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城市大脑从起源到终极状态的7个阶段

已有 955 次阅读 2020-7-13 20:31 |系统分类:科研笔记

作者:刘锋 刘朝晖


0.序言

21世纪以来,前沿科技领域出现诸多“大脑”概念,如谷歌大脑,百度大脑,阿里大脑,360安全大脑,腾讯超级大脑等,城市大脑,城市神经网络,工业大脑,航空大脑,互联网大脑、社会脑,全球脑等。其中城市大脑的出现引起了政府。学术界和产业界的高度重视。并在很多城市开始推动。

到2020年,在中国已经有近500个城市启动“城市大脑”建设计划,成为当前新型智慧城市建设的热点。其中包括杭州、上海、北京、福州、郑州、铜陵、广州等等城市。建设规模已经超过数百亿资金。

在产业界,腾讯推出“”WeCity未来城市”和城市超级大脑”,阿里推出”阿里ET城市大脑“”,华为提出“城市神经网络”、科大讯飞提出“城市超脑”,360提出“”城市安全大脑“”[2],利用企业的技术优势与智慧城市建设结合,形成不同风格和特点的城市大脑建设方案。在产业界,主要认为城市大脑是“基于云计算、物联网、大数据、人工智能等技术,支撑城市运行生命体征感知、公共资源配置优化、重大事件预测预警、宏观决策指挥的数字化基础设施和开放创新平台。”

在研究领域,2015年,本文作者在论文《基于互联网大脑架构的智慧城市建设探讨》提出城市大脑的学术定义,认为在过去50年,互联网从网状结构进化成为大脑结构[5]并与智慧城市建设结合,是城市大脑产生的根源,如图1所示。

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段


图1. 互联网大脑模型

由此本文认为,城市大脑是随着互联网类脑化和城市智能化的深度发展,智能单元广泛应用、全面连接,并在与人类社会的持续互动过程中自组织形成的类脑系统。城市大脑系统最终将具备城市中枢神经(云计算),城市感觉神经(物联网)城市运动神经(云机器人,无人驾驶、工业互联网),城市神经末梢发育(边缘计算),城市智慧的产生与应用(大数据与人工智能),城市神经纤维(5G、光纤、卫星等通讯技术)。在上述城市类脑神经的支撑下,形成城市建设的两大核心:第一是城市神经元网络,实现城市中人与人,人与物,物与物的信息交互。第二是城市大脑的云反射弧,实现城市服务的快速智能反应。云机器智能和云群体智慧是城市智慧涌现的核心动力。这样基于互联网大脑模型的城市类脑架构称之为城市大脑”。

从概念层次来说,这种作为复杂系统的城市大脑,其演化和形成符合自然界进化的普遍规律,也将是各种概念上城市大脑的最终目的地,而我们过去和今天的各种实践和探索终将成为城市大脑进化过程中的一部分。当我们洞察这种规律,就能够以更简单和更有效的方式来诱导和激发进化的过程。

按照复杂系统形成的条件,对于城市大脑的最终形成来说,众多的智能元素、全面的连接、海量的与人类社会之间的互动、无序性,以及大量的反馈机制构成了关键因素。基于此,2020年,《城市大脑与超级智能城市建设规范研究1.0》进一步提出了城市大脑发展的三个顶层规范,分别是:1)能够连接人,物,设备和系统的统一的城市类脑神经元技术框架;2)每一个城市类脑神经元要实现人机双智能控制,但保持人类控制权最高;3)通过信息路由技术实现城市云反射弧,满足城市的各种需求[6]。

通过对城市大脑三个顶层规范实施难度和成熟条件的预判,结合城市发展历史和现代化进程,我们对城市大脑从产生到成熟并到达最终形态,划分了七个阶段,如表1所示。

表1 城市大脑发展的7个阶段

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段



1.第一阶段,城市大脑的史前阶段(6000年前--2009年)

城市的起源可以上溯到6000年前以前,考古学证明最早的城市起源于美索布达米亚平原,但城市产生以后并不是从一个地方扩散的,而是在不同地域产生后各自传播,这就是城市产生的多元学说。

人类第一个城市——埃利都的城市围墙长达9.5公里以上,人口估计约为5万。城市的出现,是人类走向成熟和文明的标志,也是人类群居生活的高级形式。

城市的智慧程度是伴随人类科技和文明的进步发展起来的。18世纪中叶开始的工业革命,城市迎来了一个崭新的发展时期。作为工业化原动力的各种原料产地,特别是煤炭、沿海地区,资本、工厂、人口的迅速集中,形成了人口集中、密度高、工业发达的城市[7]。

