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0.序言

21世紀以來，前沿科技領域出現諸多“大腦”概念，如谷歌大腦，百度大腦，阿里大腦，360安全大腦，騰訊超級大腦等，城市大腦，城市神經網絡，工業(yè)大腦，航空大腦，互聯網大腦、社會腦，全球腦等。其中城市大腦的出現引起了政府。學術界和產業(yè)界的高度重視。并在很多城市開始推動。

到2020年，在中國已經有近500個城市啟動“城市大腦”建設計劃，成為當前新型智慧城市建設的熱點。其中包括杭州、上海、北京、福州、鄭州、銅陵、廣州等等城市。建設規(guī)模已經超過數百億資金。

在產業(yè)界，騰訊推出“”WeCity未來城市”和城市超級大腦”，阿里推出”阿里ET城市大腦“”，華為提出“城市神經網絡”、科大訊飛提出“城市超腦”，360提出“”城市安全大腦“”[2]，利用企業(yè)的技術優(yōu)勢與智慧城市建設結合，形成不同風格和特點的城市大腦建設方案。在產業(yè)界，主要認為城市大腦是“基于云計算、物聯網、大數據、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、宏觀決策指揮的數字化基礎設施和開放創(chuàng)新平臺?！?/span>

在研究領域，2015年，本文作者在論文《基于互聯網大腦架構的智慧城市建設探討》提出城市大腦的學術定義，認為在過去50年，互聯網從網狀結構進化成為大腦結構[5]并與智慧城市建設結合，是城市大腦產生的根源，如圖1所示。

由此本文認為，城市大腦是隨著互聯網類腦化和城市智能化的深度發(fā)展，智能單元廣泛應用、全面連接，并在與人類社會的持續(xù)互動過程中自組織形成的類腦系統(tǒng)。城市大腦系統(tǒng)最終將具備城市中樞神經（云計算），城市感覺神經（物聯網）城市運動神經（云機器人，無人駕駛、工業(yè)互聯網），城市神經末梢發(fā)育（邊緣計算），城市智慧的產生與應用（大數據與人工智能），城市神經纖維（5G、光纖、衛(wèi)星等通訊技術）。在上述城市類腦神經的支撐下，形成城市建設的兩大核心：第一是城市神經元網絡，實現城市中人與人，人與物，物與物的信息交互。第二是城市大腦的云反射弧，實現城市服務的快速智能反應。云機器智能和云群體智慧是城市智慧涌現的核心動力。這樣基于互聯網大腦模型的城市類腦架構稱之為城市大腦”。

從概念層次來說，這種作為復雜系統(tǒng)的城市大腦，其演化和形成符合自然界進化的普遍規(guī)律，也將是各種概念上城市大腦的最終目的地，而我們過去和今天的各種實踐和探索終將成為城市大腦進化過程中的一部分。當我們洞察這種規(guī)律，就能夠以更簡單和更有效的方式來誘導和激發(fā)進化的過程。

按照復雜系統(tǒng)形成的條件，對于城市大腦的最終形成來說，眾多的智能元素、全面的連接、海量的與人類社會之間的互動、無序性，以及大量的反饋機制構成了關鍵因素?；诖?，2020年，《城市大腦與超級智能城市建設規(guī)范研究1.0》進一步提出了城市大腦發(fā)展的三個頂層規(guī)范，分別是：1）能夠連接人，物，設備和系統(tǒng)的統(tǒng)一的城市類腦神經元技術框架；2）每一個城市類腦神經元要實現人機雙智能控制，但保持人類控制權最高；3）通過信息路由技術實現城市云反射弧，滿足城市的各種需求[6]。

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)展歷史和現代化進程，我們對城市大腦從產生到成熟并到達最終形態(tài)，劃分了七個階段,如表1所示。

表1 城市大腦發(fā)展的7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，但城市產生以后并不是從一個地方擴散的，而是在不同地域產生后各自傳播，這就是城市產生的多元學說。

