刘朝晖：城市大脑从起源到终极状态的7个阶段

摘要： 50年来，互联网从网状架构演变为类脑架构，其与城市建设的融合是城市大脑出现的根源。 通过分析互联网大脑模型的特点，提出城市大脑发展的三个顶层原则。 基于这三个原则的实现顺序和难度，结合城市的历史发展和互联网的未来趋势，提出城市大脑的发展。 7 个阶段。 分别是城市从原始到工业现代化的第一阶段、智慧城市兴起的第二阶段、城市大脑概念的第三阶段、城市神经元连接的第四阶段、城市间权力分配的第五阶段。人机系统。 。 城市云反射弧形成第六阶段，城市大脑向世界大脑进化第七阶段。

关键词：城市大脑、智慧城市、城市神经元、云反射弧、世界大脑

0.前言

21世纪以来，前沿科技领域出现了许多“大脑”概念，如谷歌大脑、百度大脑、阿里巴巴大脑、360安全大脑、腾讯超级大脑等，城市大脑、城市神经网络等。网络大脑、工业大脑、航空大脑、互联网大脑、社会大脑、全球大脑等。其中，城市大脑的出现引起了政府的重视。 学术界和工业界均高度重视。 并开始在多个城市进行推广。

到2020年，我国近500个城市启动了“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。 建设规模已超百亿资金。

业内，腾讯推出“未来城市”和“城市超级大脑”，阿里巴巴推出“阿里巴巴ET城市大脑”，华为提出“城市神经网络”，科大讯飞提出“城市超级大脑”，360提出“城市”安全“大脑”[2]利用企业的技术优势与智慧城市建设相结合，形成不同风格、各具特色的城市大脑建设方案。业内主要认为城市大脑是“基于云计算、互联网+的城市大脑”。物联网、大数据、人工智能等技术提供支撑城市运行生命体征感知、优化公共资源配置、重大事件预测预警、宏观决策指挥的数字基础设施和开放创新平台。 ”

在研究领域，2015年，本文作者在《基于互联网大脑架构的智慧城市建设探讨》论文中提出了城市大脑的学术定义，并认为在过去的50年里，互联网从网状结构相当于大脑结构[5]，与智慧密切相关。 城市建设的结合是城市大脑出现的根源，如图1所示。

图1.互联网大脑模型

因此，本文认为城市大脑是在与人类社会不断互动过程中自组织形成的类脑系统。 城市大脑系统最终将有城市中枢神经（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） ，以及城市智慧的产生和发展。 应用（大数据和人工智能）、城市神经纤维（5G、光纤、卫星等通信技术）。 在上述城市类脑神经的支撑下，形成了城市建设的两个核心：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。城市。 二是城市大脑云反射弧，实现城市服务快速智能响应。 云机智能、云群智能是智慧城市涌现的核心驱动力。 这种基于互联网大脑模型的类城市大脑架构被称为城市大脑。”

从概念层面看，这种城市大脑作为一个复杂系统的演化和形成符合自然界普遍的演化规律。 它也将是各种概念城市大脑的最终归宿，而我们过去和今天的各种实践和探索最终都会成为城市大脑进化的一部分。 当我们深入了解这种模式时，我们可以以更简单、更有效的方式诱导和刺激进化过程。

从复杂系统形成的条件来看，众多的智能要素、全面的联系、与人类社会的大量交互、无序、大量的反馈机制是城市大脑最终形成的关键因素。 基于此，2020年《城市大脑研究与超级智慧城市建设规范1.0》进一步提出了城市大脑发展的三个顶层规范，分别是：1）能够连接人的统一的城市类脑系统、事物、设备和系统。 神经元技术框架； 2）每个城市类脑神经元必须实现人与机器的双重智能控制，但保持人的最高控制权； 3）通过信息路由技术实现城市云反射弧，满足城市的各种需求[6]。

通过预测城市大脑三大顶层规范实施的难度和成熟度条件，结合城市发展历史和现代化进程，我们将城市大脑从诞生到成熟、达到七个阶段其最终形式如表1所示。

表1 城市大脑发育的7个阶段

1、第一阶段，城市大脑的史前阶段（6000年前-2009年）

城市的起源可以追溯到6000年前。 考古证明，最早的城市起源于美索不达米亚平原。 然而，城市出现后并不是从一处扩散开来的。 相反，它们分布在不同的地区。 这是城市产生的多元理论。