到1980年世界城市化水平为39.6%, 2000年达到46.6%,这个时期城市现代化的标志,包括城市内部与城市之间的分工与协作;基础设施高能化;道路、交通(国内与国际)、通讯、供排水、供电、供气等现代设施的灵敏化;城市管理工作的信息化等。最终,如同最早的单细胞生物体开始感知和反馈世界,城市也开始形成一些简单的感知和反馈机制。

2.第二阶段,城市大脑的混沌阶段(2009年-2015年)

2009年1月,IBM公司首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”,由此延伸的智慧城市概念极大推动了世界各个国家的城市现代化进程。城市大脑开始在局部产生神经核团,实现对部分城市功能的中心化智能化组织和调控。

“智慧地球”战略提出:IT产业下一阶段的任务是将新一代IT技术充分运用到各行各业之中,智慧城市就是基于智慧地球建设的大框架下,城市的智慧化建设方案。将新一代IT技术充分运用到城市建设之中[8]。

此后智慧城市迅速在中国成为城市建设的热点,近千个城市宣布了自己的智慧城市建设计划。但是这个阶段智慧城市的发展方向并不明晰,存在很多概念模糊的问题。一些专家认为智慧地球和智慧城市是把很多新的信息技术打包到城市建设的筐里,并没有统一的建设规划指导。出现盲目炒作、顶层设计缺乏、基础不扎实等问题,

在实施的过程中,由于行业利益,部门利益的存在,住建部原副部长仇保兴指出:一些“智慧城市”方案不能解决任何一种城市病,有的是被IT企业“绑架”,成为企业推销产品的渠道;有的是被政府部门“绑架”,部门间形成信息孤岛互不往来;还有不少则是“忽悠”,更有甚者,有些地方的“智能城市”从规划上就是错的。总体这个阶段,城市大脑概念还没有浮现出来,智慧城市还存在很多概念和实施上的问题[9]。

3.第三个阶段 城市大脑的萌芽阶段(2015年-2021年)

2015年,《基于互联网大脑模型的智慧城市建设》提出了城市大脑的类脑智能巨系统特征的定义。这篇文章认为在过去的近50年时间里,互联网逐步从网状结构发展成为大脑模型。互联网类脑架构与智慧城市建设结合是城市大脑产生的根源,城市大脑除了具备中枢神经,视觉,听觉,感觉,记忆神经之外,最重要的是城市类脑神经元网络和城市云反射弧建设。

2016年开始,阿里,百度,腾讯,华为,科大讯飞等提出了自己的泛城市大脑计划,包括阿里的ET城市大脑,百度城市大脑,腾讯未来城市(Wecity),华为城市神经网络,讯飞超脑等。

在这些科技企业的支撑下,到2020年,中国数百家城市启动了城市大脑工程。包括杭州,上海,北京,福州,铜陵,重庆,贵州,深圳等。在产业界,认为城市大脑是““基于云计算、物联网、大数据、人工智能等技术,支撑城市运行生命体征感知、公共资源配置优化、重大事件预测预警、宏观决策指挥的数字化基础设施和开放创新平台。”

这个时期产业实施的城市大脑方案与学术研究理论推导的城市大脑方案并不相同,类脑神经元网络和城市云反射弧建设还不是建设的重点。主要是依托人工智能技术对城市的数据和信息进行管理的城市级人工智能系统。为了方便城市领导者掌握和管理城市信息,还建立了城市管理者“驾驶舱“”[10],这时建设中的城市大脑方案与互联网大脑的关系如用图2表示。

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段


图2 当前产业界建设的城市大脑特征示意图

从互联网大脑的架构图中可以看出,这个时期推进的城市大脑项目主要建设了巨型神经元控制下的城市人工智能中枢系统,因此这个阶段也可以称为城市大脑的AI巨型神经元建设阶段。城市更多元素还没有纳入到城市大脑的框架中。由于没有统一的建设标准,不同企业,不同城市建设的城市大脑依然存在信息孤岛或智能孤岛的问题。不但城市内的人,物,系统不能完全打通,不同城市之间的城市大脑也无法连接。这种情况可能为未来的城市大脑发展带来隐忧和额外成本。

4.第四个阶段,城市大脑的连接阶段(2021-2045)

神经元网络是生物大脑最重要的结构,同样建设城市大脑的神经元网络也是最重要和最基础的工作。这也是城市大脑第三阶段缺失的地方。因为没有统一的神经元技术标准。城市内部的居民,设备,系统无法关联起来,更为重要的是城市之间的城市大脑也无法有效的连接。从起源看,城市大脑作为互联网大脑的子集,通过互联网大脑,城市大脑之间也应该形成统一的标准,可以进行信息互动。

