城市大脑的七阶进化

刘锋　刘朝晖

进入21世纪以来，前沿科技领域出现诸多“大脑”概念，如谷歌大脑，阿里大脑，城市大脑，工业大脑，航空大脑，互联网大脑等。其中城市大脑的出现引起了政府、学术界和产业界的高度重视。

到2020年，在中国已经有近500个城市启动“城市大脑”建设计划，成为当前新型智慧城市建设的热点。其中包括杭州、上海、北京、福州、郑州、铜陵、广州等城市，建设规模已经超过数百亿资金[1]。

在产业界，腾讯的“WeCity未来城市”和“城市超级大脑”，阿里的”阿里ET城市大脑“，华为的“城市神经网络”，科大讯飞的“城市超脑”，360的“城市安全大脑”[2]，通过企业技术优势与智慧城市建设的结合，形成不同风格和特点的城市大脑建设方案。在产业界，主要认为城市大脑是“基于云计算、物联网、大数据、人工智能等技术，支撑城市运行生命体征感知、公共资源配置优化、重大事件预测预警、宏观决策指挥的数字化基础设施和开放创新平台。[3]”

在研究领域，论文《基于互联网大脑架构的智慧城市建设探讨》于2015年提出城市大脑的学术定义[4]，认为在过去50年，互联网从网状结构进化成为大脑结构[5]并与智慧城市建设结合，是城市大脑产生的根源，如图1所示。

由此本文认为，城市大脑是伴随互联网类脑化和城市智能化的深度发展，智能单元的广泛应用与全面连接，并在与人类社会的持续互动中自组织形成的类脑系统。城市大脑系统最终将具备城市中枢神经（云计算），城市感觉神经（物联网），城市运动神经（云机器人，无人驾驶、工业互联网），城市神经末梢发育（边缘计算），城市智慧的产生与应用（大数据与人工智能）以及城市神经纤维（5G、光纤、卫星等通讯技术）。在这些城市类脑神经的支撑下，形成城市建设的两大核心：第一是城市神经元网络，实现城市中人与人、人与物、物与物的信息交互。第二是城市大脑的云反射弧，实现城市服务的快速智能反应。云机器智能和云群体智慧是城市智慧涌现的核心动力。这样基于互联网大脑模型的城市类脑架构称之为“城市大脑”。

与产业界通常所理解的城市大脑相比，基于互联网大脑模型的城市大脑架构明显不同。首先，产业界所提出的城市大脑在一定程度上模拟了生物脑的中枢神经系统，但是这种经由设计产生的大脑仍属于复杂的机械系统，只有设计的迭代而没有自发的演化，也不会存在超出设计的功能。而本文认为城市大脑首先并不是一个人为设计的产品，而是一个由进化和涌现主导的复杂系统。其次，目前产业界认知的城市大脑与人类社会之间的关系比较静态和僵化，而事实上城市大脑应该将智能系统与人类社会的互动做为进化的核心动力。我们所有的实践和探索终将成为城市大脑进化过程的一部分。当我们洞察这种规律，就能够以更简单和更有效的方式来诱导和激发进化的过程。

2020年的《城市大脑与超级智能城市建设规范研究》进一步提出了城市大脑发展的三个顶层规范分别是：首先，连接人，物，设备和系统的统一的城市类脑神经元技术框架;其次，每一个城市类脑神经元要实现人机双智能控制，但保持人类控制权最高 ;再次，通过信息路由技术实现城市云反射弧，满足城市各种需求[6]。

通过预判城市大脑三个顶层规范实施难度和成熟条件，结合城市发展历史和现代化进程，我们对城市大脑从产生、成熟到最终形态，划分了七个阶段，如图表所示。

世界范围的城市大脑通过互联网类脑架构最终联合形成世界脑（world wide Brain），高效的解决人类社会面临的各领域问题。

第一阶段  城市大脑的史前阶段（6000年前--2009年）

城市的起源可以上溯到6000年前以前，考古学证明最早的城市起源于美索布达米亚平原，城市产生的多元学说认为，城市产生于不同地域并各自进行传播。同时，城市是人类走向成熟和文明的标志，也是人类群居生活的高级形式。

