城市大脑与超级智能城市建设规范研究报告1.0.docx
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1、城市大脑与超级智能城市建设规范研究报告1.0目录第一章城市大脑与超级智能城市起源与背景1第二章简述:本报告核心观点3第三章城市大脑和超级智能城市理论基础-互联网大脑模型6第四章互联网大脑、城市大脑的大脑”概念阐述9第六章构建城市大脑和超级智能城市的核心规范15第七章构建城市大脑与超级智能城市产业分析框架20第八章构建未来超级智能和城市大脑关键技术与企业名录24第九章如何测量一个城市大脑的智商,城市智商的测试方法43第十章构建未来超级智能和城市大脑建设规范需要解决的问题48第一章城市大脑与超级智能城市起源与背景21世纪以来,眼花缭乱的前沿科技新概念喷薄而出,从Web2.0、社交网络、物联网、移动
2、互联网、大数据、工业4.0、工业互联网到云机器人、深度学习、边缘计算,特别是在2010年以来,前沿科技领域出现诸多大脑”概念,企业界出现谷歌大脑,百度大脑,阿里大脑,360安全大脑,腾讯超级大脑等,产业界出现城市大脑,城市神经网络,工业大脑,航空大脑等,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。并在很多城市开始推动。在学术领域,科学院团队2008年发表论文提出“互联网大脑模型”,提出互联网经过数十年的发展正在从网状结构发展成为大脑模型,互联网结构的这一重大变化也必将对科技,经济,产业,城市建设等诸多领域产生重大影响。2015年2月,科学院团队根据互联网的类脑特征与智慧城市结合,发
3、表文章基于互联网大脑的智慧城市建设提出“城市大脑的概念和定义,内容如下:“城市大脑是城市建设伴随着21世纪互联网架构的类脑化过程,逐步形成自己中枢神经(云计算)城市感觉神经(物联网)城市运动神经(工业4.0,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)城市神经纤维(5G、光纤、卫星等通讯技术)在上述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(城市大社交网络)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类脑城市架
4、构称之为城市大脑。在产业领域,2016年阿里提出阿里ET城市大脑,2017年,华为提出城市神经网络,2018年提出城市超级大脑,科大讯飞提出城市超脑。在城市建设方面,从2016年,杭州、上海、北京、广州等城市各自提出和开展了不同城市大脑建设方案,其中上海市开展了以建设城市神经元为重点的顶层方案。2016年之后,城市大脑领域出现了突飞猛进的发展势头:在基础理论研究方面,科学院团队分别在2017年科学蓝皮书,2018年IEEE国际会议上发表论文,进一步阐述了城市大脑的建设框架,重点提出城市大脑是一个聚合机器云智能与人类群体智慧的类脑智能复杂巨系统。同时提出了城市智商的评价标准,指出通过对城市神经元
5、网络和城市云反射弧的成熟度考察,可以评估一个城市的城市智商。在城市大脑成为前沿科技和产业的新一轮热点时,学术界,产业界关于什么是城市大脑意见并不统一。就如何建设城市大脑,存在各种不同的观点和设计规划,譬如前文提到的类脑智能复杂巨系统是其中最早的一个定义,也有企业认为城市大脑是一个综合物联网、大数据、云计算,人工智能的技术综合体,或者认为城市大脑是一个通过人工智能系统对城市各个部分进行管理和控制的信息系统。究竟应该按照那种观点和理论开展城市大脑的顶层设计就成为一个非常重要的问题,深入研究可以规避信息孤岛的产生,重复性建设以及战略规划失误等问题。本报告对上述问题进行了深入探索和探讨第二章简述:本报