因此如何建立统一的城市神经元框架标准并展开实施就成为城市大脑第四阶段最重要的任务,城市类脑神经元网络的建设一方面能够为城市中每一个元素,包括大楼,路灯,汽车,燃气管道,城市的居民,医生,商业机构,市政管理人员(市长),服务交通,医疗,安全的智能系统 等提供一个统一的神经元节点空间,如图3所示。

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段


图3 城市神经元结构图

在这个节点空间里,人,物,系统可以将自己的信息进行映射同步,可以运行相应的管理控制程序,通过这个节点空间实现,人与人,人与物,物与物,人与系统,物与系统,系统与系统的相互关注与信息交流。

2020年研究报告《城市大脑与超级智能城市建设标准研究》提出在城市神经元节点中应该有5个重要的组成部分,分别是;

1) 信息展示区,对映射对象发布的信息进行显示的权限控制

2) 功能模块区,根据不同的映射对象需求提供不同的功能模块

3) 智能控制区,对信息展示和功能模块进行管理的区域,要求同时允许人类和AI控制

4) 神经元节点编码,对所有的城市大脑神经元节点进行统一的编码

5) 空间位置编码,对所有城市大脑神经元节点所处的地理位置和海拔高度进行统一的编码,标注其位置(如果是网络智能系统,空间位置将为0)

当每个城市神经元节点具有了统一的技术结构,节点编码,和地址编码,这样才能保证符合城市大脑是互联网大脑的子集,各城市大脑可以通过互联网大脑架构实现相互协同合作的发展规律与目标。

如何构建城市神经元的技术标准,如何在不同城市之间,不同国家之间形成共识并开始推进,一定是一个漫长和困难的过程。因此城市大脑第四阶段预计会持续10年或数十年的时间。一部分前瞻的城市如上海市已经重视城市神经元的建设,提出在城市布控百亿传感器的城市神经元。

5.第五阶段,城市大脑的分权阶段(2023年-2045年)

构建世界统一的城市神经元技术标准,目标是把城市,国家乃至世界范围的人,智能设备,智能系统连接起来,数十亿人类和数百亿智能设备和系统通过互联网大脑架构形成自然界前所未有的超级智能形式。

作为子集,城市大脑也将连接百万级人口和上亿级的智能系统,这其中既有人与人的关系,也有人与机器(系统)的关系,机器(系统)与机器(系统)的关系,这时城市大脑需要重点解决这三种关系的权限分配问题:也就是机器(系统)与机器(系统)的权限分配问题,人与人之间的权限分配问题,人与机器(系统)权限分配的问题,应该说这是一个非常复杂,同时工作量也会异常庞大的工作,如图4所示。

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段


图4 城市大脑权限分配示意图

第一个机器(系统)与机器(系统)的权限分配问题,可以按照具体场景,对涉及的机器权限进行分配,在城市大脑第三阶段中,一些城市建设的城市大脑重点发展了城市级AI巨型神经元,这类神经元的权限在城市大脑中事实上已经处于较高级别。

第二是人与人之间的权限分配问题,一种最简单的方法是将人类的社会关系映射进来,包括部门和单位的领导下属关系,城市管理者与居民之间的服务被服务关系,国家与地区领导者之间的管理和被管理关系等。

第三是人与机器(系统)权限分配的问题。2020年研究报告《城市大脑的建设标准研究》提出任何一个城市神经元,可以实现人类和机器双智能控制,但要求必须有一个人类用户的权限最大,这个规则的设定也符合钱学森在“开放复杂巨系统”理论中提到的“人机结合,以人为主”的原则。这项规则的提出也是为了保证在大尺度的城市大脑和互联网大脑上,人类智慧超过机器智能的权限,避免全部交给机器和AI系统进行决策导致的失控现象。在具体实施中,如果在特殊场景下,一些城市神经元系统需要执行AI或机器智能的控制权超过人类用户,这是需要做严格的专家评估、详细的数据记录和责任人的明确。

6. 城市大脑的反射弧阶段(2025-2045)

我们知道反射弧是生命智能体展现智能的重要功能[12],同样当城市的人,设备,物,系统都被链接到类脑神经元网络中,完成人人,人机,机机的权限分配后,城市的大量的需求就可以基于城市云反射弧实现,从感知城市的需求到中枢神经处理,最后反馈到现场执行,形成一条条城市大脑的云反射弧,它是城市大脑最终可以对城市的各种问题、需求、任务产生反应、做出决策、开展行动进而解决问题的关键,如图5所示。

