有大腦的城市才是智慧城市

今年對于劉鋒博士而言，是有著特殊意義的一年。作為城市大腦標(biāo)準(zhǔn)研究組總牽頭人、遠(yuǎn)望智庫數(shù)字大腦研究院院長、學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)工作委員會委員兼專業(yè)技術(shù)委員會副主任，他發(fā)起了“城市大腦建設(shè)規(guī)范”系列團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，為構(gòu)建城市大腦建設(shè)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

城市大腦概念的構(gòu)建過程，其實(shí)并非一帆風(fēng)順。2005年互聯(lián)網(wǎng)浪潮來臨后，劉鋒博士就開始進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的研究。當(dāng)時萬物互聯(lián)的互聯(lián)網(wǎng)連接構(gòu)造，總讓他產(chǎn)生一些浮想。2006年，在受到社交網(wǎng)絡(luò)、Google街景系統(tǒng)、云計算等新技術(shù)的啟發(fā)，又讓他隱約感覺抓住了什么。根據(jù)這些跡象，2007年，劉鋒團(tuán)隊開始意識到整個互聯(lián)網(wǎng)正在從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向類腦結(jié)構(gòu)進(jìn)化，并在2008年正式發(fā)表論文建立互聯(lián)網(wǎng)大腦模型。提出數(shù)字科技的各種技術(shù)，實(shí)質(zhì)上是類腦模型的各神經(jīng)系統(tǒng)不斷發(fā)育的結(jié)果?；ヂ?lián)網(wǎng)大腦模型也成為2015年提出城市大腦概念的理論根基。

近40年來，我國經(jīng)歷了速度最快、規(guī)模最大的城鎮(zhèn)化進(jìn)程，2020年我國城鎮(zhèn)化率已達(dá)63.89%。今年以來，《2022年新型城鎮(zhèn)化和城鄉(xiāng)融合發(fā)展重點(diǎn)任務(wù)》、《關(guān)于推進(jìn)以縣城為重要載體的城鎮(zhèn)化建設(shè)的意見》、《“十四五”新型城鎮(zhèn)化實(shí)施方案》等多份政策文件聚焦城市基礎(chǔ)設(shè)施“補(bǔ)短板”。

近期《“十四五”全國城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃》的印發(fā)，再次釋放了城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)加速信號。其中明確提出：到2025年，城市建設(shè)方式和生產(chǎn)生活方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，基礎(chǔ)設(shè)施體系化水平、運(yùn)行效率和防風(fēng)險能力顯著提升，超大特大城市“城市病”得到有效緩解，基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行更加高效，大中城市基礎(chǔ)設(shè)施質(zhì)量明顯提升，中小城市基礎(chǔ)設(shè)施短板加快補(bǔ)齊的要求。還要加快新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推進(jìn)城市智慧化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

有大腦的城市才能稱之為智慧城市，“城市大腦建設(shè)規(guī)范”正是為解決城市發(fā)展問題而提出，為智慧城市建設(shè)提供方法論，讓理論和產(chǎn)業(yè)可以在實(shí)踐中碰撞出真知。

城市大腦的起源

在2009年，IBM公司首次提出“智慧地球”概念，由此延伸的智慧城市概念極大地推動了世界各國城市的現(xiàn)代化進(jìn)程。但是，智慧城市的發(fā)展方向并不明晰，智慧城市在國際上也缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致城市各部門的信息系統(tǒng)自成體系，城市的市政、交通、醫(yī)療、教育、安防等各個部門之間的信息系統(tǒng)從軟硬件接口規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)等各個方面都無法統(tǒng)一。

劉鋒博士認(rèn)為，自從智慧城市概念提出后，有關(guān)如何產(chǎn)生智慧的問題并沒有說清楚或者沒有想清楚、沒有找到一個解決方案，導(dǎo)致各地的智慧城市建設(shè)五花八門，各種數(shù)據(jù)孤島問題紛紛出現(xiàn)。

城市大腦標(biāo)準(zhǔn)研究組總牽頭人、遠(yuǎn)望智庫數(shù)字大腦研究院院長、學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)工作委員會委員兼專業(yè)技術(shù)委員會副主任劉鋒博士

