城市大腦從起源到終極狀態(tài)的7個階段

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

1.第一階段，城市大腦的史前階段（6000年前--2009年）

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。

2.第二階段，城市大腦的混沌階段（2009年-2015年）

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。總體這個階段，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]。 

3.第三個階段 城市大腦的萌芽階段（2015年-2021年）

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)狀結構發(fā)展成為大腦模型。互聯(lián)網(wǎng)類腦架構與智慧城市建設結合是城市大腦產(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，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。

4.第四個階段，城市大腦的連接階段（2021-2045）

神經(jīng)元網(wǎng)絡是生物大腦最重要的結構，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，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)一的技術結構，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)大腦架構實現(xiàn)相互協(xié)同合作的發(fā)展規(guī)律與目標。

如何構建城市神經(jīng)元的技術標準，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。

5.第五階段，城市大腦的分權階段（2023年-2045年）

構建世界統(tǒng)一的城市神經(jīng)元技術標準，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限分配問題：也就是機器（系統(tǒng)）與機器（系統(tǒng)）的權限分配問題，人與人之間的權限分配問題，人與機器（系統(tǒng)）權限分配的問題，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)）的權限分配問題，可以按照具體場景，對涉及的機器權限進行分配，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。

6.   城市大腦的反射弧階段（2025-2045）

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。

7.城市大腦的世界腦階段（2045-）

城市大腦本質(zhì)上是互聯(lián)網(wǎng)向類腦架構進化時與智慧城市結合的產(chǎn)物，它既是互聯(lián)網(wǎng)大腦架構的子集，也是互聯(lián)網(wǎng)大腦架構的重要組成部分，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、技術等各種聯(lián)系使地球成為一個類人腦的組織結構，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)結合起來，構成人機結合、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

從互聯(lián)網(wǎng)大腦的發(fā)展和與產(chǎn)業(yè)結合的趨勢，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。