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从城市大脑到世界数字大脑, 构建人类协同发展的超级智能平台

已有 799 次阅读 2021-12-28 13:28 |系统分类:科研笔记

(作者: 刘锋 本文2021年12月发表于中国建设信息化)


一.世界数字大脑产生的背景

世界数字大脑与城市大脑的产生均与一项基础科学的规律性研究有关,21世纪以来,前沿科技领域涌现大量新技术、新概念,包括物联网、云计算、大数据、工业互联网、云机器人、区块链、数字孪生、谷歌大脑、百度大脑,城市大脑、工业大脑等。一个重要的问题是,为什么本世纪智能产业领域出现如此多技术,它们之间的关系是什么?

2008年以来,种种迹象表明,互联网正在从网状向类脑结构演化,从而形成互联网大脑模型,各种前沿科技可以看做是互联网大脑中各神经系统发育的产物,例如云计算对应中枢神经系统;物联网对应感觉神经系统;云机器人对应运动神经系统;边缘计算对应神经末梢;大社交网络对应类脑神经元网络;移动通讯和光纤技术对应神经纤维等。


图1 互联网大脑模型发育图

互联网大脑模型与各个领域结合也不断产生新的成果,与科技企业结合产生了谷歌大脑、百度大脑、阿里ET大脑、360安全大脑;与产业结合形成了工业大脑、农业大脑、航空大脑等。与智慧城市建设结合形成了城市大脑;与智慧社会的构建结合就可以形成世界数字大脑(WDB)或世界数字神经系统(WWNS)。


二.从城市大脑到世界数字大脑的演化

2015年以来城市大脑成为科技产业和智慧城市领域的新热点,目前已经有近500个城市开展了城市大脑的规划和建设,有数千家企业参与到城市大脑的建设。

从2020开始,包括浙江、上海、安徽、广东、四川等省和直辖市,开始省一级规划城市大脑、数字政府和数字化转型。中国在国家一级也开始推动一网通办,数据一体化建设等项目,这说明人类社会与类脑的前沿科技生态结合,已经逐步从城市大脑上升到省和国家层面。并将继续向世界范围扩展。

从世界范围的科技生态发展看,过去60年出现了三次重要的全球性技术构建机遇。1974年诞生的TCP/IP技术,解决了硬件孤岛问题,实现硬件层(计算机和各种硬件设备)的互联互通问题,1989年诞生的万维网,解决了数据孤岛问题,实现了网络数据层互联互通问题,到2021年,世界在网络应用层出现地区、行业、产业、机构等不同类型的应用孤岛,为了解决这个问题,就需要在网络的应用层实现世界人、设备、系统的万物互联与万物交互。快速灵活的应对人类社会面临的各种复杂场景与需求。这样一个新的全球化的智能系统如果基于互联网大脑模型进行构建,就可以称为世界数字大脑(WDB)。


二.世界数字大脑的定义与技术特征

因此世界数字大脑(系统)可以看做是互联网大脑模型与智慧社会结合的产物,是在世界范围的网络应用层形成的一个类脑复杂智能巨系统。

在人类智慧和机器智能的共同参与下,在物联网、大数据、人工智能、边缘计算、5G、云机器人和数字孪生等前沿技术的支撑下,数字神经元网络和云反射弧将是世界数字大脑建设的重点。

世界数字大脑的作用是提高人类社会的运行效率,解决人类社会发展过程中面临的复杂问题,更好地满足人类社会的不同需求。世界数字大脑在系统演化上将通过城市大脑向省级大脑、国家大脑扩展并最终全球化逐步完成。

世界数字大脑的目标是构建人类协同发展的全球化智能系统,为人类命运共同体的实现提供技术支撑,世界数字大脑的系统结构如图1所示。

图2 世界数字大脑系统结构图

基于互联网大脑模型研究,世界数字大脑可以形成1+N模式的技术特征。

其中1是建世界统一的数字神经元网络,为世界范围的人、物、系统建立映射的程序单元,使它们可以根据需求进行连接、组合、交互,从而实现跨部门、跨行业、跨地区的互联互通。

N是指建立N条不同种类、不同范围、不同功能的云反射弧技术机制,将不同的数字神经元按照脑科学的反射弧机制形成协同工作的技术链条,解决城市、地区、行业、乃至人类社会面临的问题和需求。世界数字大脑的每一条云反射弧都包括了感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器等五个部分


三.世界数字大脑的技术实施路径

在具体的技术实施路径上,构建世界数字大脑(系统)可以分为九个方向,它们相互独立但也都是一个整体架构的有机组成部分:

第一个方向是构建世界数字大脑的三个顶层规范,包括统一的数字神经元节点技术框架;遵循人机结合、人类权限最大原则通过跨节点信息路由机制实现云反射弧机制等

第二个方向是数字神经元的架构标准,主要提出数字神经元的结构可以有信息展示区、功能模块区、智能控制区、神经元节点编码、空间位置编码等五个模块组成。

第三个方向是数字神经元的分类标准,提出按照映射对象将数字神经元分为人类神经元、实物神经元、程序神经元、团体神经元四种类型。

第四个方向是数字神经元的空间位置编码, 主要是为在现实世界存在的各种人、实物和团体的定位提供支持。

第五个方向是数字神经元的全球身份编码,主要作用是为数字神经元提供世界统一的身份编码标准,为相互识别、互联互通做支撑。。

第六个方向是数字神经元的权限关系,提出数字神经元的权限关系包括:人机关系、人人关系、机机关系等;相互的管理关系包括控制、领导和平等关系等。

第七个方向是世界数字大脑(系统)的技术架构,提出世界数字大脑的总体技术框架标准可以采用中心化和去中心化结合的方式。

第八个方向是世界数字大脑的云反射弧的结构和运行机制,主要针对世界数字大脑运行中的各种需求和问题进行处理的技术链条如何形成进行了探讨,提出可以参考神经科学的反射弧机制。

