系統”，確定誰是城市大腦的負責主體，可以明確根據管轄的范圍和職責對城市大腦進行規劃。

第二個步驟，建設城市大腦要解決什么問題，如何排序？任何一項技術最終都是要為人類服務，城市大腦作為一個綜合各種前沿技術的復雜智能工程系統，能夠在不同尺度解決城市各成員的問題，相對于之前的傳統的單一技術，城市大腦面臨的是異常復雜的應用場景，不但層級眾多，面臨的需求和問題數目也將是一個天文數字。如何從海量的城市問題和需求中篩選出需要城市大腦重點解決的問題，將是城市大腦建設中非常重要的一步。作為一個影響廣泛的大工程系統，到底能夠解決哪些關鍵重要問題，將是城市成員和決策部門評價建設城市大腦的基礎。

第三個步驟，針對每個待解決問題如何設計相應的城市云反射弧方案？諸多前沿技術需要形成一個整體技術鏈條進行應對。在腦科學中，反射弧是各個神經系統聯合工作幫助生物應對世界帶來的挑戰，同樣在面對城市發展和民眾需求帶來的挑戰時，城市大腦的建設也需要首先考慮如何將每個問題和需求與具體的城市云反射弧對應起來。可以按照神經科學的類感受器、傳入神經、神經中樞、傳出神經、效應器五個部分對涉及的技術、設備和人員進行分析，并形成初步的城市云反射弧方案。

第四個步驟，如何評估城市云反射弧初步方案？在設計城市大腦的云反射弧機制時，會面臨諸多不確定性因素，例如，當前的技術發展成熟度能不能滿足需求方的要求;建設云反射弧預估費用是否與城市預算匹配;在云反射建設和運行過程中會涉及到哪些法律問題、社會倫理問題，等等。因此，在完成第三個步驟后，城市大腦建設負責主體需要組織包括技術專家、法律專家、政府官員、大數據專家、管理專家、科技哲學專家的評審團，從技術成熟度、建設成本、法律許可、數據支撐度、方案合理性、潛在危險性等多個角度對城市云反射弧進行評估和打分，形成評估結果供城市大腦建設的決策者參考使用。

第五個步驟，如何規劃城市云反射弧涉及到的重要城市神經元？在對城市云反射弧進行評估后，需要對這條城市云反射弧所涉及到的人、智能設備、智能系統如何形成城市神經元進行規劃。包括預估涉及人、智能設備、智能系統的數量，有哪些人、智能設備、智能系統在這條城市云反射弧中是重要城市神經元，該條城市云反射弧遵循怎樣的城市神經元建設標準等。如果沒有統一的城市神經元標準，每條城市云反射弧都將是一個技術和信息孤島，無法和其他云反射弧共用資源、共享信息、相互協同，更無法實現企業間、產業間、社區間、城市間、國家間的互聯互通、協同工作。

第六個步驟，設計可實施的城市云反射弧方案并開始建設。在經過上述5個步驟的準備后，即城市大腦負責主體的確定、城市問題和需求的提出、對應城市云反射弧的初步設計、對應城市云反射弧的神經元標準設定、對應城市云反射弧初步方案的綜合評估等，確定建設該城市云反射弧或若干云反射弧后，參與規劃和設計的建設方可以在城市云反射弧的初步設計方案基礎上完成可實施的城市大腦云反射弧建設方案，并開始實施。

第七個步驟，如何對已建立的城市云反射弧進行質量評估和持續監控？在城市云反射弧建設完成后，可以從項目完成時間、項目建設成本、該條云反射的反射時間和反射弧運行質量是否符合規劃等方面進行綜合檢查，對于已建成開始運轉的城市云反射弧，建議從每一條城市云反射弧的負責人、災備方案、運行狀態等方面持續評估和監控。城市大腦的需求方建立管控中心、運營中心，應以能有效監督每一條城市云反射弧的運行是否正常作為建設的重心。

第八個步驟，如何通過云反射弧的共性發現每個城市的建設重點？根據不同城市的特點，在云反射弧的拉動下，動態確定建設重點。由于每個城市經濟狀況、自然狀況、居民狀況都不盡相同，城市大腦要解決的問題也就不可能一樣。對應建立的成千上萬的城市云反射弧開始規劃時，通過聚合效應產生的城市大腦各神經系統建設重心也會出現巨大差異。例如，如果對數據傳輸的數量和質量要求比較高，這個城市的神經纖維就要特別發達，對5G、光纖、衛星通訊等技術需求大;如果需要有大量的AI技術和管理人員協同做決策，就要求這個城市的中樞神經發達，運營和管理中心需要重點發展。

第九個步驟，如何實現城市大腦建設的信息公開共享，技術持續進化？一個城市的城市大腦建設首先是為城市所有成員服務，滿足他們的各種需求。因此，城市大腦建設確定要解決的問題列表、實現技術方案和建設成本后應該向社會公布（法律法規要求保密的除外），接受城市成員和社會的評估和監督;同時，城市大腦的建設并不是一個城市內部的事情，而是世界技術生態的一部分，它的建設無論在技術還是建設經驗上都是屬于全人類的財富。世界各個城市的城市大腦建設既有各自特點，也有很多共性，通過城市大腦建設涉及的相關知識的共享，可以極大地推動世界范圍城市大腦的快速發展。

城市大腦的未來發展趨勢

近50年來，IT相關的智能產業有三次重要的標準制定機遇，第一次發生在互聯網產生之初，大部分聯網的計算機相互之間并不兼容。在一臺計算機上完成的工作，很難拿到另一臺計算機上去用。1974年，美國科學家卡恩與瑟夫共同開發了TCP/IP協議[17]，這個協議為每一臺運行在互聯網的設備制定了訪問地址，同時為不同的計算機，甚至不同類型的網絡間傳送信息包制定了統一的標準。所有連接在網絡上的計算機，只要各自遵照這兩個協議，都能夠進行通信和交互。TCP/IP的產生也為21世紀之后傳感器、機器人、無人機、智能汽車等智能設備平滑、無障礙地進入互聯網奠定了基礎，為物聯網、邊緣計算、云機器人、工業互聯網特別是城市大腦的建設提供了技術保障。

