通過對城市大腦三個頂層規(guī)范實施難度和成熟條件的預判,結(jié)合城市發(fā)展歷史和現(xiàn)代化進程,我們對城市大腦從產(chǎn)生到成熟并到達最終形態(tài),劃分了七個階段
城市的起源可以上溯到6000年前以前,考古學證明最早的城市起源于美索布達米亞平原,但城市產(chǎn)生以后并不是從一個地方擴散的,而是在不同地域產(chǎn)生后各自傳播,這就是城市產(chǎn)生的多元學說。
人類第一個城市——埃利都的城市圍墻長達9.5公里以上,人口估計約為5萬。城市的出現(xiàn),是人類走向成熟和文明的標志,也是人類群居生活的高級形式。
城市的智慧程度是伴隨人類科技和文明的進步發(fā)展起來的。18世紀中葉開始的工業(yè)革命,城市迎來了一個嶄新的發(fā)展時期。作為工業(yè)化原動力的各種原料產(chǎn)地,特別是煤炭、沿海地區(qū),資本、工廠、人口的迅速集中,形成了人口集中、密度高、工業(yè)發(fā)達的城市[7]。
到1980年世界城市化水平為39.6%, 2000年達到46.6%,這個時期城市現(xiàn)代化的標志,包括城市內(nèi)部與城市之間的分工與協(xié)作;基礎設施高能化;道路、交通(國內(nèi)與國際)、通訊、供排水、供電、供氣等現(xiàn)代設施的靈敏化;城市管理工作的信息化等。最終,如同最早的單細胞生物體開始感知和反饋世界,城市也開始形成一些簡單的感知和反饋機制。
2009年1月,IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛首次提出“智慧地球”,由此延伸的智慧城市概念極大推動了世界各個國家的城市現(xiàn)代化進程。城市大腦開始在局部產(chǎn)生神經(jīng)核團,實現(xiàn)對部分城市功能的中心化智能化組織和調(diào)控。
“智慧地球”戰(zhàn)略提出:IT產(chǎn)業(yè)下一階段的任務是將新一代IT技術(shù)充分運用到各行各業(yè)之中,智慧城市就是基于智慧地球建設的大框架下,城市的智慧化建設方案。將新一代IT技術(shù)充分運用到城市建設之中[8]。
此后智慧城市迅速在中國成為城市建設的熱點,近千個城市宣布了自己的智慧城市建設計劃。但是這個階段智慧城市的發(fā)展方向并不明晰,存在很多概念模糊的問題。一些專家認為智慧地球和智慧城市是把很多新的信息技術(shù)打包到城市建設的筐里,并沒有統(tǒng)一的建設規(guī)劃指導。出現(xiàn)盲目炒作、頂層設計缺乏、基礎不扎實等問題,
在實施的過程中,由于行業(yè)利益,部門利益的存在,住建部原副部長仇保興指出: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(yè)“綁架”,成為企業(yè)推銷產(chǎn)品的渠道;有的是被政府部門“綁架”,部門間形成信息孤島互不往來;還有不少則是“忽悠”,更有甚者,有些地方的“智能城市”從規(guī)劃上就是錯的?傮w這個階段,城市大腦概念還沒有浮現(xiàn)出來,智慧城市還存在很多概念和實施上的問題[9]。
2015年,《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的智慧城市建設》提出了城市大腦的類腦智能巨系統(tǒng)特征的定義。這篇文章認為在過去的近50年時間里,互聯(lián)網(wǎng)逐步從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)展成為大腦模型;ヂ(lián)網(wǎng)類腦架構(gòu)與智慧城市建設結(jié)合是城市大腦產(chǎn)生的根源,城市大腦除了具備中樞神經(jīng),視覺,聽覺,感覺,記憶神經(jīng)之外,最重要的是城市類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡和城市云反射弧建設。
2016年開始,阿里,百度,騰訊,華為,科大訊飛等提出了自己的泛城市大腦計劃,包括阿里的ET城市大腦,百度城市大腦,騰訊未來城市(Wecity),華為城市神經(jīng)網(wǎng)絡,訊飛超腦等。
在這些科技企業(yè)的支撐下,到2020年,中國數(shù)百家城市啟動了城市大腦工程。包括杭州,上海,北京,福州,銅陵,重慶,貴州,深圳等。在產(chǎn)業(yè)界,認為城市大腦是““基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù),支撐城市運行生命體征感知、公共資源配置優(yōu)化、重大事件預測預警、宏觀決策指揮的數(shù)字化基礎設施和開放創(chuàng)新平臺!
