我國城市大腦首批三項標(biāo)準(zhǔn)的解讀與專家評議
2022年9月1日，中國指揮與控制學(xué)會在京召開《城市大腦首批標(biāo)準(zhǔn)新聞發(fā)布會》正式發(fā)布《城市大腦術(shù)語》、《城市大腦頂層規(guī)劃和總體架構(gòu)》；《城市大腦數(shù)字神經(jīng)元基本規(guī)定》等三項團體標(biāo)準(zhǔn)。中科院、清華、北大、鵬城實驗室、遠望智庫、中國電信、中國聯(lián)通、中電萊斯，廣電運通、中國電科院、騰訊、百度等30多家著名科研和企業(yè)機構(gòu)作為參編單位參與了標(biāo)準(zhǔn)的編制。
中國指揮與控制學(xué)會理事長、工程院費愛國院士對標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布給與肯定，他指出城市大腦是一個產(chǎn)業(yè)問題也同時是一個基礎(chǔ)科學(xué)問題，目前我們國家無論在理論研究還是在產(chǎn)業(yè)實踐上都已經(jīng)走在世界的前沿。2008年IBM提出智慧地球和智慧城市，這是一個很有遠見的概念，也被世界各國認(rèn)同，但智慧城市如何產(chǎn)生智慧一直是主要難題。為此，中國指揮與控制學(xué)會發(fā)布的這個城市大腦系列標(biāo)準(zhǔn)，總體是從類腦仿生學(xué)的角度，將智慧城市建設(shè)、指揮與控制、人工智能、腦科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)結(jié)合在一起對城市大腦建設(shè)進行了規(guī)劃，為解決智慧城市產(chǎn)生智慧的問題尋找出一條新的解決方案。
依托中國科學(xué)院和遠望智庫數(shù)字大腦研究院團隊的研究，2022年04月14日，《城市大腦系列建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》立項評審會在京召開，與會專家審議通過了《城市大腦標(biāo)準(zhǔn)體系與評價總體框架》，提出了要編制城市大腦的8個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示，本次完成的是其中三個核心標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)5個標(biāo)準(zhǔn)將在未來1年內(nèi)逐步完成發(fā)布任務(wù)。更多標(biāo)準(zhǔn)也將基于這8個標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)形成。
圖1 城市大腦標(biāo)準(zhǔn)體系與評價總體框架
第一個標(biāo)準(zhǔn) 《城市大腦 術(shù)語》介紹和解讀
該標(biāo)準(zhǔn)由中國聯(lián)通智能城市研究院牽頭編制，主要對包括互聯(lián)網(wǎng)大腦、世界數(shù)字大腦、城市大腦、數(shù)字神經(jīng)元、云反射弧、數(shù)字視覺神經(jīng)、數(shù)字聽覺神經(jīng)、數(shù)字記憶系統(tǒng)、云神經(jīng)中樞等28個新術(shù)語進行了定義。
在《城市大腦術(shù)語》中第一個核心的概念是互聯(lián)網(wǎng)大腦，它是形成整個城市大腦標(biāo)準(zhǔn)體系的理論基礎(chǔ)概念，它的示意如2所示，定義如下：
圖2 互聯(lián)網(wǎng)大腦示意圖
互聯(lián)網(wǎng)大腦是互聯(lián)網(wǎng)從網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)向類腦結(jié)構(gòu)演化形成的一種新系統(tǒng)，該系統(tǒng)在人類智慧和機器智能共同參與下，通過不斷演化形成數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、云反射弧、數(shù)字視覺、數(shù)字聽覺、數(shù)字軀體感覺、數(shù)字運動神經(jīng)系統(tǒng)、數(shù)字記憶神經(jīng)系統(tǒng)、數(shù)字神經(jīng)中樞系統(tǒng)、數(shù)字自主神經(jīng)系統(tǒng)等組織，實現(xiàn)世界范圍人、物、系統(tǒng)和組織的的有效鏈接和協(xié)同工作，完成對世界的認(rèn)知、判斷、決策、反饋和改造，最終幫助人類社會更為有效地運行和發(fā)展。