6、告核心观点互联网经过50年发展,从网状结构发展成为大脑模型,到21世纪,数十亿人类群体智慧与数百亿智能设备机器智能通过互联网大脑架构形成超级智能。城市大脑是互联网大脑发育过程中与城市建设结合的产物,一方面会继承互联网大脑的特征,另一方面是互联网大脑的子集,通过互联网大脑,城市大脑之间也进行信息互动。互联网大脑有三个重要特征,第一是类脑神经元网络与万物互联,第二是人机双智能中心控制,人类权限最大,第三是云反射弧的形成与信息的跨节点传递。根据互联网大脑的三个特征,可以形成城市大脑和未来超级智能的三个顶层技术规范。第一是:统一的神经元节点技术框架(为人类,设备和软件系统建立);第二是:对于每个神经元
7、节点人机双智能控制,人类权限最大;第三是: 跨节点信息路由实现云反射弧类*神经元网络 方向技术与企业神抄系统综合魔用 系统集成技术与企业人工智能H法方向技术与企业定位与空间位置 方向技术与企业群体W俺方向技术与命业需觉神经最嫉方向技术与企业/才果*大数据存肥、大数据姓及 记忆第统力向技术。企业境世界构建方向技术与企业/A探消人机交互界面方向技术与企业在健冲经系统方向技术4企业tt,tt*t*产王KMWAWMW美整再堂系统军事机构神经轩推系统 方向技术与企业小体娱觉神经系统 方向技术IJ企业力敏传RB g供件,安全防护方向 技术与企业办公段切倚业机山运动神势系线 方向技术与企业机慝人家用设管生产
8、世务掾件系统方向 技术与企业神足反射弧方向技术与企业芯片方向技术0企业中枢仲经系技方向技术0企业&尊与人规KHlR 方向技术叮企业根据互联网大脑的构成,形成能够实现城市大脑和未来超级智能的19个相关技术和企业方向,每个方向举出8到12个技术或企业作为范例基于互联网大脑模型的关键产业分布图超级智能(互联网大脑/城市大脑)的产业架构1类脑神经元网络2视觉神经系统3听觉神经系统4躯体感觉神经系统5运动神经系统6定位与空间位置服务7神经纤维系统8中枢神经系统9神经反射弧系统10梦境世界构建11记忆系统(大数据存贮与大数据处理)12人工智能算法13群体智能14人机交互界面方向15超算与大规模计算16安全
9、防护17芯片方向18操作系统方向19神经系统综合应用(系统集成)第三章城市大脑和超级智能城市理论基础-互联网大脑模型近20年以来,数百万家前沿科技企业不断推进城市、人类社会的智慧发展,应该说智慧城市,城市大脑原本是互联网发展到一定程度,向城市建设自然要延和深入的结果。因此无乱是建设智慧城市还是建设城市大脑。就不能忽略互联网的发展趋势和进化规律。我们知道网状模型是互联网最早也是最重要的模型,某种意义上,互联网可以说是美苏冷战的产物。为了防止通讯系统在核战争中被彻底摧毁,1969年,美国国防部研究计划署开始构建阿帕网,将美国四个研究机构的四台计算机连接起来。互联网崛起之路就此开始。可能它的创造者也
10、没有想到,在短短的50年中,互联网已成为对人类社会影响最为深远的技术。无论从互联网的起源还是从它的名称看,网状结构一直是互联网留给人类最突出的印象,即使是在学术领域中,它的定义也是这样描述的“互联网是指将世界范围计算机网络互相联接在一起的网际网络(如1所示)。图1互联网的网状模型激烈的竞争和技术的快速应用,使得互联网不断呈现出新的现象和状态。2004年以腾讯和Facebook为代表兴起的社交网络,担负了链接世界范围的人、物、系统和数据的功能,并将自己的触角婆延到人类社会的各个角落,成为互联网最重要的基础应用之一。如果我们把它们的结构图绘制出来,可以看出有着非常强的类脑神经元网络特征。2015年
11、2月,自然报道了英国科学家的最新成果,他们发现,脑中的神经元放电就像一个社交网络,也存在社群和好友关系。这表明社交网络与人脑神经元网络的趋同时在两个方向得到体现。早在2009年IBM提出智慧地球导致物联网兴起之前,2007年中国的水利部门开始在长江、黄河等水域安放流速传感器,获取水流和水深的变化信息:在土壤中安放化学传感器,获取酸碱度和压力的变化;在空气中安放温度传感器,获取温度和湿度的变化。这些传感器获得的数据通过互联网通讯线路传输到北京水利部的大型计算机中进行处理,形成实时的水文报告,为防汛抗旱提前做出预测和判断,这个基于互联网的传感器网络向人类社会体现了显著的类躯体感觉神经特征。2007