這個時期產(chǎn)業(yè)實施的城市大腦方案與學術(shù)研究理論推導的城市大腦方案并不相同,類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡和城市云反射弧建設還不是建設的重點。主要是依托人工智能技術(shù)對城市的數(shù)據(jù)和信息進行管理的城市級人工智能系統(tǒng)。為了方便城市領導者掌握和管理城市信息,還建立了城市管理者“駕駛艙“”[10],這時建設中的城市大腦方案與互聯(lián)網(wǎng)大腦的關系如用圖2表示。
從互聯(lián)網(wǎng)大腦的架構(gòu)圖中可以看出,這個時期推進的城市大腦項目主要建設了巨型神經(jīng)元控制下的城市人工智能中樞系統(tǒng),因此這個階段也可以稱為城市大腦的AI巨型神經(jīng)元建設階段。城市更多元素還沒有納入到城市大腦的框架中。由于沒有統(tǒng)一的建設標準,不同企業(yè),不同城市建設的城市大腦依然存在信息孤島或智能孤島的問題。不但城市內(nèi)的人,物,系統(tǒng)不能完全打通,不同城市之間的城市大腦也無法連接。這種情況可能為未來的城市大腦發(fā)展帶來隱憂和額外成本。
神經(jīng)元網(wǎng)絡是生物大腦最重要的結(jié)構(gòu),同樣建設城市大腦的神經(jīng)元網(wǎng)絡也是最重要和最基礎的工作。這也是城市大腦第三階段缺失的地方。因為沒有統(tǒng)一的神經(jīng)元技術(shù)標準。城市內(nèi)部的居民,設備,系統(tǒng)無法關聯(lián)起來,更為重要的是城市之間的城市大腦也無法有效的連接。從起源看,城市大腦作為互聯(lián)網(wǎng)大腦的子集,通過互聯(lián)網(wǎng)大腦,城市大腦之間也應該形成統(tǒng)一的標準,可以進行信息互動。
因此如何建立統(tǒng)一的城市神經(jīng)元框架標準并展開實施就成為城市大腦第四階段最重要的任務,城市類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡的建設一方面能夠為城市中每一個元素,包括大樓,路燈,汽車,燃氣管道,城市的居民,醫(yī)生,商業(yè)機構(gòu),市政管理人員(市長),服務交通,醫(yī)療,安全的智能系統(tǒng) 等提供一個統(tǒng)一的神經(jīng)元節(jié)點空間,如圖3所示。
在這個節(jié)點空間里,人,物,系統(tǒng)可以將自己的信息進行映射同步,可以運行相應的管理控制程序,通過這個節(jié)點空間實現(xiàn),人與人,人與物,物與物,人與系統(tǒng),物與系統(tǒng),系統(tǒng)與系統(tǒng)的相互關注與信息交流。
2020年研究報告《城市大腦與超級智能城市建設標準研究》提出在城市神經(jīng)元節(jié)點中應該有5個重要的組成部分,分別是;
1) 信息展示區(qū),對映射對象發(fā)布的信息進行顯示的權(quán)限控制
2) 功能模塊區(qū),根據(jù)不同的映射對象需求提供不同的功能模塊
3) 智能控制區(qū),對信息展示和功能模塊進行管理的區(qū)域,要求同時允許人類和AI控制
4) 神經(jīng)元節(jié)點編碼,對所有的城市大腦神經(jīng)元節(jié)點進行統(tǒng)一的編碼
5) 空間位置編碼,對所有城市大腦神經(jīng)元節(jié)點所處的地理位置和海拔高度進行統(tǒng)一的編碼,標注其位置(如果是網(wǎng)絡智能系統(tǒng),空間位置將為0)
當每個城市神經(jīng)元節(jié)點具有了統(tǒng)一的技術(shù)結(jié)構(gòu),節(jié)點編碼,和地址編碼,這樣才能保證符合城市大腦是互聯(lián)網(wǎng)大腦的子集,各城市大腦可以通過互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)實現(xiàn)相互協(xié)同合作的發(fā)展規(guī)律與目標。
如何構(gòu)建城市神經(jīng)元的技術(shù)標準,如何在不同城市之間,不同國家之間形成共識并開始推進,一定是一個漫長和困難的過程。因此城市大腦第四階段預計會持續(xù)10年或數(shù)十年的時間。一部分前瞻的城市如上海市已經(jīng)重視城市神經(jīng)元的建設,提出在城市布控百億傳感器的城市神經(jīng)元。
