【研究报告】城市云脑,智慧城市2.0产生背后的深层原因

2017-09-27 10:03 来源: 城市云脑研究院
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  作者:计算机博士,互联网进化论作者刘锋(Email:zkyliufeng@126.com)

  到2017年,智慧城市与脑的关键词不断涌现,在互联网云脑的研究基础上,城市云脑形成更为清晰的定义,从2009年智慧地球和智慧城市提出以来,经过8年时间,为什么智慧城市与脑被越来越多的关联起来?城市云脑提出背后的深层次原因是什么?我们将分别从智慧地球的提出、智慧城市面临的问题、互联网类脑化进程、城市云脑两个核心要素等方面进行探讨。

  一. 智慧地球和智慧城市的提出

  20世纪90年代,时任美国总统克林顿提出的“信息高速公路”发展战略使美国经济走上了长达10年的繁荣。金融危机出现之后,奥巴马政府希望通过信息技术对经济的拉动作用,借助“智慧地球”发展战略,来为美国经济寻找新的增长点。

  2009年1月28日,奥巴马就任美国总统后,与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”。IBM公司首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念,建议政府投资新一代的智慧型基础设施。奥巴马对此的意见是:“经济刺激资金将会投入到宽带网络等新兴技术中去,毫无疑问,这就是美国在21世纪保持和夺回竞争优势的方式。”奥巴马政府的积极回应,使得“智慧地球”的战略构想上升为美国的国家级发展战略,随后,美国出台了《经济复苏和再投资法》并投入总额为7870亿美元的经费,具体推动国家发展战略的落实。(参考1)

  “智慧地球”战略提出:IT产业下一阶段的任务是将新一代IT技术充分运用到各行各业之中,把传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中,并且普遍连接,形成“物联网”;然后将物联网与现有的互联网整合起来,实现人类社会与物理系统的整合。

  2009年在IBM《智慧地球赢在中国》计划书中,IBM为中国量身打造了六大智慧解决方案:“智慧电力”、“智慧医疗”、“智慧城市”、“智慧交通”、“智慧供应链”和“智慧银行”。随着我国发展物联网、云计算热潮的不断升温,IBM在“智慧的计算”、“智慧的数据中心”等方面也投入了更多的研发力量,并积极与国内相关机构寻求合作。2009年以来,IBM的这些智慧解决方案,已经陆续在我国各个层面得以推进。据不完全统计,仅智慧城市一项,我国就有数百个城市正在或即将与IBM开展合作。

  此后,我国有上百个地区提出建设“智慧城市”,30多个省市将物联网作为产业发展重点,80%以上城市将物联网列为主导产业,已经出现了明显过热的发展苗头。有专家对这种“一拥而上”的重复建设现象,纷纷表达出担忧,认为当前过热的物联网、云计算和“智慧城市”等的建设,将有可能导致新的产能过剩。

  二. 智慧地球和智慧城市遇到的问题

  应该说IBM是世界顶级的科技领先企业,1995年,在很多人还不知道电子商务为何物时,IBM就预先提出“e-business”战略理念,2009年,IBM非常前瞻的提出"智慧地球“,但从实际发展看,智慧地球和智慧城市也遇到了三个重要问题。

  1.智慧地球和智慧城市是自然发展还是规划出来

  IBM最高明之处,每次战略理念的推出,都很高屋建瓴,出发点都是别人,而落脚点却是自己——IBM不仅可以提供咨询,还可以提供整套的解决方案。这实际上是起到了产业引领者作用。

  按照IBM高管的设想,在“智慧地球”时代,IT将变成让地球智慧运转的隐性能动工具,弥漫于人、自然系统、社会体系、商业系统和各种组织中。因此,在这样的时代,IBM希望自己能像空气一样渗透到智慧运转的每个角落,成为人类地球生存不可或缺的因素。“你可能在选择某种服务时,直接找到IBM;或者在一些看似自然产生的服务背后,了解到提供支撑的力量也来源于IBM。

  一些专家认为“智慧地球”的3I概念,与世界上已出现的未来信息技术概念,几乎有一一对应的关系,可以说是对已有技术的换一种说法。“更透彻的感知”与“环境智能”,“更全面的互联互通”与“物联网”,更深入的智能化与“服务互联网”,几乎是同一事物的不同提法。”

  智慧城市的发展是通过规划还是自然发展实现,一直也是个争论的问题。事实上亚马逊、Facebook、阿里巴巴、腾讯、京东等互联网巨头已经通过各种方式进入到城市的服务中去,甚至在支付、物流、电子商务、政务处理等方面对整个城市产生了巨大的影响,而这些是原本智慧地球、智慧城市规划中并没有意识到的。

  2.智慧地球,智慧城市与国家间的战略安全问题

  “智慧地球”的提出则更重要的是与政府部门合作。中国4万亿投资基础设施的计划推出之时,“智能地球”战略,强调“实体基础设施和信息基础设施不应该分开建设,而应该是统一的智能基础设施”,希望急政府之所急、想政府之所想。

  但中国在发展与“智慧地球”密切相关的技术和方案方面,面临着第一个问题就是,如果完全采用一家公司的技术和产品,这将可能导致中国相关技术自主研发能力的丧失。

  第二个更为严重的问题是虽然物联网、云计算、智慧城市乃至“智慧地球”具有广阔的应用前景和巨大的市场规模,但其存在的可靠性、安全性等方面的问题,目前还没有有效的解决办法。有专家认为,以中国现有的信息安全防护体系,实在难以保证事关国家安全的敏感信息不外泄,中国所面临的国家信息安全风险必将越来越严峻。