第九个方向是世界数字大脑的运行安全标准,提出世界数字大脑运行中出现黑客的攻击、病毒的侵 入、操作者的失误、AI系统的BUG等问题。需要从多个角度对世界数字大脑运行安全进行保护。


四.建设世界数字大脑的流程与步骤探讨

世界数字大脑是一个全球性的类脑智能复杂系统,涉及到的技术和建设机构众多。如何能够实现模块化、自动化、耦合化构建世界数字大脑系统,可以提出九个步骤的建设流程,主要包括:

1)确定参与建设的主体是谁,建设的范围有多大;

2)要解决的问题和满足的需求是什么;

3)解决该问题涉及的人、设备、系统构成的数字神经元有哪些;

4)解决该问题形成的云反射弧机制如何设计;

5)如何对设计出的云反射弧进行评估;

6)根据规划和评估合格的云反射弧方案,开始建设该条云反射弧;

7)对已建立的云反射弧进行质量评估和持续监控;

8)对规划的N条云反射弧进行共性研究,发现基础设施建设重点;

9)共享建设经验和研究成果,云反射弧从管理和技术角度保持持续进化。


五.构建世界数字大脑的产业价值与战略意义

世界数字大脑系统可以将企业、工厂、金融部门、政府机构等等要素有机的链接并用仿生学的反射弧机制进行需求驱动,基于这个系统,一方面各经济、政治、生产、消费主体可以用更有效率的方式进行链接和组合,另一方面创新企业和创新研究者可以在如何构建新的链接和新的云反射弧机制上发挥无穷的创造力寻找更优的商业和产业云反射弧组机制,这将对产业和商业模式产生颠覆性影响。

世界数字大脑的构建将具有重要的战略价值系,1974年美国主导了TCP/IP的实施,在互联网的发展中获得战略优势,1989年,欧洲研究机构主导了万维网的实施,为欧洲赢得了新技术革命的先机,世界数字大脑的实施对于建立万物互联和万物交互的国际标准将起到重要作用。可以对于不同机构、不同行业、不同国家间协同工作奠定标准化基础。同时通过世界数字大脑系统的建设也将对5G、物联网、云机器人、区块链、人工智能、大数据等等前沿技术产生重要的拉动作用。世界数字大脑的建设将是TCP/IP、万维网之后第三次建立世界科技生态标准和系统的重要机遇。


六、世界数字大脑、城市大脑与智慧地球、智慧城市的关系

2009 年 1 月,IBM 公司首席执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极大推动了世界各国城市的现代化进程。“智慧地球”战略提出 IT 产业的下一阶段任务是将新一代 IT 技术充分运用到各行各业之中。智慧城市就是在智慧地球大框架下形成的城市智慧化建设方案,也将把新一代 IT 技术充分运用到城市建设之中。

此后,智慧城市迅速成为城市建设的热点,世界范围千个城市宣布了自己的智慧城市建设计划。但是,一直以来智慧城市的发展方向并不明晰,智慧城市在国际上也缺乏统一的建设标准、技术标准、行业标准,导致城市各部门信息系统的孤岛效应严重。

一直以来,IBM 在对未来科技趋势的判断上表现出前瞻性,IBM 提出在诸多前沿科技的统一支撑下,让城市变成更为智慧,IBM 的这个判断赢得了世界的共鸣,但这些前沿科技按照什么架构组合在一起,按照什么规律建设能让城市变的更为智慧, IBM 对这些问题并没有找到合适的答案。到 2018 年,IBM 最终放弃了智慧地球计划。

2015 年 Nature 一篇文章指出,智能水平与系统的结构密切关系,智慧城市如果要产生智慧,究竟是用网状、八爪鱼状还是其他结构,一直是一个有争议问题,但其实自然界已经对这个问题给出了答案。那就是生物脑特别是人类大脑是产生智慧最重要的结构。巧合的是,21 世纪以互联网为核心的前沿科技生态正在具备越来越多的类脑特征,这个类脑的科技生态与城市建设结合产生了城市大脑,与人类社会的发展结合就形成了世界数字大脑。

世界数字大脑和城市大脑的的“1+N”建设模式 :提出构建世界统一标准的城市神经元网络,在此技术上形成“N”条发生在小到社区,乡镇,中到城市、地区,达到国家和世界范围,不同层级的云反射弧,通过这两个机制的运转为智慧地球和智慧城市产生智慧找到了解决方案和奠定了技术基础。

由此得出结论。智慧地球和智慧城市是IBM在21世纪初期为城市和人类社会的智能化提出了前瞻的目标和方向。而世界数字大脑和城市大脑是基于21世纪科技生态的类脑变化,为智慧地球和智慧城市如何产生智慧寻找到的具体解决方法,是智慧地球和智慧城市向更高阶段发展的产物。

(本文2021年12月发表于中国建设信息化

作者 刘锋 远望智库数字大脑研究院院长,中国科学院虚拟经济与数据科学研究中心研究组成员,南京财经大学教授)




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