構(gòu)建世界統(tǒng)一的城市神經(jīng)元技術(shù)標準,目標是把城市,國家乃至世界范圍的人,智能設備,智能系統(tǒng)連接起來,數(shù)十億人類和數(shù)百億智能設備和系統(tǒng)通過互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)形成自然界前所未有的超級智能形式。
作為子集,城市大腦也將連接百萬級人口和上億級的智能系統(tǒng),這其中既有人與人的關系,也有人與機器(系統(tǒng))的關系,機器(系統(tǒng))與機器(系統(tǒng))的關系,這時城市大腦需要重點解決這三種關系的權(quán)限分配問題:也就是機器(系統(tǒng))與機器(系統(tǒng))的權(quán)限分配問題,人與人之間的權(quán)限分配問題,人與機器(系統(tǒng))權(quán)限分配的問題,應該說這是一個非常復雜,同時工作量也會異常龐大的工作,如圖4所示。
第一個機器(系統(tǒng))與機器(系統(tǒng))的權(quán)限分配問題,可以按照具體場景,對涉及的機器權(quán)限進行分配,在城市大腦第三階段中,一些城市建設的城市大腦重點發(fā)展了城市級AI巨型神經(jīng)元,這類神經(jīng)元的權(quán)限在城市大腦中事實上已經(jīng)處于較高級別。
第二是人與人之間的權(quán)限分配問題,一種最簡單的方法是將人類的社會關系映射進來,包括部門和單位的領導下屬關系,城市管理者與居民之間的服務被服務關系,國家與地區(qū)領導者之間的管理和被管理關系等。
第三是人與機器(系統(tǒng))權(quán)限分配的問題。2020年研究報告《城市大腦的建設標準研究》提出任何一個城市神經(jīng)元,可以實現(xiàn)人類和機器雙智能控制,但要求必須有一個人類用戶的權(quán)限最大,這個規(guī)則的設定也符合錢學森在“開放復雜巨系統(tǒng)”理論中提到的“人機結(jié)合,以人為主”的原則。這項規(guī)則的提出也是為了保證在大尺度的城市大腦和互聯(lián)網(wǎng)大腦上,人類智慧超過機器智能的權(quán)限,避免全部交給機器和AI系統(tǒng)進行決策導致的失控現(xiàn)象。在具體實施中,如果在特殊場景下,一些城市神經(jīng)元系統(tǒng)需要執(zhí)行AI或機器智能的控制權(quán)超過人類用戶,這是需要做嚴格的專家評估、詳細的數(shù)據(jù)記錄和責任人的明確。
我們知道反射弧是生命智能體展現(xiàn)智能的重要功能[12],同樣當城市的人,設備,物,系統(tǒng)都被鏈接到類腦神經(jīng)元網(wǎng)絡中,完成人人,人機,機機的權(quán)限分配后,城市的大量的需求就可以基于城市云反射弧實現(xiàn),從感知城市的需求到中樞神經(jīng)處理,最后反饋到現(xiàn)場執(zhí)行,形成一條條城市大腦的云反射弧,它是城市大腦最終可以對城市的各種問題、需求、任務產(chǎn)生反應、做出決策、開展行動進而解決問題的關鍵,如圖5所示。
應該說一個城市將有大量需求可以通過云反射弧的機制得以實現(xiàn)。例如一次通過智能手機實現(xiàn)的出行打車,一次通過云端實現(xiàn)的購物活動。一次通過煙霧傳感器引發(fā)的滅火行動等,
因此當以互聯(lián)網(wǎng)類腦架構(gòu)為基礎的城市大腦不斷成熟后,根據(jù)城市的不同需求,建立和配置云反射弧機制將是這個階段的重點工作,其中包括醫(yī)療云反射弧,交通云反射弧,購物云反射,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,企業(yè),政府機構(gòu)在這個機制下承擔怎樣的角色?跨越城市之間的地區(qū)級云反射弧如何協(xié)調(diào)?不同的技術(shù)和科技企業(yè)在這個過程中如何支撐?這些問題也需要在發(fā)展中不斷得到解決。
城市大腦本質(zhì)上是互聯(lián)網(wǎng)向類腦架構(gòu)進化時與智慧城市結(jié)合的產(chǎn)物,它既是互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的子集,也是互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的重要組成部分,當各個國家的城市大腦走向成熟和連接后,世界范圍的互聯(lián)網(wǎng)大腦技術(shù)框架也就必然走向統(tǒng)一和成熟,如圖6所示。