人类第一座城市埃利都的城墙长超过9.5公里，人口估计约为5万。 城市的出现是人类成熟和文明的标志，也是人类群体生活的高级形式。

城市的智慧化水平随着人类科技和文明的进步而发展。 18世纪中叶开始的工业革命，为这座城市带来了新的发展时期。 作为工业化的驱动力，资本、工厂和人口迅速集中在各原材料产地，特别是煤炭和沿海地区，形成了人口集中、密度高、工业发达的城市[7]。

到1980年，世界城市化水平为39.6%，2000年达到46.6%。这一时期城市现代化的标志包括城市内部和城市之间的分工和协作； 高能源基础设施； 道路、交通（国内、国际）、通讯、给排水、供电、供气等现代化设施的敏化； 最终，就像最早的单细胞生物开始感知世界并做出反应一样，城市也开始发展出一些简单的感知和反馈机制。

2、第二阶段，城市大脑的混乱阶段（2009-2015）

2009年1月，IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”。 由此延伸出来的智慧城市理念极大地推动了世界各国的城市现代化进程。 城市大脑开始产生局部神经核，实现城市部分功能的集中化、智能化组织和调节。

“智慧地球”战略提出，IT产业下一阶段就是将新一代IT技术全面应用到各行各业。 智慧城市是基于智慧地球建设总体框架的智慧城市建设规划。 将新一代信息技术全面应用到城市建设中[8]。

此后，智慧城市迅速成为我国城市建设的热点，已有近千个城市公布了自己的智慧城市建设规划。 但现阶段智慧城市的发展方向尚不明确，概念上存在很多模糊之处。 有专家认为，智慧地球、智慧城市将很多新的信息技术打包到城市建设的篮子里，没有统一的建设规划指导。 存在盲目炒作、缺乏顶层设计、基础薄弱等问题。

在实施过程中，由于行业利益和部门利益的存在，住建部原副部长邱保兴指出，一些“智慧城市”方案并不能解决任何城市病，有的被IT企业“绑架”，成为企业宣传产品的工具。 渠道； 有的被政府部门“绑架”，在部门之间形成信息孤岛； 许多人被“愚弄”； 更有什者，一些地方的“智慧城市”规划有误。 总体而言，现阶段城市大脑的概念尚未出现，智慧城市还存在很多概念和实施问题[9]。

3、第三阶段：城市大脑萌芽阶段（2015-2021）

2015年，《基于互联网大脑模型的智慧城市建设》提出了城市大脑类脑智能巨系统的特征定义。 本文认为，近50年来，互联网逐渐从网络结构发展成为大脑模型。 互联网类脑建筑与智慧城市建设的结合，是城市大脑出现的根源。 除了中枢神经系统、视觉、听觉、感觉、记忆神经外，最重要的是城市类脑神经元网络和城市云反射弧的构建。 。

2016年以来，阿里巴巴、百度、腾讯、华为、科大讯飞等都提出了自己的泛城市大脑计划，包括阿里巴巴的ET城市大脑、百度城市大脑、腾讯未来城市（）、华为城市神经网络、科大讯飞超级大脑等。

在这些科技公司的支持下，到2020年，中国将有数百个城市推出城市大脑项目。包括杭州、上海、北京、福州、铜陵、重庆、贵州、深圳等。业内认为，城市大脑“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、公共资源优化配置、重大事件预测预警等的数字化基础设施。宏观决策和指挥。 开放的创新平台。 ”

这一时期业界实施的城市大脑计划与学术研究理论得出的城市大脑计划有所不同。 类脑神经网络和城市云反射弧的构建并不是构建的重点。 它主要是一个城市级人工智能系统，依靠人工智能技术来管理城市数据和信息。 为了方便城市领导掌握和管理城市信息，还建立了城市管理者的“驾驶舱”[10]。 正在建设的城市大脑解决方案与互联网大脑的关系如图2所示。

图2 目前行业构建的城市大脑特征示意图

从互联网大脑的架构图可以看出，这一时期推动的城市大脑项目主要构建了一个由巨型神经元控制的城市人工智能中枢系统。 因此，这一阶段也可以称为城市大脑的AI巨神经元构建阶段。 更多的城市元素尚未被纳入城市大脑的框架中。 由于没有统一的建设标准，不同企业、不同城市建设的城市大脑仍然存在信息孤岛或智慧孤岛的问题。 不仅城市中的人、物、系统无法充分互联，不同城市的城市大脑也无法互联。 这种情况可能会给未来城市大脑的发展带来隐忧和额外成本。

