“城市大脑”：构建智慧未来

文｜刘锋

城镇化进程不断加速，城市产生了交通拥堵、环境污染、资源短缺等一系列“城市病”，这对城市公共资源的运营和城市治理提出了巨大挑战。同时，随着云计算、大数据、区块链、人工智能等新一代信息技术的蓬勃发展，在此背景下，城市大脑应运而生。

到2021年3月，已经有数百个城市宣布建设“城市大脑”，阿里、华为、百度、腾讯、科大讯飞、360、滴滴、京东等数百家科技企业宣布进入城市大脑领域，提出自己的泛城市大脑建设计划。

城市大脑如何建设才能符合科学发展规律，应该说城市大脑的产生和建设不仅仅是工程问题，它首先也是一个基础科学问题。需要探寻新世纪前言科技生态的发展规律，并以此作为研究基础构建新一代城市大脑的建设方案与步骤。

城市大脑建设规律和特点

从21世纪科技发展趋势看，种种迹象表明，经过50年的发展，互联网正在从网状结构向类脑模型演化。譬如腾迅、Facebook 等社交网络具备的神经网络特征、谷歌街景系统具备的视觉神经特征、云计算具备的中枢神经特征，在这些现象的启发下，2008年，科学院研究团队将这个互联网新结构称为互联网大脑模型，如图1所示。

图1 互联网大脑模型图

21世纪涌现的诸多新技术无一不是与互联网大脑模型的发育有关。在前沿科技方向：云计算对应中枢神经系统；物联网对应感觉神经系统；工业4.0，云机器人、智能驾驶、3D 打印对应运动神经系统；边缘计算对应神经末梢；大社交网络，混合智能、云群体智能和云机器智能对应类脑神经元网络；移动通讯和光纤技术对应神经纤维。

在行业产业方向，互联网大脑架构与工业、农业、航空、交通、建筑、冶金、电力、城市建设等等行业结合，就形成了诸如工业大脑，农业大脑，航空大脑、冶金大脑、建筑大脑、电力大脑、城市大脑、城市云脑等等。

互联网大脑的形成不但是城市大脑产生的技术基础，同时它对21世纪人类的社会结构、经济形态、科技创新、哲学思考也都将产生重大而深远的影响。

2015年1 月，科学院研究团队在《基于互联网大脑架构的智慧城市建设探讨》一文首次提出城市大脑的概念和定义。

城市大脑是互联网大脑架构与智慧城市建设结合的产物，是城市级的类脑复杂智能巨系统，在人类智慧和机器智能的共同参与下，在物联网、大数据、人工智能、边缘计算、5G、云机器人和数字孪生等前沿技术的支撑下，城市神经元网络和城市云反射弧将是城市大脑建设的重点。城市大脑的作用是提高城市的运行效率，解决城市运行中面临的复杂问题，更好的满足市民的不同需求。城市大脑的发展目标不仅仅局限在一个城市或一个地区，当世界范围的城市大脑连接在一起，城市大脑最终将形成世界神经系统（WWNS），为人类协同发展提供一个类脑的智能支撑平台。

从上述城市大脑的定义可以看出，城市大脑不仅仅是一个城市内部的系统、更是国家范围、世界范围内不同城市之间相互关联的复杂智能巨系统。因此构建城市大脑的标准不是某一个城市或一个国家的建设标准，而应该是适用于全球各个城市的城市大脑建设，从互联网大脑的定义和互联网大脑模型中，可以看到存在三个最重要的特点，如图2所示，它们分别是：1.类脑神经元网络的建设与万物互联；2.云群体智能与云机器智能的双智能中心控制；3.云反射弧的形成与信息的跨节点传递。通过这三个特点的分析可以为建设城市大脑的标准建设提供理论支撑。

图2 互联网大脑的三个基础特征

城市大脑建设方向和特征

2020年12 月，科学院研究团队发布了《城市大脑全球标准研究报告》，提出城市大脑全球标准的9 个方向，它们分别是城市大脑的顶层建设规范、整体技术架构、云反射弧机制、运行安全、城市神经元的种类划分、识别编码、空间位置编码、功能结构和关系确定等，它们的关系如图3所示。