歷史上很多人獨立揭示了社會可以看作為神經(jīng)系統(tǒng)有機體的概念。例如認為國王是頭、農(nóng)夫是腳的觀點,至少可以追溯到古希臘人和中世紀。
英國哲學家赫伯特·斯賓塞在1876年發(fā)表了著作《社會是一個有機體》,詳細比較了動物神經(jīng)系統(tǒng)和人類社會的特征。1936年,英國科幻作家赫伯特·喬治·威爾斯(H. G. Wells)出版了《世界腦》。提出世界腦就是構(gòu)建一個世界規(guī)模的龐大知識庫。
美國傳媒學家麥克盧漢1964年出版的《理解媒介》對社會與腦的關系做了這樣的描述,“在過去數(shù)千年的機械技術(shù)時代,人類實現(xiàn)了身體在空間中延伸;在一個多世紀的電子技術(shù)時代,人類已在全球范圍延伸了自己的中樞神經(jīng)系統(tǒng)并進一步在全球范圍擴展”。
1983年,英國哲學家彼得·羅素(P.Russell)撰寫了《地球腦的覺醒——進化的下一次飛躍》,對麥克盧漢的觀點做了近一步延申和明確,他提出人類社會通過政治、文化、技術(shù)等各種聯(lián)系使地球成為一個類人腦的組織結(jié)構(gòu),也就是地球腦或全球腦。
中國科學家錢學森在1990年提出了“開放的復雜巨系統(tǒng)”及其研究方法,把科學理論、經(jīng)驗知識和專家判斷統(tǒng)一起來,把各類信息和數(shù)據(jù)與計算機軟硬件系統(tǒng)結(jié)合起來,構(gòu)成人機結(jié)合、以人為主的系統(tǒng),對事物反復進行定性與定量的分析和綜合,最終從整體上研究和解決問題。
中國科學家史忠植在人工智能導論中提出“互聯(lián)網(wǎng)已成為人們共享全球信息的基礎設施,在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上通過全球心智模型World Wide Mind(WWM) 就可以實現(xiàn)全球腦 World windBrain!.
在過去50年的時間里,種種跡象表明,互聯(lián)網(wǎng)正在不斷從網(wǎng)狀架構(gòu)發(fā)展成為大腦模型。而城市大腦是互聯(lián)網(wǎng)形成大腦模型最重要的基石之一,通過城市大腦連接城市的居民、設備和智能系統(tǒng),進而形成國家級大腦,最終實現(xiàn)世界腦(World wide Brain)。這是城市大腦發(fā)展的最終形態(tài)。城市大腦經(jīng)過的第四,第五,第六階段也將使得基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的世界腦,作為整體實現(xiàn)對世界的認知、判斷、決策、反饋和改造。
總結(jié)
從互聯(lián)網(wǎng)大腦的發(fā)展和與產(chǎn)業(yè)結(jié)合的趨勢,伴隨著互聯(lián)網(wǎng)大腦模型的擴張和應用范圍的擴大,產(chǎn)業(yè)分別出現(xiàn)企業(yè)大腦,城市大腦,國家大腦,全球腦,太陽系或銀河系大腦。也就是說城市大腦的終點世界腦并不會局限在地球的范圍內(nèi),而是隨著人類在月球,火星建立基地,這個世界腦的范圍會從地球不斷擴張到太空深處。這已不在是科幻的想象,而是在未來已經(jīng)可以實現(xiàn)的目標,如圖7所示。
本文對城市大腦的發(fā)展階段進行了劃分和闡述,目的是為產(chǎn)業(yè)界和城市管理者提供一種了解城市大腦的發(fā)展趨勢的模型和工具,應該說這種劃分并不十分嚴謹,對于未來還屬于一種推測。但目標是為產(chǎn)業(yè)界和城市管理者提供一種了解城市大腦的發(fā)展趨勢的模型和工具,通過判斷當前城市大腦的狀態(tài)和不足,為后續(xù)發(fā)展做出提前判斷和準備。而且隨著城市大腦建設和研究的深入,7個階段劃分的時間邊界應該會不斷調(diào)整適應產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
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