4、第四阶段，城市大脑连接阶段（2021-2045）

神经元网络是生物大脑最重要的结构，构建城市大脑的神经元网络也是最重要、最基础的工作。 这就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。 城市内的居民、设备和系统无法连接。 更重要的是，城市之间的城市大脑无法有效连接。 从一开始，城市大脑就是互联网大脑的一个子集。 通过互联网大脑，城市大脑之间形成统一标准，实现信息交互。

因此，如何建立统一的城市神经元框架标准并实施成为城市大脑第四阶段的首要任务。 一方面，城市类脑神经元网络的建设可以提供城市中的每一个要素，包括建筑、路灯、汽车、燃气管道、城市居民、医生、商业机构、市政管理者（市长）、服务交通、医疗、安防智能系统等提供统一的神经元节点空间，如图3所示。

图3 城市神经元结构图

在这个节点空间中，人、物、系统都可以映射和同步各自的信息，并可以运行相应的管理和控制程序。 通过这个节点空间，可以实现人与人、人与物、物与物、人与系统。 物体与系统、系统与系统之间的相互关注和信息交换。

2020年研究报告《城市大脑与超级智慧城市建设标准研究》提出，城市神经元节点应有5个重要组成部分，即；

1）信息展示区域，展示测绘对象发布的信息的权限控制

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，即管理信息显示和功能模块的区域，需要同时实现人控和AI控制。

4）神经元节点编码，所有城市脑神经元节点统一编码

5）空间位置编码，统一编码所有城市大脑神经元节点的地理位置和海拔高度，并标记其位置（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都有统一的技术结构、节点编码、地址编码时，就能保证城市大脑是互联网大脑的子集。 每个城市大脑都可以通过互联网大脑架构实现彼此的发展规则和协作。 目标。

如何建立城市神经元的技术标准，如何在不同城市和国家之间形成共识并开始推进，一定是一个漫长而艰难的过程。 因此，城市大脑的第四阶段预计将持续10年或几十年。 上海等一些具有前瞻性的城市非常重视城市神经元的建设，提出了控制城市数百亿个传感器的城市神经元。

5、第五阶段，城市大脑去中心化阶段（2023-2045）

建立全球统一的城市神经元技术标准的目标是连接城市、国家乃至全球的人、智能设备、智能系统。 数十亿人类和数百亿智能设备和系统通过互联网大脑架构形成了自然界前所未有的系统。 超智能形态。

城市大脑作为一个子集，还将连接数百万人、亿万个智能系统，包括人与人的关系、人与机器（系统）的关系、机器（系统）与机器（系统）的关系。 ）。 这时城市大脑需要重点解决这三种关系的权限分配问题：即机器（系统）与机器（系统）之间的权限分配问题、人与人之间的权限分配问题、人与人之间的权限分配问题人与机器（系统）之间的问题。 权限分配的问题应该说非常复杂，工作量也会极大，如图4所示。

图4 城市大脑权限分布示意图

第一个问题是机器（系统）与机器（系统）之间的权限分配。 涉及的机器的权限可以根据具体场景进行分配。 城市大脑第三阶段，部分城市建设的城市大脑重点发展城市级人工智能。 巨型神经元，这些神经元的权威实际上在城市大脑中处于较高的水平。

二是人与人之间的权力分配问题。 最简单的方法之一就是绘制人类社会关系图，包括部门、单位之间的领导与下属关系，以及城市管理者与居民之间的服务关系。 国家和地区领导人之间的管理和被管理关系等。

三是人与机器（系统）之间的权限分配问题。 2020年研究报告《城市大脑建设标准研究》提出，任何城市神经元都可以实现人与机器的双重智能控制，但要求必须有一个拥有最大权限的人类用户。 这一规则的设定也符合钱学森的“开放式”复杂巨系统理论中提到的“人机一体化、以人为中心”的原则。这一规则的提出也是为了保证人类智能超越人类智能。机器智能在大规模城市大脑和互联网大脑中的权威性，避免一切决策都由机器和人工智能系统造成的失控现象，在具体实现中，如果在特殊场景下，一些城市神经元系统需要要对人类用户进行人工智能或机器智能控制，这需要严格的专家评估、详细的数据记录以及责任人的明确。

6、城市大脑的反射弧阶段（2025-2045）

我们知道，反射弧是生命体智力显示智力的重要功能[12]。 同样，当城市中的人、设备、物体、系统与类脑神经元网络相连时，就完成了每个人、人与机器、机器与机器的权威。 分发后，基于城市云反射弧可以实现城市的大量需求，从感知城市需求到中枢神经处理，最后反馈到现场执行，形成城市大脑的云反射弧，是城市大脑最终响应城市中的各种问题、需求和任务，做出决策并采取行动解决问题的关键，如图5所示。