城市的智慧程度是伴随人类科技和文明的进步发展起来的。18世纪中叶开始的工业革命带来城市崭新的发展时期。作为工业化原动力的各种原料产地，特别是煤炭丰盛及沿海地区，资本、工厂、人口的迅速集中形成了人口集中、密度高、工业发达的城市[7]。

世界城市化水平在1980年为39.6%， 2000年达到46.6%，这个时期城市现代化的标志是城市内部与城市之间的分工与协作，包括基础设施高能化，道路交通（国内与国际）、通讯、供排水、供电、供气等现代设施的灵敏化，城市管理工作的信息化等。正如同最早的单细胞生物体开始感知和反馈世界一般，城市也开始形成一些簡单的感知和反馈机制。

第二阶段  城市大脑的混沌阶段（2009年-2015年）

2009年1月，IBM公司首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”，其主张IT产业下一阶段任务是将新一代IT技术充分运用到各行业中。由此延伸的智慧城市概念极大推动了世界各个国家的现代化城市进程。智慧城市就是基于智慧地球建设的大框架下，城市的智慧化建设方案。将新一代IT技术充分运用到城市建设之中[8]。

为了紧贴城市建设的热点，国内有近千个城市宣布了各自的智慧城市建设计划。住建部原副部长仇保兴指出：一些“智慧城市”方案无法解决任何一种城市病，有的被IT企业“绑架”，成为企业推销产品的渠道;有的被政府部门“绑架”，部门间形成信息孤岛互不往来;有些地方的“智能城市”规划方向本身就是错的，带来一系列盲目炒作、缺乏顶层设计、基础不扎实等弊端。总之在这个阶段，城市大脑概念还没有浮现出来，缺乏统一的建设规划指导，导致智慧城市还存在很多概念和实施上的问题[9]。

第三个阶段  城市大脑的萌芽阶段（2015年-2021年）

2015年的《基于互联网大脑模型的智慧城市建设》提出了城市大脑的类脑智能巨系统特征的定义，认为在过去的近50年时间里，互联网逐步从网状结构发展成为大脑模型。互联网类脑架构与智慧城市建设结合是城市大脑产生的根源，城市大脑除了具备中枢神经、视觉、听觉、感觉和记忆神经之外，最重要的是城市类脑神经元网络和城市云反射弧建设。

2016年开始，国内科技公司相继提出了各自的泛城市大脑计划，如阿里ET城市大脑，百度城市大脑，腾讯未来城市（Wecity），华为城市神经网络，讯飞超脑等。到2020年，在这些科技企业的支撑下，中国数百家城市启动了城市大脑工程，包括杭州、上海、北京、福州、铜陵、重庆、贵州、深圳等。

在产业界，认为城市大脑是“基于云计算、物联网、大数据、人工智能等技术，支撑城市运行生命体征感知、公共资源配置优化、重大事件预测预警、宏观决策指挥的数字化基础设施和开放创新平台。”

这个时期产业实施的城市大脑，主要是依托人工智能技术对城市的数据和信息进行管理的城市级人工智能系统。为了方便城市领导者掌握和管理城市信息，还建立了城市管理者“驾驶舱“[10]，这时建设中的城市大脑方案与互联网大脑的关系见图2。

从互联网大脑的架构图中可以看出，这个时期推进的城市大脑项目主要建设了巨型神经元控制下的城市人工智能中枢系统，因此这个阶段也可称为城市大脑的AI巨型神经元建设阶段。由于没有统一的建设标准，不同企业和不同城市建设的城市大脑依然存在信息孤岛或智能孤岛的问题。不但城市内的人，物，系统不能完全打通，不同城市之间的城市大脑也无法连接。这种隐忧可能为未来的城市大脑发展带来额外成本。

第四个阶段  城市大脑的连接阶段（2021-2045）

神经元网络是生物大脑最重要的结构，因此建设城市大脑的神经元网络也是最重要和最基础的工作。这也是城市大脑第三阶段缺失的地方。因为没有统一的神经元技术标准。城市内部的居民、设备、系统无法实现关联，更为重要的是城市间的城市大脑也无法有效连接。

