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解读2022年城市大脑首批三项标准

已有 729 次阅读 2022-9-5 21:53 |系统分类:科研笔记

2022年9月1日,中国指挥与控制学会在京召开《城市大脑首批标准新闻发布会》正式发布《城市大脑 术语》、《城市大脑顶层规划和总体架构》;《城市大脑数字神经元基本规定》等三项团体标准。中科院、清华、北大、鹏城实验室、远望智库、中国电信、中国联通、中国移动、中电莱斯,广电运通、中国电科院、腾讯、百度等30多家科研和企业机构作为参编单位参与了标准的编制,我本人作为标准的牵头人参与了标准的研究,编制和审查。


(三项标准文本下载地址:http://wwns-r.org/nd.jsp?id=351#_jcp=1


中国指挥与控制学会理事长、工程院费爱国院士对标准的发布给与肯定,他指出“城市大脑是一个产业问题也同时是一个基础科学问题,目前我们国家无论在理论研究还是在产业实践上都已经走在世界的前沿。2008年IBM提出智慧地球和智慧城市,这是一个很有远见的概念,也被世界各国认同,但智慧城市如何产生智慧一直是主要难题。为此,中国指挥与控制学会发布的这个城市大脑系列标准,总体是从类脑仿生学的角度,将智慧城市建设、指挥与控制、人工智能、脑科学、复杂性科学结合在一起对城市大脑建设进行了规划,为解决智慧城市产生智慧的问题寻找出一条新的解决方案”

依托中国科学院和远望智库数字大脑研究院团队的研究,2022年04月14日,《城市大脑系列建设标准规范》立项评审会在京召开,与会专家审议通过了《城市大脑标准体系与评价总体框架》,提出了要编制城市大脑的8个相关标准,如图1所示,本次完成的是其中三个核心标准.后续5个标准将在未来1年内逐步完成发布任务。更多标准也将基于这8个标准继续形成。

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图1城市大脑标准体系与评价总体框架

第一个标准 《城市大脑 术语》介绍和解读

该标准由中国联通智能城市研究院牵头编制,主要对包括互联网大脑、世界数字大脑、城市大脑、数字神经元、云反射弧、数字视觉神经、数字听觉神经、数字记忆系统、云神经中枢等28个新术语进行了定义。

在《城市大脑 术语》中第一个核心的概念是互联网大脑,它是形成整个城市大脑标准体系的理论基础概念,它的示意如2所示,定义如下:


图2 互联网大脑示意图

互联网大脑是互联网从网状结构向类脑结构演化形成的一种新系统,该系统在人类智慧和机器智能共同参与下,通过不断演化形成数字神经元网络、云反射弧、数字视觉、数字听觉、数字躯体感觉、数字运动神经系统、数字记忆神经系统、数字神经中枢系统、数字自主神经系统等组织,实现世界范围人、物、系统和组织的的有效链接和协同工作,完成对世界的认知、判断、决策、反馈和改造,最终帮助人类社会更为有效地运行和发展。包括物联网、云计算、工业互联网、大数据、人工智能、区块 链、云机器人、移动通信、虚拟现实、边缘计算等数字技术的兴起都与互联网大脑的各神经系统发育有关。


在《城市大脑 术语》中第二个核心概念是世界数字大脑。之所以定义这个新概念是因为要表明城市大脑并非单纯的城市级智能中枢系统,而是要放在全球范围看待城市大脑的意义,为城市大脑的最终发展状态做好概念准备,世界数字大脑的定义如下:

世界数字大脑是互联网大脑与智慧社会发展结合的产物,是世界级类脑复杂智能巨系统。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。


在《城市大脑 术语》中第三个核心概念是城市大脑,也是本标准的关键概念,这个概念是综合互联网大脑理论架构和产业建设城市大脑的发展经验形成,突出了城市大脑的类脑架构,功能和使命,与智慧城市的关系,最终演化状态和意义等。定义如下:

城市大脑是互联网大脑与城市建设和运行结合的产物,是城市级的类脑复杂智能巨系统,构成包括但不限于城市神经元网络、云反射弧、城市智能管理中枢、城市视觉神经、城市听觉神经、城市躯体感觉神经、城市运动神经、城市记忆、城市神经纤维等。其中数字神经元网络和云反射弧是建设的重点,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数字技术的使用应围绕这两个重点实施。城市大脑的运转需要人类智慧和机器智能的共同参与,城市大脑的作用是提高城市的运行效率,解决城市运行中面临的复杂问题,更好地满足民众的不同需求。作为一种类脑的仿生技术架构,城市大脑是智慧城市产生智慧的重要技术方案。城市大脑的发展不应局限在一个城市或一个地区,需要不断通过省、国家到世界的统一规划,最终将世界范围的城市大脑有效连接在一起,从而形成世界数字大脑,为人类协同发展提供一个类脑的智能支撑平台。’