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，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%，這個時期城市現代化的標志，包括城市內部與城市之間的分工與協作；基礎設施高能化；道路、交通（國內與國際）、通訊、供排水、供電、供氣等現代設施的靈敏化；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代化進程。城市大腦開始在局部產生神經核團，實現對部分城市功能的中心化智能化組織和調控。

“智慧地球”戰(zhàn)略提出：IT產業(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?？傮w這個階段，城市大腦概念還沒有浮現出來，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，《基于互聯網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，互聯網逐步從網狀結構發(fā)展成為大腦模型。互聯網類腦架構與智慧城市建設結合是城市大腦產生的根源，城市大腦除了具備中樞神經，視覺，聽覺，感覺，記憶神經之外，最重要的是城市類腦神經元網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），華為城市神經網絡，訊飛超腦等。

在這些科技企業(yè)的支撐下，到2020年，中國數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。在產業(yè)界，認為城市大腦是““基于云計算、物聯網、大數據、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、宏觀決策指揮的數字化基礎設施和開放創(chuàng)新平臺?！?/span>

這個時期產業(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，類腦神經元網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據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網大腦的關系如用圖2表示。

4.第四個階段，城市大腦的連接階段（2021-2045）

神經元網絡是生物大腦最重要的結構，同樣建設城市大腦的神經元網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)一的神經元技術標準。城市內部的居民，設備，系統(tǒng)無法關聯起來，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，城市大腦作為互聯網大腦的子集，通過互聯網大腦，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，城市類腦神經元網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)一的神經元節(jié)點空間，如圖3所示。

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) 神經元節(jié)點編碼，對所有的城市大腦神經元節(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（如果是網絡智能系統(tǒng)，空間位置將為0）

當每個城市神經元節(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網大腦的子集，各城市大腦可以通過互聯網大腦架構實現相互協同合作的發(fā)展規(guī)律與目標。

如何構建城市神經元的技術標準，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年或數十年的時間。一部分前瞻的城市如上海市已經重視城市神經元的建設，提出在城市布控百億傳感器的城市神經元。

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，數十億人類和數百億智能設備和系統(tǒng)通過互聯網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巨型神經元，這類神經元的權限在城市大腦中事實上已經處于較高級別。

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元，可以實現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網大腦上，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象。在具體實施中，如果在特殊場景下，一些城市神經元系統(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、詳細的數據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元網絡中，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，從感知城市的需求到中樞神經處理，最后反饋到現場執(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。例如一次通過智能手機實現的出行打車，一次通過云端實現的購物活動。一次通過煙霧傳感器引發(fā)的滅火行動等，

因此當以互聯網類腦架構為基礎的城市大腦不斷成熟后，根據城市的不同需求，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)級云反射弧如何協調？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-）

城市大腦本質上是互聯網向類腦架構進化時與智慧城市結合的產物，它既是互聯網大腦架構的子集，也是互聯網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，世界范圍的互聯網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系統(tǒng)有機體的概念。例如認為國王是頭、農夫是腳的觀點，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，“在過去數千年的機械技術時代,人類實現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、經驗知識和專家判斷統(tǒng)一起來，把各類信息和數據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“互聯網已成為人們共享全球信息的基礎設施，在互聯網的基礎上通過全球心智模型World Wide Mind(WWM) 就可以實現全球腦 World windBrain?！?

在過去50年的時間里，種種跡象表明，互聯網正在不斷從網狀架構發(fā)展成為大腦模型。而城市大腦是互聯網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)。城市大腦經過的第四，第五，第六階段也將使得基于互聯網大腦模型的世界腦，作為整體實現對世界的認知、判斷、決策、反饋和改造。

7.   總結

從互聯網大腦的發(fā)展和與產業(yè)結合的趨勢，伴隨著互聯網大腦模型的擴張和應用范圍的擴大，產業(yè)分別出現企業(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，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，而是在未來已經可以實現的目標，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整適應產業(yè)的發(fā)展。