12、年,谷歌的街景系统开始推出,在世界范围安防摄像头和视频观察汽车,让互联网用户可以实时观看世界各地的场景和景色,不仅仅是Google的街景系统,互联网的视频实时监控在21世纪初已经开始大范围应用。一些旅游公司在风景区安放摄像头,让人们可以提前看到风景区的实时画面;一些公司提供家庭视频监控服务,把摄像头安放在家中,让用户随时可以查看家庭的安全状况。谷歌街景系统等互联网实时摄像技术涌现出典型的类视觉神经特征。在上述现象的启发下,从2007年科学院石勇、刘锋团队开始意识到,在新的世纪里互联网已经明显突破了网状的结构。越来越多的迹象表明,互联网正在向与人类大脑高度相似的方向进化。由此石勇刘锋团队基于人类
13、大脑的构造原理,从2008年开始,到2018年形成了如下图所示的互联网大脑模型图。如果用文字描述互联网大脑模型(InternetBrain),它的定义是这样的:互联网大脑就是互联网向与人类大脑高度相似的方向进化过程中,形成的类脑巨系统架构。互联网大脑具备不断成熟的类脑视觉、听觉、躯体感觉、运动神经系统、记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统。互联网大脑通过类脑神经元网络(大社交网络)社会各要素(包括但不仅限于人,AI系统,生产资料,生产工具)和自然各要素(包括但不仅限于河流、山脉、动物、植物、太空)链接起来,从而实现人与人、人与物、物与物的交互,互联网大脑在云群体智慧和云机器智能的驱动下通过
14、云反射弧实现对世界的认知、判断、决策、反馈和改造。上面的互联网大脑模型图不是描述互联网在1969年诞生时的架构,而是根据科技的进展对互联网经过50年甚至是100年的进化,形成的未来成熟结构。相对与互联网诞生之初的网状模型,互联网大脑的模型出现了如下几个重要的变化和特点:第一个重要变化是将人类用户以及商业机构、军事机构、政府机构等社会组织作为重要元素加入到互联网大脑模型中。第二个重要变化是将音频传感器、视频监控、温度传感器、压力传感器、机器人、交通设备、生产设备等元素加入到互联网大脑模型中,形成互联网的听觉神经系统、视觉神经系统、躯体感觉神经系统、运动神经系统。第三个重要特点是突出社交网络是实现
15、互联网类脑神经元网络的技术基础,提出社交网络不仅仅是人与人的社交,也将发展成为人与人、人与物、物与物的社交网络,我们将其命名为大社交”网络。第四个重要特点是依托大社交形成的类脑神经元网络架构,形成互联网的左右大脑架构,一方面是人类、商业机构、军事机构、政府机构链接起来形成互联网的右大脑-云群体智能,另一方面是传感器、音频视频监控、机器人、交通、生产、办公、家庭智能设备链接起来形成互联网的左大脑-云机器智能。云群体智能与云机器智能的结合也是超级智能实现的基础。第五个重要特点是体现了人工智能、大数据等关键技术在互联网大脑中的位置,同时由于互联网感觉神经系统、运动神经系统、类脑神经元网络,神经纤维的
16、形成,使得互联网产生类同与人类神经反射的现象,我们将这个新机制命名为云反射弧。第四章互联网大脑、城市大脑的“大脑概念阐述因为在神经学领域“大脑”有特定的含义,主要是脑的中枢神经高级部分,主导生物的智能活动,这里大脑是脑的一部分,脑除了包含大脑,还包含小脑、间脑、脑干,以及延伸出去的神经纤维与神经末梢。一些产业和企业大脑沿用了生物学大脑的内涵,成为产业级人工智能的一部分。但另外一方面,包括互联网大脑,城市大脑等科技概念中,大脑的内涵并不是特指神经学的大脑,而是“巨大的,范围广大的类脑系统,类同于神经科学的脑概念,但是一种“大”脑。科技领域大脑的两种不同含义,对研究互联网类脑模型,构建城市大脑,工
17、业大脑等产业级智能系统时会带来混淆和误区,这篇文章重点对这两种大脑概念和外延进行阐述。3.1第一种:大脑是神经学领域“大脑”概念的延伸在神经学领域,生物脑特别是人脑由大脑、小脑、间脑、脑干组成。其中:大脑是中枢神经系统的最高级部分,也是脑的主要部分,人类的大脑最为发达,是思维的器官,主导机体内一切活动过程,并调节机体与周围环境的平衡,所以大脑是高级神经活动的物质基础。图3大脑的主体结构目前产业界或企业界所提出的大脑概念,如谷歌大脑,百度大脑,工业大脑,一些城市建设的城市大脑等主要对应了神经学的这个大脑含义,主要表达建设一个企业级,行业级或城市是级的人工智能巨系统,对来自企业,行业或城市感知传入