在《城市大脑 术语》中第四个核心概念是数字神经元和数字神经元网络,目前在上海、天津、辽宁、内蒙古、四川等省市对数字神经元的发展进行实践,取得了很多成果和应用案例,其示意如图3所示,定义如下:


图3 数字神经元结构示意图

数字神经元是人、物、程序和组织在各种大脑系统中映射的程序单元,不受操作系统、数据库、运行设备硬件的类型限制。可以独立运行,可以在同构或异构网络环境下进行信息交互和功能协同。具有统一的功能结构,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,从而形成数字神经元网络。


在《城市大脑 术语》中第五个核心概念是云反射弧,云反射弧的提出和定义主要是表明万物互联不是最终目的,通过数字神经元网络实现万物互联后,再通过云反射弧实现万物交互,从而能够解决复杂环境下的问题和需求,才是城市大脑和世界数字大脑的使命,其示意如图4所示,定义如下:


图4 云反射弧结构图

云反射弧是多种数字神经元按照类神经系统的反射弧原理形成的协同工作技术链条,由担任感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器的数字神经元联合组成,对应解决城市和人类社会的具体问题和需求。


除了这些核心概念,术语对 构成云反射弧的云感受器、云输入、输出神经,云神经中枢、云效应器进行了定义,对构成顶层建设框架的问题与需求层、数字神经元网络层、云反射弧层、管理控制层和技术支撑层进行了定义、对构成城市大脑的各数字神经系统,如数字视觉神经系统,数字听觉神经系统,数字运动神经系统、数字记忆系统,数字神经纤维,数字大脑皮层、数字晶状体等进行了定义。

中国联通智能城市研究院首席信息官郭中梅指出《城市大脑术语规范》主要针对城市大脑相关概念与定义规范,为统一城市大脑建设和应用过程中各管理和技术领域的基本概念而规划的术语标准,对于城市大脑的传播与交流、新理论的建立、科技成果的推广都是十分重要的。


第二个标准 《城市大脑顶层规划和总体架构》介绍和解读

该标准由中国科学院虚拟经济与数据科学研究中心和中电莱斯牵头编写,提出了顶层规划的10个要求,包括理论指导原则,系统安全性、标准统一性、关注性价比,以人为本解决问题为核心,人机决策原则、系统进化原则、模块化建设原则等等。

城市大脑顶层规划和总体架构的理论架构为大脑模型(如图5所示),这个模型是对互联网大脑模型示意图的进一步抽象化,突出了数字神经元网络、云反射弧以及数字感觉、视觉、听觉、运动、中枢系统等,也对数据的存储中心、算法中心、计算中心、交互技术、通信基础等进行了定位和描述。该理论架构适用于企业、产业、行业、乡镇、社区街道、区县、城市、省、国家、世界等领域各种大脑系统的建立。


图5 城市大脑的大脑理论模型

在建设总体架构方面,标准提出了城市大脑的五层架构:包括问题需求层、数字神经元层、云反射弧层、管理控制层和技术支撑层,提出所有的管理和技术应围绕问题需求层服务和发展,应寻找最重要和最紧急的问题和需求进行处理,在问题和需求的约束下逐步扩大数字神经元的覆盖范围,扩大云反射弧的应用场景。使用的各种数字技术以满足问题和需求的解决为准,避免城市大脑的盲目和无序发展,因为按照世界统一的数字神经元网络和云反射进行规划,该建设总体架构能够同时满足不同乡镇、城市、省、国家和世界的跨层级信息交互要求,如图6所示。


图6, 城市大脑的5层建设架构图

在城市大脑的部署架构方面,标准提出城市大脑的建设可以采用中心化和去中心化(分布式)结合的方式,在具有统一规划的市、省和国家内部可以采用中心化的架构布局,在不同城市,省和国家之间没有形成统一的规划前,由于互不隶属,可以采用分布式的架构布局,如图7所示。


图7 城市部署架构模型

《城市大脑顶层规划和总体架构》认为城市大脑是结构复杂,应用范围广,覆盖区域大的城市级类脑复杂巨系统,城市智能管理中枢是城市大脑各神经系统的一个组成部分,在自然界中,生物脑特别是人脑是产生智慧最重要的结构。本标准从类脑仿生学角度建设城市大脑,符合自然界产生智慧的基本原理,为智慧城市产生智慧提供了一种可行的技术解决方案。同时本文件认为城市大脑的发展不应仅仅局限在一个城市范围,它将沿着省级大脑、国家大脑、世界数字大脑的路径不断演化,并最终为人类社会的协同发展构建全球化的智能支撑平台,因此,本文件的制定为城市大脑的未来扩展预留了空间。