包括物聯(lián)網(wǎng)、云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊 鏈、云機器人、移動通信、虛擬現(xiàn)實、邊緣計算等數(shù)字技術(shù)的興起都與互聯(lián)網(wǎng)大腦的各神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育有關(guān)。
在《城市大腦術(shù)語》中第二個核心概念是世界數(shù)字大腦。之所以定義這個新概念是因為要表明城市大腦并非單純的城市級智能中樞系統(tǒng)，而是要放在全球范圍看待城市大腦的意義，為城市大腦的最終發(fā)展?fàn)顟B(tài)做好概念準(zhǔn)備，世界數(shù)字大腦的定義如下：世界數(shù)字大腦是互聯(lián)網(wǎng)大腦與智慧社會發(fā)展結(jié)合的產(chǎn)物，是世界級類腦復(fù)雜智能巨系統(tǒng)。作用是提高人類社會的運行效率，解決人類社會發(fā)展過程中面臨的復(fù)雜問題，更好地滿足人類社會的不同需求。
在《城市大腦術(shù)語》中第三個核心概念是城市大腦，也是本標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵概念，這個概念是綜合互聯(lián)網(wǎng)大腦理論架構(gòu)和產(chǎn)業(yè)建設(shè)城市大腦的發(fā)展經(jīng)驗形成，突出了城市大腦的類腦架構(gòu)，功能和使命，與智慧城市的關(guān)系，最終演化狀態(tài)和意義等。定義如下：城市大腦是互聯(lián)網(wǎng)大腦與城市建設(shè)和運行結(jié)合的產(chǎn)物，是城市級的類腦復(fù)雜智能巨系統(tǒng)，構(gòu)成包括但不限于城市神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、云反射弧、城市智能管理中樞、城市視覺神經(jīng)、城市聽覺神經(jīng)、城市軀體感覺神經(jīng)、城市運動神經(jīng)、城市記憶、城市神經(jīng)纖維等。其中數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和云反射弧是建設(shè)的重點，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算、5G、云機器人和數(shù)字孿生等數(shù)字技術(shù)的使用應(yīng)圍繞這兩個重點實施。城市大腦的運轉(zhuǎn)需要人類智慧和機器智能的共同參與，城市大腦的作用是提高城市的運行效率，解決城市運行中面臨的復(fù)雜問題，更好地滿足民眾的不同需求。作為一種類腦的仿生技術(shù)架構(gòu)，城市大腦是智慧城市產(chǎn)生智慧的重要技術(shù)方案。城市大腦的發(fā)展不應(yīng)局限在一個城市或一個地區(qū)，需要不斷通過省、國家到世界的統(tǒng)一規(guī)劃，最終將世界范圍的城市大腦有效連接在一起，從而形成世界數(shù)字大腦，為人類協(xié)同發(fā)展提供一個類腦的智能支撐平臺。
在《城市大腦 術(shù)語》中第四個核心概念是數(shù)字神經(jīng)元和數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，目前在上海、天津、遼寧、內(nèi)蒙古、四川等省市對數(shù)字神經(jīng)元的發(fā)展進行實踐，取得了很多成果和應(yīng)用案例，其示意如圖3所示，定義如下：
圖3 數(shù)字神經(jīng)元結(jié)構(gòu)示意圖
數(shù)字神經(jīng)元是人、物、程序和組織在各種大腦系統(tǒng)中映射的程序單元，不受操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、運行設(shè)備硬件的類型限制。可以獨立運行，可以在同構(gòu)或異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行信息交互和功能協(xié)同。具有統(tǒng)一的功能結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需求進行連接、組合、交互，從而實現(xiàn)跨部門、跨行業(yè)、跨地區(qū)的互聯(lián)互通，從而形成數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。