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段


图5 城市大脑神经反射弧示意图

应该说一个城市将有大量需求可以通过云反射弧的机制得以实现。例如一次通过智能手机实现的出行打车,一次通过云端实现的购物活动。一次通过烟雾传感器引发的灭火行动等,

因此当以互联网类脑架构为基础的城市大脑不断成熟后,根据城市的不同需求,建立和配置云反射弧机制将是这个阶段的重点工作,其中包括医疗云反射弧,交通云反射弧,购物云反射,交通云反射弧,防火云反射弧,金融云反射弧等等等等。

除此之外,城市居民,企业,政府机构在这个机制下承担怎样的角色?跨越城市之间的地区级云反射弧如何协调?不同的技术和科技企业在这个过程中如何支撑?这些问题也需要在发展中不断得到解决。

7.城市大脑的世界脑阶段(2045-)

城市大脑本质上是互联网向类脑架构进化时与智慧城市结合的产物,它既是互联网大脑架构的子集,也是互联网大脑架构的重要组成部分,当各个国家的城市大脑走向成熟和连接后,世界范围的互联网大脑技术框架也就必然走向统一和成熟,如图6所示。

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段


图6 基于互联网大脑模型的世界脑示意图

历史上很多人独立揭示了社会可以看作为神经系统有机体的概念。例如认为国王是头、农夫是脚的观点,至少可以追溯到古希腊人和中世纪。

英国哲学家赫伯特·斯宾塞在1876年发表了著作《社会是一个有机体》,详细比较了动物神经系统和人类社会的特征。1936年,英国科幻作家赫伯特·乔治·威尔斯(H. G. Wells)出版了《世界脑》。提出世界脑就是构建一个世界规模的庞大知识库。

美国传媒学家麦克卢汉1964年出版的《理解媒介》对社会与脑的关系做了这样的描述,“在过去数千年的机械技术时代,人类实现了身体在空间中延伸;在一个多世纪的电子技术时代,人类已在全球范围延伸了自己的中枢神经系统并进一步在全球范围扩展”。

1983年,英国哲学家彼得·罗素(P.Russell)撰写了《地球脑的觉醒——进化的下一次飞跃》,对麦克卢汉的观点做了近一步延申和明确,他提出人类社会通过政治、文化、技术等各种联系使地球成为一个类人脑的组织结构,也就是地球脑或全球脑。

中国科学家钱学森在1990年提出了“开放的复杂巨系统”及其研究方法,把科学理论、经验知识和专家判断统一起来,把各类信息和数据与计算机软硬件系统结合起来,构成人机结合、以人为主的系统,对事物反复进行定性与定量的分析和综合,最终从整体上研究和解决问题。

中国科学家史忠植在人工智能导论中提出“互联网已成为人们共享全球信息的基础设施,在互联网的基础上通过全球心智模型World Wide Mind(WWM) 就可以实现全球脑 World windBrain。”.

在过去50年的时间里,种种迹象表明,互联网正在不断从网状架构发展成为大脑模型。而城市大脑是互联网形成大脑模型最重要的基石之一,通过城市大脑连接城市的居民、设备和智能系统,进而形成国家级大脑,最终实现世界脑(World wide Brain)。这是城市大脑发展的最终形态。城市大脑经过的第四,第五,第六阶段也将使得基于互联网大脑模型的世界脑,作为整体实现对世界的认知、判断、决策、反馈和改造。

7. 总结

从互联网大脑的发展和与产业结合的趋势,伴随着互联网大脑模型的扩张和应用范围的扩大,产业分别出现企业大脑,城市大脑,国家大脑,全球脑,太阳系或银河系大脑。也就是说城市大脑的终点世界脑并不会局限在地球的范围内,而是随着人类在月球,火星建立基地,这个世界脑的范围会从地球不断扩张到太空深处。这已不在是科幻的想象,而是在未来已经可以实现的目标,如图7所示。

城市大脑从起源到终极状态的7个阶段


图7 城市大脑的发展示意图

本文对城市大脑的发展阶段进行了划分和阐述,目的是为产业界和城市管理者提供一种了解城市大脑的发展趋势的模型和工具,应该说这种划分并不十分严谨,对于未来还属于一种推测。但目标是为产业界和城市管理者提供一种了解城市大脑的发展趋势的模型和工具,通过判断当前城市大脑的状态和不足,为后续发展做出提前判断和准备。而且随着城市大脑建设和研究的深入,7个阶段划分的时间边界应该会不断调整适应产业的发展。

作者:刘锋 , 刘朝晖 本文2020年7月正式在杂志发表




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