18、的各种信息进行综合处理,并作出判断或决策,实现相关的管理需求。3.2第二种:大脑是指产业界形成的类脑复杂巨系统2008年开始,在互联网产业领域诸多新现象的启示下,互联网大脑模型被提出,含义是互联网通过50年的进化,从网状结构发展成为类脑模型,因为互联网涉及的设备元素众多,覆盖的范围非常庞大,因此互联网的这个类脑模型被成为互联网”大”脑,这里的大“脑主要是指非常庞大或巨大的类脑结构。是包含了神经元网络,中枢神经,感觉神经,运动神经,神经纤维,神经末梢,神经反射弧在内较为完整的神经系统体系概念。并不等同于神经学的大脑概念。2015年,论文基于互联网大脑模型的智慧城市建设(作者:刘锋)提出了城市大脑
19、的定义。提出城市的智慧化建设会伴随互联网的类脑化进程,出现智慧城市的类脑化特征。城市大脑的两个重要的特征是城市级神经元网络和城市级云反射弧。同样,城市大脑的大脑也是巨大的庞大的脑的概念,是互联网大脑的子集,而不是神经学里的大脑,因此,从2015年提出城市大脑定义时,并不认为城市大脑是一个城市级的AI巨系统或信息管理系统。3.3城市大脑的起源与定义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,但城市产生以后并不是从一个地方扩散的,而是在不同地域产生后各自传播,这就是城市产生的多元学说。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
20、命,城市迎来了一个崭新的发展时期。作为工业化原动力的各种原料产地,特别是煤炭、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。如英国的蓝开夏地区、德国的鲁尔地区、美国的大西洋沿岸和五大湖沿岸等。到1950年世界城市化水平为29.2%,1980年上升到39.6%,2000年达到46.6%,预计到2020年将达到57.45%。这个时期城市现代化的标志,包括城市内部与城市之间的分工与协作;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【2】。2009年1月,IBM公司首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”,由此
21、延伸的智慧城市概念极大推动了世界各个国家的城市现代化进程。随着互联网类脑化进程的加速,对人类社会结构的不断深入,智慧城市的建设也无可避免会受到互联网大脑模型的影响。近20年以来,数百万家前沿科技企业不断推进城市、人类社会的智慧发展,应该说智慧城市原本是互联网发展到一定程度,向城市建设自然蔓延和深入的结果。因此建设智慧城市就不能忽略互联网的发展趋势和进化规律。城市大脑作为互联网大脑与智慧城市建设结合的产物,会继承互联网大脑的基本特点,因此基于互联网大脑架构实现的智慧城市系统也可以被称为城市大脑(CityBrain),而基于互联网大脑架构建设的城市可以成为类脑城市(BrainCity),如图3.1
22、所示。图4城市大脑示意图2015年基于互联网大脑架构的智慧城市建设一文提出城市大脑的概念,并在之后形成了更为更为详细的内容和定义:城市大脑就是城市建设伴随着互联网的发展过程中,逐步形成自己声斯押经系统(云计算),城市感觉神经系统(物联网),城市运动神经系统(工业4.0),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),城市神经纤维(通讯技术)。以此为基础形成城市的两个核心功能:第一是城市神经元网络系统(城市大社交网络),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
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