在《城市大腦 術(shù)語》中第五個核心概念是云反射弧，云反射弧的提出和定義主要是表明萬物互聯(lián)不是最終目的，通過數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)萬物互聯(lián)后，再通過云反射弧實現(xiàn)萬物交互，從而能夠解決復(fù)雜環(huán)境下的問題和需求，才是城市大腦和世界數(shù)字大腦的使命，其示意如圖4所示，定義如下：
圖4 云反射弧結(jié)構(gòu)圖
云反射弧是多種數(shù)字神經(jīng)元按照類神經(jīng)系統(tǒng)的反射弧原理形成的協(xié)同工作技術(shù)鏈條，由擔(dān)任感受器、傳入神經(jīng)、神經(jīng)中樞、傳出神經(jīng)和效應(yīng)器的數(shù)字神經(jīng)元聯(lián)合組成，對應(yīng)解決城市和人類社會的具體問題和需求。
除了這些核心概念，術(shù)語對 構(gòu)成云反射弧的云感受器，云輸入、輸出神經(jīng)，云神經(jīng)中樞、云效應(yīng)器進行了定義，對構(gòu)成頂層建設(shè)框架的問題與需求層，數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)層，云反射弧層，管理控制層和技術(shù)支撐層進行了定義，對構(gòu)成城市大腦的各數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)，如數(shù)字視覺神經(jīng)系統(tǒng)，數(shù)字聽覺神經(jīng)系統(tǒng)，數(shù)字運動神經(jīng)系統(tǒng)、數(shù)字記憶系統(tǒng)，數(shù)字神經(jīng)纖維，數(shù)字大腦皮層、數(shù)字晶狀體等進行了定義。
中國聯(lián)通智能城市研究院首席信息官郭中梅指出《城市大腦術(shù)語規(guī)范》主要針對城市大腦相關(guān)概念與定義規(guī)范，為統(tǒng)一城市大腦建設(shè)和應(yīng)用過程中各管理和技術(shù)領(lǐng)域的基本概念而規(guī)劃的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)，對于城市大腦的傳播與交流、新理論的建立、科技成果的推廣都是十分重要的。
第二個標(biāo)準(zhǔn) 《城市大腦頂層規(guī)劃和總體架構(gòu)》介紹和解讀
該標(biāo)準(zhǔn)由中國科學(xué)院虛擬經(jīng)濟與數(shù)據(jù)科學(xué)研究中心和中電萊斯?fàn)款^編寫，提出了頂層規(guī)劃的10個要求，包括理論指導(dǎo)原則，系統(tǒng)安全性、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性、關(guān)注性價比，以人為本解決問題為核心，人機決策原則、系統(tǒng)進化原則、模塊化建設(shè)原則等等。
城市大腦頂層規(guī)劃和總體架構(gòu)的理論架構(gòu)為大腦模型（如圖5所示），這個模型是對互聯(lián)網(wǎng)大腦模型示意圖的進一步抽象化，突出了數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、云反射弧以及數(shù)字感覺、視覺、聽覺、運動、中樞系統(tǒng)等，也對數(shù)據(jù)的存儲中心、算法中心、計算中心、交互技術(shù)、通信基礎(chǔ)等進行了定位和描述。該理論架構(gòu)適用于企業(yè)、產(chǎn)業(yè)、行業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、社區(qū)街道、區(qū)縣、城市、省、國家、世界等領(lǐng)域各種大腦系統(tǒng)的建立。