第三个标准《城市大脑数字神经元基本规定》的介绍和解读

这个标准由中国电信牵头编写,对数字神经元的类型种类、相互关系、功能模块等进行了规范,提出应为世界范围的人、物、系统和组织建立统一的数字神经元,这是城市大脑能够打破信息孤岛,进行跨部门、跨行业、跨地区信息交互的基础。

其中数字神经元的种类包括人类神经元、实物神经元、程序神经元和组织神经元,这种划分已经可以覆盖现实世界和虚拟世界的不同种类对象和元素。

数字神经元的相互关系包括平等关系,控制关系和部分控制关系,这种关系的设置也是为了对应现实世界中不同数字神经元在各种任务、问题的处理中所形成的协作关系。

数字神经元的功能模块可以参考图3所示,主要功能模块包括信息同步模块、信息展示模块、信息交互模块 、人工智能控制模块、人工控制模块、云反射弧管理模块、空间位置编码模块、身份编码模块、以及其他功能模块,每个模块的具体含义可以参考本标准的具体内容。

中国电信智慧城市和数字政府首席专家张东指出《城市大脑数字神经元基本规定》通过整合仿生学、信息系统控制理论,以及城市大脑数字神经元的实践需求,创造性的提出了数字神经元的功能模型框架,完整的体现出了软件设计模块化开发的概念模型,理论体系非常完整,为城市大脑下一步体系创新指明了方向。


城市大脑首批三项标准的特点和意义

中国指挥与控制学会副秘书长 、一体化指挥调度技术国家工程实验室主任刘玉超在发布会上对城市大脑首批三个标准的起源、背景和特点进行了总结。

他指出城市大脑是一个在中国原创提出并快速发展的科技新领域。2008年中国科学院石勇、吕本富、刘锋、刘颖研究团队创新提出用“神经元+反射弧”的类脑架构刻画全球数字科技生态的演化,建立了互联网大脑模型;2015年中科院与远望智库数字大脑研究院联合团队又结合智慧城市建设,提出用“数字神经元+云反射弧”架构表征的“城市大脑”概念与定义;

2016年杭州正式启动城市大脑的建设工程,此后上海、郑州、铜陵、南昌、福州、北京、海口等数百个城市开始规划和建设城市大脑,在各级政府的支持下,城市大脑的快速发展极大的推动了城市的现代化水平。”

随着各地城市大脑项目的启动推进,也出现了很多需要关注的问题。例如,对城市大脑的理解不一致,建设方案各有不同,相互之间无法联通,造成城市大脑的孤岛化效应;基层大众体验不强,建设成本高,与传统的智慧城市建设没有本质区别;重大突发事件反应不及时,社会对建设效果产生质疑等。

在2020年的全国两会上,就有多位代表提出应该将如何构建城市大脑建设标准提上议事日程,相关建设城市和参建企业也呼吁尽快推出城市大脑的建设标准。中国指挥与控制学会此次发布的城市大脑标准呼应了产业的要求,同时具有以下三个特征:

第一是具有理论上的先进性,依托中科院和远望智库数字大脑研究团队在数字科技领域的基础科学理论研究成果,作为编制城市大脑标准的理论基础;明确了城市大脑的定义,回答了城市大脑与智慧城市的关系,创新提出采用类脑技术架构建设城市大脑。

第二是具有产业共识的广泛性。参编单位包括中科院、清华、北大、国创会、鹏城实验室、远望智库、中国电信、中国联通、中国移动、中电莱斯,广电运通、中国电科院、腾讯、百度、科大讯飞、奇虎360、世纪互联、中电科新型智慧城市研究院、中国城市科学科学研究会、信网真、中移系统集成、天府大数据研究院、智慧足迹、中科语凡、飞诺门阵等30多家领域知名科研单位和行业龙头企业;

第三是面向场景综合考虑了系统的动态演化。提出的框架标准为城市大脑的演化发展预留了空间,提出以最紧迫的场景问题和需求为基础,通过构建数字神经元和云反射弧,实现不同层级、不同粒度的城市大脑的统一,提出城市大脑不仅是一个城市智能治理的中枢,更是全省、全国性、乃至全球性类脑信息系统的一部分,拥有完整的数字神经系统支撑城市和人类社会的智能化运行。


城市大脑首批三项标准下载地址:http://wwns-r.org/nd.jsp?id=351#_jcp=1




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