因此如何建立統一的城市神经元框架标准并展开实施就成为城市大脑第四阶段最重要的任务，城市类脑神经元网络的建设能为城市中的每一个元素提供统一的神经元节点空间。在这个节点空间里，人、物、系统将自己的信息同步映射，可以运行相应的管理控制程序，实现人与人、人与物、物与物、人与系统、物与系统、系统与系统的相互关注与信息交流。如图3所示。

2020年《城市大脑与超级智能城市建设标准研究》的研究报告中提出，在城市神经元节点中应该有5个重要的组成部分，分别是;

1.信息展示区，对映射对象发布的信息进行显示的权限控制

2.功能模块区，根据不同的映射对象需求提供不同的功能模块

3.智能控制区，对信息展示和功能模块进行管理的区域，人类和AI可同时控制

4.神经元节点编码，对所有的城市大脑神经元节点进行统一编码

5.空间位置编码，对所有城市大脑神经元节点所处的地理位置和海拔高度进行统一编码，标注其位置（如果是网络智能系统，空间位置将为0）

当每个城市神经元节点具有统一的技术结构、节点和地址编码，这样才能保证符合城市大脑作为互联网大脑的子集，各城市大脑可以通过互联网大脑架构实现相互协同合作的发展规律与目标。

如何构建城市神经元的技术标准，如何在不同城市和不同国家之间形成共识并推进是一个漫长和困难的过程。因此城市大脑第四阶段预计会持续10年或数十年的时间。一部分有前瞻性的城市如上海已经重视城市神经元的建设，提出将布控百亿传感器的城市神经元[11]。

第五阶段  城市大脑的分权阶段（2023年-2045年）

构建世界统一的城市神经元技术标准，目标是把城市、国家乃至世界范围的人、智能设备与系统连接起来，数十亿人类和数百亿智能设备及系统通过互联网大脑架构形成自然界前所未有的超级智能形式。

作为子集，城市大脑也将连接百万级人口和上亿级的智能系统，这其中包含人与机器（系统）的各种组合关系，城市大脑需要重点解决这各种组合关系的权限分配问题：也就是机器（系统）与机器（系统）的权限分配问题，人与人之间的权限分配问题，人与机器（系统）权限分配的问题。

第一是机器（系统）与机器（系统）的权限分配问题，可以按照具体场景对涉及的机器权限进行分配，在城市大脑第三阶段中，一些城市建设的城市大脑重点发展了较高级别的城市级AI巨型神经元。

第二是人与人之间的权限分配问题，一种最简单的方法是将人类的社会关系映射进来，包括领导与下属关系，城市管理者与居民之间的服务被服务关系，国家与地区领导者之间的管理和被管理关系等。

第三是人与机器（系统）权限分配的问题。2020年研究报告《城市大脑的建设标准研究》提出任何一个城市神经元，可以实现人类和机器双智能控制，但要求必须有一个权限最大的人类用户，这个规则的设定也符合钱学森在“开放复杂巨系统”理论中提到的“人机结合，以人为主”的原则。这项规则的提出也是为了避免全部交给机器和AI系统进行决策导致的失控现象。

6. 第六阶段  城市大脑的反射弧阶段（2025-2045）

我们知道反射弧是生命智能体展现智能的重要功能[12]，同样当城市所有系统都被链接到类脑神经元网络中，完成人人，人机，机机的权限分配后，城市的大量的需求就可以基于城市云反射弧实现，从感知城市的需求到中枢神经处理，最后反馈到现场执行，形成一条条城市大脑的云反射弧，它是城市大脑最终可以对城市的各种问题、需求、任务产生反应、做出决策、开展行动进而解决问题的关键，如图5所示。

应该说一个城市将有大量需求可以通过云反射弧机制实现。如通过智能手机实现的出行打车（交通云反射弧），通过云端实现的购物活动（购物云反射），通过烟雾传感器引发的灭火行动（防火云反射弧）等。

由此产生的城市居民、企业和政府机构在这个机制下承担怎样的角色？跨越城市之间的地区级云反射弧如何协调？不同的技术和科技企业在这个过程中如何支撑？这些问题也需要在发展中不断解决。