第二次發生在互聯網誕生20年后，到1989年，互聯網已成長為世界科技、軍事、政府機構中信息共享的巨大網絡，但由于技術架構的問題，互聯網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家伯納斯·李選擇了超文本鏈接標示語言（HTML）作為實現互聯網信息共享的鑰匙[18]。當互聯網信息用互相鏈接的超文本格式編寫時，就可以與其他服務器的信息進行相互引用和共享。萬維網標準的制定對后續的科技生態產生了巨大影響，包括21世紀出現的云計算、大數據等都與萬維網有關，甚至區塊鏈的產生在某種程度上也可以說是為對抗萬維網引發的互聯網中心化趨勢。

第三次則發生在互聯網誕生50年后，隨著互聯網從網狀結構向類腦模型不斷演化，大量新的技術不斷出現，同時直接為人類服務的各種網絡應用層出不窮，包括各種消費級網絡應用、行業級網絡應用、政府類網絡應用。由于存在企業壁壘、行業壁壘、地區壁壘、國家壁壘，這些網絡應用同樣出現了各種孤島現象，因為各種原因同樣無法互聯互通。應該說城市大腦的出現本質上是解決網絡應用層的孤島問題。首先從一個城市開始，將各種服務于人類社會的應用打通，使得城市作為一個整體為城市各階層民眾服務。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城市大腦并能夠互聯互通，一個應用層的大統一架構——世界神經系統將逐步形成。

城市大腦的未來發展還有很多工作需要完成，譬如世界范圍統一的城市神經元標準還未真正建立;人、設備和系統在城市大腦和世界神經系統中的角色和權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自由實現的云反射弧機制還未形成。應該說到2021年，城市大腦依然還處于萌芽階段，需要不同領域的專家、企業家、政府決策者不斷實踐和創新，共同推動城市大腦的發展。

作為城市大腦發展的最終形態，世界神經系統將為人類社會的協同發展，構建起全球統一的類腦智能支撐平臺，實現對世界的認知、判斷、決策、反饋和改造，共同應對來自大自然的各種挑戰和風險，滿足人類社會的各種需求。城市大腦的建設，世界神經系統的形成最終將為實現人類命運共同體構筑重要的全球性技術基礎。

（本文系國家自然科學基金支持項目研究成果，項目編號：No.91546201、No.71932008）

注釋

[1]盤和林：《讓城市更聰明一些、更智慧一些》，《中國建設報》，2021年2月3日。

[2]殷云：《全國人大代表胡成中：建議加快智慧城市建設，打造“城市大腦”》，http：//news.chinaxiaokang.com/dujiazhuangao/20200522/968293.html，2020年5月22日更新。

[3]劉鋒、呂本富：《城市“腦梗” 當前城市大腦面臨的困境》，http：//www.chinajsb.cn/html/202010/21/14567.html，2020年10月21日更新。

[4]劉鋒、彭賡：《互聯網進化的趨勢與規律》，《科技論文在線》，2008年第9期，第32頁。

[5]劉鋒：《互聯網進化論》，北京：清華大學出版社，2012年，第124頁。

[6]李云杰：《IBM轉向“智慧地球”》，《IT經理世界》， 2009年第6期，第30～32頁。

[7]李德仁、龔健雅、邵振峰：《從數字地球到智慧地球》，《武漢大學學報（信息科學版）》，2010年第35卷第2期，第127～132頁。

[8] 曲延春：《數字政府建設中信息孤島的成因及其治理》，《山東師范大學學報（社會科學版）》，2020 年第 65 卷 第 2 期，第125～132頁。

[9]劉鋒：《基于互聯網大腦架構的智慧城市建設探討》，http：//blog.sciencenet.cn/blog-39263-858170.html，2015年1月10日更新。

[10]陳衛強：《杭州城市大腦的實踐與思考》，http：//theory.people.com.cn/n1/2019/0908/c40531-31342597.html，2019年9月8日更新。

[11]唐奇云：《全國500多個城市想建“城市大腦”》，http：//www.cnr.cn/shanghai/tt/20190331/t20190331_524562061.shtml，2019年3月31日更新。

[12]中國國家信息中心：《城市大腦建設目標選擇、方法與路徑——城市大腦規劃建設與應用研究報告》，2021年4月13日引用。

[13]智慧交通：《杭州城市大腦全面升級，打造“531”體系》，https：//www.sohu.com/a/327556374_649849，2019年7月17日更新。

[14]史博臻：《上海城市管理精細化“三年行動計劃”實施滿一年 “成績單”發布》，https：//new.qq.com/omn/20190808/20190808A0E14Z00.html，2019年8月8日更新。

[15]《福州要建全國首個自主開放城市大腦》，《福州日報》，http：//www.fuzhou.gov.cn/gzdt/rcyw/201909/t20190915_3038878.htm，2019年9月15日更新。

[16]中國科學院虛擬經濟與數據科學研究中心：《城市大腦全球標準研究報告》，2020年12月23日。

[17]Stevens， W.R.， TCP for Transactions， HTTP， NNTP， and the UNIX Domain Protocols， Beijing： The People's Posts and Telecommunications Press， 2010， pp. 1-1.

[18]王善平：《實現超文本夢想的萬維網——2016年度圖靈獎簡介》，《科學》，2017年第6期，第36～39頁。

責 編/馬冰瑩