圖5 城市大腦的大腦理論模型
在建設(shè)總體架構(gòu)方面，標(biāo)準(zhǔn)提出了城市大腦的五層架構(gòu)：包括問題需求層、數(shù)字神經(jīng)元層、云反射弧層、管理控制層和技術(shù)支撐層，提出所有的管理和技術(shù)應(yīng)圍繞問題需求層服務(wù)和發(fā)展，應(yīng)尋找最重要和最緊急的問題和需求進行處理，在問題和需求的約束下逐步擴大數(shù)字神經(jīng)元的覆蓋范圍，擴大云反射弧的應(yīng)用場景。使用的各種數(shù)字技術(shù)以滿足問題和需求的解決為準(zhǔn)，避免城市大腦的盲目和無序發(fā)展，因為按照世界統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和云反射進行規(guī)劃，該建設(shè)總體架構(gòu)能夠同時滿足不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)、城市、省、國家和世界的跨層級信息交互要求，如圖6所示。
圖6, 城市大腦的5層建設(shè)架構(gòu)圖
在城市大腦的部署架構(gòu)方面，標(biāo)準(zhǔn)提出城市大腦的建設(shè)可以采用中心化和去中心化(分布式）結(jié)合的方式，在具有統(tǒng)一規(guī)劃的市、省和國家內(nèi)部可以采用中心化的架構(gòu)布局，在不同城市，省和國家之間沒有形成統(tǒng)一的規(guī)劃前，由于互不隸屬，可以采用分布式的架構(gòu)布局，如圖7所示。
圖7 城市部署架構(gòu)模型
《城市大腦頂層規(guī)劃和總體架構(gòu)》認(rèn)為城市大腦是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用范圍廣，覆蓋區(qū)域大的城市級類腦復(fù)雜巨系統(tǒng)，城市智能管理中樞是城市大腦各神經(jīng)系統(tǒng)的一個組成部分，在自然界中，生物腦特別是人腦是產(chǎn)生智慧最重要的結(jié)構(gòu)。本標(biāo)準(zhǔn)從類腦仿生學(xué)角度建設(shè)城市大腦，符合自然界產(chǎn)生智慧的基本原理，為智慧城市產(chǎn)生智慧提供了一種可行的技術(shù)解決方案。同時本文件認(rèn)為城市大腦的發(fā)展不應(yīng)僅僅局限在一個城市范圍，它將沿著省級大腦、國家大腦、世界數(shù)字大腦的路徑不斷演化，并最終為人類社會的協(xié)同發(fā)展構(gòu)建全球化的智能支撐平臺，因此，本文件的制定為城市大腦的未來擴展預(yù)留了空間。
第三個標(biāo)準(zhǔn)《城市大腦數(shù)字神經(jīng)元基本規(guī)定》的介紹和解讀
這個標(biāo)準(zhǔn)由中國電信牽頭編寫，對數(shù)字神經(jīng)元的類型種類、相互關(guān)系、功能模塊等進行了規(guī)范，提出應(yīng)為世界范圍的人、物、系統(tǒng)和組織建立統(tǒng)一的數(shù)字神經(jīng)元，這是城市大腦能夠打破信息孤島，進行跨部門、跨行業(yè)、跨地區(qū)信息交互的基礎(chǔ)。
其中數(shù)字神經(jīng)元的種類包括人類神經(jīng)元、實物神經(jīng)元、程序神經(jīng)元和組織神經(jīng)元，這種劃分已經(jīng)可以覆蓋現(xiàn)實世界和虛擬世界的不同種類對象和元素。
數(shù)字神經(jīng)元的相互關(guān)系包括平等關(guān)系，控制關(guān)系和部分控制關(guān)系，這種關(guān)系的設(shè)置也是為了對應(yīng)現(xiàn)實世界中不同數(shù)字神經(jīng)元在各種任務(wù)、問題的處理中所形成的協(xié)作關(guān)系。
數(shù)字神經(jīng)元的功能模塊可以參考圖3所示，主要功能模塊包括信息同步模塊、信息展示模塊、信息交互模塊 、人工智能控制模塊、人工控制模塊、云反射弧管理模塊、空間位置編碼模塊、身份編碼模塊、以及其他功能模塊，每個模塊的具體含義可以參考本標(biāo)準(zhǔn)的具體內(nèi)容。