图5 城市大脑神经反射弧示意图

应该说，一个城市会有大量的需求可以通过云反射弧的机制来实现。 例如，通过智能手机实现网约车出行，通过云端实现购物活动。 由烟雾传感器等触发的消防行动

因此，当基于互联网类脑架构的城市大脑不断成熟时，根据城市的不同需求建立和配置云反射弧机制将是现阶段的重点工作，包括医疗云反射弧、交通云反射弧等。云反射弧、购物云反射弧、交通云反射弧、消防云反射弧、金融云反射弧等。

另外，城市居民、企业、政府机构在这个机制下扮演什么角色？ 区域级云反射弧如何在城市之间协调？ 不同的技术和科技公司如何支持这个过程？ 这些问题也需要在发展过程中不断解决。

7、城市大脑的世界大脑阶段（2045-）

城市大脑本质上是互联网进化为类脑架构与智慧城市相结合的产物。 它不仅是互联网大脑架构的一个子集，也是互联网大脑架构的重要组成部分。 当各国城市大脑成熟并互联时，世界范围内的互联网大脑技术框架必然走向统一和成熟，如图6所示。

图6 基于互联网大脑模型的世界大脑示意图

历史上许多人都独立发展了这样的概念：社会可以被视为一个神经系统有机体。 例如，国王是头、农民是脚的观念至少可以追溯到古希腊和中世纪。

英国哲学家赫伯特·斯宾塞于1876年出版了《社会作为有机体》一书，详细比较了动物神经系统和人类社会的特点。 1936年，英国科幻作家赫伯特·乔治·威尔斯（HG Wells）出版了《世界大脑》。 提出世界大脑就是要在世界范围内建立一个庞大的知识库。

美国媒体学家麦克卢汉在1964年出版的《理解媒体》中描述了社会与大脑的关系，“在过去几千年的机械技术时代，人类实现了身体在空间上的延伸；在次元世界在20世纪的电子技术时代，人类的中枢神经系统在全球范围内延伸，并在全球范围内进一步扩展。”

1983年，英国哲学家彼得·罗素（P.）撰写了《地球大脑的觉醒——进化的下一步飞跃》，进一步延伸和明确了麦克卢汉的观点。 他提出人类社会通过政治来改变。 、文化、科技等各种联系，使地球成为类似人类大脑的组织结构，也就是地球大脑或全球大脑。

中国科学家钱学森于1990年提出“开放复杂巨系统”及其研究方法，将科学理论、经验知识和专家判断统一起来，将各类信息数据与计算机软硬件系统相结合，形成人机一体化，以人为中心，对事物反复进行定性、定量分析和综合，最终从整体上研究和解决问题的体系。

中国科学家石忠植在其人工智能导论中提出，“互联网已经成为人们共享全球信息的基础设施。在互联网的基础上，通过全球心智模型World Wide Mind（WWM）可以实现一个全球大脑世界”。 ）”。

过去50年里，有各种迹象表明互联网正在从网状架构演变为大脑模型。 城市大脑是互联网大脑模型最重要的基石之一。 通过城市大脑，连接城市的居民、设备和智能系统，从而形成国家大脑，最终实现世界大脑。 这是城市大脑开发的最终形式。 城市大脑所走过的第四、第五、第六阶段，也将使基于互联网大脑模型的世界大脑实现对整个世界的认知、判断、决策、反馈和改造。

七、总结

从互联网大脑的发展和与产业融合的趋势来看，随着互联网大脑模型的拓展和应用范围的扩大，行业出现了企业大脑、城市大脑、国家大脑、全球大脑、太阳系或银河大脑。 也就是说，城市大脑、世界大脑的终点将不仅仅局限于地球。 相反，随着人类在月球和火星上建立基地，这个世界大脑的范围将不断从地球扩展到太空深处。 这不再是科幻小说的幻想，而是未来已经可以实现的目标，如图7所示。

图7 城市大脑发育图

本文对城市大脑的发展阶段进行了划分和阐述。 目的是为行业和城市管理者提供了解城市大脑发展趋势的模型和工具。 应该说，这样的划分并不是很严格，还是为了未来。 一个猜想。 但目标是为行业和城市管理者提供了解城市大脑发展趋势的模型和工具，并通过判断城市大脑的现状和不足，为后续发展做出早期判断和准备。 而且，随着城市大脑建设和研究的深入，划分为七个阶段的时间边界应不断调整，以适应行业的发展。

作者：刘峰、刘朝晖 本文于2020年7月杂志正式发表

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