智慧城市建設(shè)出現(xiàn)的這些問題，從根本上是由于智慧城市的基礎(chǔ)理論和建設(shè)框架工作沒有很好地完成。智慧地球和智慧城市提出在諸多前沿科技的統(tǒng)一支撐下讓地球和城市變成更為智慧，但這些前沿科技按照什么架構(gòu)組合在一起，按照什么規(guī)律建設(shè)能讓城市變得更為智慧，產(chǎn)業(yè)界并沒有找到合適的答案，如何讓智慧城市產(chǎn)生智慧將是一個重要的研究課題。而事實(shí)上自然界已經(jīng)為我們準(zhǔn)備好了答案，那就是生物腦，特別是人腦是產(chǎn)生智慧最重要和最高效的結(jié)構(gòu)。

劉鋒博士提出，21世紀(jì)以來，以互聯(lián)網(wǎng)為核心的世界科技生態(tài)開始呈現(xiàn)越來越多類腦的特征。作為自然界能夠產(chǎn)生智慧的基礎(chǔ)架構(gòu)“腦”，開始通過兩個途徑為城市智慧的產(chǎn)生提供動力：第一，城市現(xiàn)代化用到的諸多前沿科技按照腦的模型進(jìn)行組合，由此產(chǎn)生城市的智慧；第二，城市現(xiàn)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，劉鋒博士團(tuán)隊在《基于互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)的智慧城市建設(shè)探討》一文中提出城市大腦的概念和定義：城市大腦是互聯(lián)網(wǎng)大腦架構(gòu)與智慧城市建設(shè)結(jié)合的產(chǎn)物，是城市級的類腦復(fù)雜智能巨系統(tǒng)，在人類智慧和機(jī)器智能的共同參與下，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算、5G、云機(jī)器人和數(shù)字孿生等前沿技術(shù)的支撐下，數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和云反射弧將是城市大腦建設(shè)的重點(diǎn)。

城市大腦的作用是提高城市的運(yùn)行效率，解決城市運(yùn)行中面臨的復(fù)雜問題，更好地滿足市民的不同需求。城市大腦的發(fā)展目標(biāo)不僅僅局限在一個城市或一個地區(qū)，當(dāng)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數(shù)字大腦(WWDB)，為人類協(xié)同發(fā)展提供一個類腦的智能支撐平臺。

互聯(lián)網(wǎng)大腦模型圖

城市大腦的五個系統(tǒng)層

談到城市大腦構(gòu)成時，劉鋒博士首先明確了一個概念：城市大腦的這個“大腦”的意思是一個巨大的“腦”，而并不是生理學(xué)中所定義的大腦，因?yàn)樵诔鞘写竽X中的核心是“反射弧”與“神經(jīng)元”。

城市大腦總體架構(gòu)由五個系統(tǒng)層次組成，分別是問題與需求層、云反射弧層、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層、管理控制層、技術(shù)支撐層。

其中云反射弧層、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層是城市大腦建設(shè)的核心，問題與需求層是云反射弧層、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)的目標(biāo)，管理控制層、技術(shù)支撐層為云反射弧層、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層和管理控制層的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供基礎(chǔ)支撐。城市大腦的五個系統(tǒng)層次：

問題與需求層：負(fù)責(zé)聚合和存儲城市大腦要解決的問題和需求；

云反射弧層：負(fù)責(zé)匯總并形成城市大腦中的所有云反射弧運(yùn)行邏輯機(jī)制，每個云反射弧由擔(dān)任云感受器、云傳入神經(jīng)、云神經(jīng)中樞、云傳出神經(jīng)、云效應(yīng)器角色的數(shù)字神經(jīng)元聯(lián)合構(gòu)成；

神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)將城市大腦涉及的人、設(shè)備、程序、團(tuán)體映射成的數(shù)字神經(jīng)元關(guān)聯(lián)在一起，并為云反射弧層提供實(shí)際支撐；

管理控制層：負(fù)責(zé)對上述三層進(jìn)行管理和監(jiān)控，為它們的正常運(yùn)行提供管理支持；

技術(shù)支撐層：負(fù)責(zé)對上述四層的實(shí)現(xiàn)提供軟硬件的技術(shù)支撐。

城市大腦總體架構(gòu)模型

“數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧機(jī)制具有世界統(tǒng)一的屬性，可以在不同社區(qū)、街道/鄉(xiāng)鎮(zhèn)、區(qū)縣、城市、省/地區(qū)和國家之間互聯(lián)互通，因此在架構(gòu)模型的左側(cè)體現(xiàn)可跨城市、跨地區(qū)應(yīng)用的特征?！眲h博士說道。