中國電信智慧城市和數(shù)字政府首席專家張東指出《城市大腦數(shù)字神經(jīng)元基本規(guī)定》通過整合仿生學(xué)、信息系統(tǒng)控制理論，以及城市大腦數(shù)字神經(jīng)元的實踐需求，創(chuàng)造性的提出了數(shù)字神經(jīng)元的功能模型框架，完整的體現(xiàn)出了軟件設(shè)計模塊化開發(fā)的概念模型，理論體系非常完整，為城市大腦下一步體系創(chuàng)新指明了方向。
城市大腦首批三項標(biāo)準(zhǔn)的特點和意義
中國指揮與控制學(xué)會副秘書長 、一體化指揮調(diào)度技術(shù)國家工程實驗室主任劉玉超在發(fā)布會上對城市大腦首批三個標(biāo)準(zhǔn)的起源、背景和特點進行了總結(jié)。他指出城市大腦是一個在中國原創(chuàng)提出并快速發(fā)展的科技新領(lǐng)域。2008年中國科學(xué)院石勇、呂本富、劉鋒、劉穎研究團隊創(chuàng)新提出用“神經(jīng)元+反射弧”的類腦架構(gòu)刻畫全球數(shù)字科技生態(tài)的演化，建立了互聯(lián)網(wǎng)大腦模型；2015年中科院與遠望智庫數(shù)字大腦研究院聯(lián)合團隊又結(jié)合智慧城市建設(shè)，提出用“數(shù)字神經(jīng)元+云反射弧”架構(gòu)表征的“城市大腦”概念與定義。
2016年杭州正式啟動城市大腦的建設(shè)工程，，此后上海、鄭州、銅陵、南昌、福州、北京、?？诘葦?shù)百個城市開始規(guī)劃和建設(shè)城市大腦，在各級政府的支持下，城市大腦的快速發(fā)展極大的推動了城市的現(xiàn)代化水平。
隨著各地城市大腦項目的啟動推進，也出現(xiàn)了很多需要關(guān)注的問題。例如，對城市大腦的理解不一致，建設(shè)方案各有不同，相互之間無法聯(lián)通，造成城市大腦的孤島化效應(yīng)；基層大眾體驗不強，建設(shè)成本高，與傳統(tǒng)的智慧城市建設(shè)沒有本質(zhì)區(qū)別；重大突發(fā)事件反應(yīng)不及時，社會對建設(shè)效果產(chǎn)生質(zhì)疑等。
在2020年的全國兩會上，就有多位代表提出應(yīng)該將如何構(gòu)建城市大腦建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)提上議事日程，相關(guān)建設(shè)城市和參建企業(yè)也呼吁盡快推出城市大腦的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。中國指揮與控制學(xué)會此次發(fā)布的城市大腦標(biāo)準(zhǔn)呼應(yīng)了產(chǎn)業(yè)的要求，同時具有以下三個特征：
第一是具有理論上的先進性，依托中科院和遠望智庫數(shù)字大腦研究團隊在數(shù)字科技領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)理論研究成果，作為編制城市大腦標(biāo)準(zhǔn)的理論基礎(chǔ)；明確了城市大腦的定義，回答了城市大腦與智慧城市的關(guān)系，創(chuàng)新提出采用類腦技術(shù)架構(gòu)建設(shè)城市大腦。
第二是具有產(chǎn)業(yè)共識的廣泛性。參編單位包括中科院、清華、北大、國創(chuàng)會、鵬城實驗室、遠望智庫、中國電信、中國聯(lián)通、中電萊斯，廣電運通、中國電科院、騰訊、百度、科大訊飛、奇虎360、世紀(jì)互聯(lián)、中電科新型智慧城市研究院、中國城市科學(xué)科學(xué)研究會、信網(wǎng)真、中移系統(tǒng)集成、天府大數(shù)據(jù)研究院、智慧足跡、中科語凡、飛諾門陣等30多家領(lǐng)域知名科研單位和行業(yè)龍頭企業(yè)；
第三是面向場景綜合考慮了系統(tǒng)的動態(tài)演化。提出的框架標(biāo)準(zhǔn)為城市大腦的演化發(fā)展預(yù)留了空間，提出以最緊迫的場景問題和需求為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建數(shù)字神經(jīng)元和云反射弧，實現(xiàn)不同層級、不同粒度的城市大腦的統(tǒng)一，提出城市大腦不僅是一個城市智能治理的中樞，更是全省、全國性、乃至全球性類腦信息系統(tǒng)的一部分，擁有完整的數(shù)字神經(jīng)系統(tǒng)支撐城市和人類社會的智能化運行。