图3 城市大脑建设标准研究示意图

城市大脑涉及到庞大数量的因素和技术，如何建设城市大脑，不同企业和城市提出了不同的建设重点，譬如以大数据为核心、以5G 为核心、以超级计算为核心、以人工智能技术为核心等。综上所述，一个科学的城市大脑建设方案应该具备以下10 个特征：1.构建基础理论；2.适应复杂场景；3.突破地域限制；4.消除信息孤岛；5.满足民众需求；6.降低建设成本；7.实现协同建设；8.体现人机融合；9.保持持续进化；10.对人类协同发展形成支撑。

回到城市大脑建设的初衷，它的建设必然首先要解决城市的重要问题或满足民众的紧迫需求，各种技术必须作为整体形成技术链条一一对应解决城市的每一个问题和每一个需求。这个技术链条就是城市云反射弧机制。

由此可以得出推论，在城市大脑的建设中城市云反射弧应该处于第一核心位置，而世界统一的城市神经元网络处于第二核心位置，在此基础上，可以形成1+N 模式新一代城市大脑建设方案：1 是世界统一的城市神经元网络，负责连通人、物和程序，为城市云反射弧提供统一的运转基础；N 是N 条城市云反射弧，对应解决城市的问题，满足城市各成员的需求。如图4所示。

图4 城市大脑建设结构图

城市云反射弧的机制形成是拉动物联网、云计算、大数据、人工智能、工业互联网、边缘计算、数字孪生等技术应用的关键动力。为了避免应用孤岛，使得城市、国家乃至世界作为一个整体进行运转，这就需要建设世界统一的城市神经元网络将每一条城市云反射弧关联起来。新一代城市大脑建设方案的最终目标是实现能够为人类社会协同发展提供支撑的世界神经系统。

城市大脑建设步骤

基于上述城市大脑建设方案的新框架和新特征，可以进一步形成新一代城市大脑建设方案的九个关键步骤：1.确定谁要建设城市大脑的问题；2.确定要解决城市的什么问题和需求是什么；3.确定每个问题和需求对应的城市云神经反射弧是什么；4.对不同方面对每条城市云神经反射弧进行评估；5.对城市云反射弧涉及到的重要城市神经元进行规划；6.设计可实施的城市云反射弧方案并开始建设；7.对已建立的城市云反射弧进行质量评估和持续监控；8.通过云反射弧的共性发现该每个城市的建设重点；9.公开共享城市大脑建设信息，持续进化城市大脑涉及的管理和技术。

通过新一代城市大脑建设方案的研究，希望能够解决目前智慧城市或城市大脑存在的若干问题：

第一是城市各领域的人、机器、AI 系统没有统一的规范可以无障碍地进入到城市大脑的系统中，还存在部门分割、区县分割的问题；第二是城市各种需求不能在一个平台上统一解决，不同城市之间的城市大脑互不连通；第三是建设城市大脑的科技企业之间无法形成协同效应，一个城市的城市大脑建设往往被巨头型企业垄断，中小科技企业无法按照模块化方式有效参与。

总体，城市大脑的未来发展还有很多工作需要完成，譬如世界范围统一的城市神经元标准还未真正建立；人、设备和系统在城市大脑和世界神经系统中的角色和权限如何分配还没有解决；一个既能在一栋大楼也能在世界范围内自由实现的云反射弧机制还未形成。应该说到2021年，城市大脑依然还处于萌芽阶段，需要不同领域的专家、企业家、政府决策者不断实践和创新，共同推动城市大脑的发展。

作为城市大脑发展的最终形态，世界神经系统将为人类社会的协同发展，构建起全球统一的类脑智能支撑平台，实现对世界的认知、判断、决策、反馈和改造，共同应对来自大自然的各种挑战和风险，满足人类社会的各种需求。应该说新一代城市大脑建设方案的提出、为城市大脑最终演化为世界神经系统，为实现人类命运共同体构筑重要的全球性技术基础。