“大腦”如何賦予城市智慧

在談到城市大腦是如何賦予城市智慧這個問題時，劉鋒博士向我們表明，城市大腦是基于互聯(lián)網(wǎng)大腦模型和類腦復(fù)雜智能系統(tǒng)基礎(chǔ)理論，依據(jù)“1+2+N”的建設(shè)框架，即世界統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，人與AI結(jié)合的混合智能控制，N條跨行業(yè)、跨部門、跨地區(qū)、跨機(jī)構(gòu)的云反射弧，共同解決人類社會不同層級的問題和需求。

城市大腦能夠適應(yīng)人類社會復(fù)雜的應(yīng)用場景，包括但不僅限于交通、治安、醫(yī)療、環(huán)保、金融、教育、應(yīng)急、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等不同領(lǐng)域產(chǎn)生的問題，還能夠解決兩個或多個領(lǐng)域的交叉復(fù)合問題。

劉峰博士表示，通過世界統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧機(jī)制的構(gòu)建，將各種服務(wù)于人類社會的應(yīng)用打通，使得城市首先作為一個整體為城市各階層民眾服務(wù)。然后擴(kuò)展到國家，擴(kuò)展到世界范圍。當(dāng)世界各國的城市都開始建設(shè)城市大腦并能夠互聯(lián)互通，一個應(yīng)用層的大統(tǒng)一架構(gòu)，世界數(shù)字大腦將逐步形成。

這不由讓記者想起以前研究過的軟件定義網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)的三層網(wǎng)絡(luò)中，核心層路由匯聚耗時漫長，而且在匯聚過程中，無法完成路由轉(zhuǎn)發(fā)工作。因此在制定好路由策略后，即便出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞等狀況，也不會輕易對策略進(jìn)行改動。呆滯死板的路由策略導(dǎo)致有限的網(wǎng)絡(luò)資源無法滿足日益增長的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求。

這時有人提出，通過軟件定義的方式，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離，通過專門的控制節(jié)點(diǎn)，甚至是數(shù)據(jù)中心來處理流量轉(zhuǎn)發(fā)的控制問題，實(shí)現(xiàn)大二層的扁平化流量管理。最終的成果是，網(wǎng)絡(luò)中的延遲可以實(shí)時地被控制節(jié)點(diǎn)收集，一旦出現(xiàn)問題，可以即時對網(wǎng)絡(luò)策略進(jìn)行靈活調(diào)整。

如今的軟件定義網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為云計算的重要組成部分之一，還衍生出網(wǎng)絡(luò)安全、流量管理等多種全新功能。這與通過統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧機(jī)制構(gòu)建出的城市大腦居然有著異曲同工的效果。數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧就好像扁平的大二層網(wǎng)絡(luò)，為問題與需求層在跨行業(yè)、跨部門、跨地區(qū)、跨機(jī)構(gòu)所收集的問題提供了良好的通路，管理控制層則是核心的控制節(jié)點(diǎn)，敏捷智能地對各種問題進(jìn)行監(jiān)管，并及時下發(fā)策略加以解決，從而形成了高效、智能的全新城市管理手段。

所以城市大腦標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃，能夠?qū)⑹澜绶秶煌鞘?、不同行業(yè)、不同部門的人、設(shè)備、程序等連接在一起，在諸多前沿科技的支撐下完成世界范圍的統(tǒng)一部署、統(tǒng)一規(guī)劃，同時又能夠靈活適應(yīng)不同城市、不同產(chǎn)業(yè)、不同文化的不同需求，為實(shí)現(xiàn)人類社會的協(xié)同發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

劉鋒博士接下來還將繼續(xù)通過對腦科學(xué)的仿生學(xué)研究，為探索城市大腦的建設(shè)和運(yùn)行尋找更多依據(jù)和啟發(fā)。同時通過研究世界范圍，特別是中國智慧城市建設(shè)已經(jīng)取得的創(chuàng)新成果和最新發(fā)展動態(tài)，將其中有益的部分納入城市大腦的發(fā)展規(guī)劃和技術(shù)特征中。

審核編輯 黃昊宇