  3.智慧城市的建设分割和信息孤岛问题

  智慧城市目前在世界范围得到大力推进。2012年中国智慧城市试点工作启动,住建部已公布3批近300个智慧城市试点名单;500多个城市进行试点,在交通、医疗、政务等领域取得初步成果。然而,智慧城市的概念并不清晰,盲目炒作、顶层设计缺乏、基础不扎实等问题,相关专家表示智慧城市在建设的过程中存在的问题有(参考4):

  第一个是:智慧城市至今未有统一定义。什么是智慧城市?作为信息技术变革时代背景下产生的新概念,智慧城市至今尚未有统一的定义。

  第二个是:智慧城市的真智慧与假智慧之争。住建部原副部长仇保兴指出,一些“智慧城市”不能解决任何一种城市病,有的是被IT企业“绑架”,成为企业推销产品的渠道;有的是被政府部门“绑架”,部门间形成信息孤岛互不往来;还有不少则是“忽悠”,还有些地方的“智能城市”从规划上就是错的。

  第三个是:对市民诉求回应有限。《国家智慧城市试点2014年度工作总结报告》指出,部分试点建设项目缺乏顶层设计和总体统筹,协同对接难度大,特别是部分垂直部门信息系统限于部门内部使用,缺少部门之间的数据共享与应用。与市民的需求往往有巨大的差异,企业和政府部门反应热烈,但市民往往无感。

  三. 互联网的类脑化进程

  几乎在IBM提出智慧地球推进智慧城市建设的同时,互联网从2008年也开始了爆发式增长,与IBM希望独立撑起整个地球的IT架构不同,互联网在科学研究和商业竞争两个车轮推动下,形成谷歌、百度、阿里巴巴、腾讯、Facebook、亚马逊、英伟达、Mobilogix、Palantir等一大批互联网巨头公司,从不同角度实现了整个人类社会的联网化和智能化。

  从科学史可以看到这样一个规律,每一次人类社会的重大技术变革都会导致新领域的科学革命,大航海时代使人类看到了生物的多样性和孤立生态系统对生物的影响。无论是达尔文还是华莱士都是跟随远航的船队才发现了生物的进化现象。

  大工业革命使人类无论在力量的使用还是观察能力都获得的极大的提高。为此后100年开始的物理学大突破,奠定了技术基础。这些突破包括牛顿的万有引力,爱因斯坦的相对论,和众多科学家创建的量子力学大厦,这些突破都与”力“和”观测“有关。

  互联网革命对于人类的影响已经远远超过了大工业革命。与工业革命增强人类的力量和视野不同,互联网极大的增强了人类的智慧,丰富了人类的知识。而智慧和知识恰恰与大脑的关系最为密切。互联网的技术突破使得人类处在新科学革命的前夜。

  从1969年互联网诞生以来,人类从不同的方向在互联网领域进行创新,并没有统一的规划将互联网建造成什么结构,当时间的车轮到达2017年,随着人工智能、物联网、大数据、云计算、机器人、虚拟现实、工业互联网等科学技术的蓬勃发展,当人类抬起头来观看自己创造的巨系统时,互联网云脑的类脑架构已经越来越清晰。

互联网云脑

  互联网这一类脑化现象也引发了世界领域科学家的关注,2008年开始,科学院研究团队发表论文提出“互联网将向着与人类大脑高度相似的方向进化,它将具备自己的视觉、听觉、触觉、运动神经系统,也会拥有自己的记忆神经系统、中枢神经系统、自主神经系统。另一方面,人脑至少在数万年以前就已经进化出所有的互联网功能,不断发展的互联网将帮助神经学科学家揭开大脑的秘密。科学实验将证明大脑中也经拥有Google一样的搜索引擎,Facebook一样的SNS系统,IPv4一样的地址编码系统,思科一样的路由系统。”(参考5)

  2012年11月16日,加州大学圣迭戈分校DmitriKrioukov在2012年11月的《ScientificReport》发表论文提出利用计算机模拟并结合多种其他计算,提出许多复杂网络如互联网、社交网、脑神经网络等有高度的相似性。

  2014年,Web.com前CEO,美国邓白氏集团的董事长兼CEO杰夫.斯蒂贝尔出版的《断点:互联网进化启示录》一书中同样提出互联网向类大脑结构进化的观点。

  四. 城市云脑的产生

  1.城市云脑的定义

  近20年以来,数百万家前沿科技企业通过科学探索和商业竞争不断实现城市,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。智慧城市作为互联网云脑与智慧城市建设结合的产物,会继承互联网云脑的基本架构,因此基于互联网云脑架构的智慧城市也可以被称为城市云脑(City Cloud Brain)。其示意图和定义如下:

城市云脑架构图

  城市云脑架构图

  城市将逐步形成自己中枢神经系统(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)。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。第二是城市云脑的云反射弧,实现城市服务的的快速智能反应。基于上述类功能推动城市智慧的不断进步。这样类脑城市建设架构称之为城市云脑(city cloud brain)。

城市云脑的建设

  2.城市云脑的建设

  在智慧城市建设中,处于重要位置的技术包括物联网、大数据、云计算、人工智能、工业4.0、工业互联网、机器人等。这些前沿技术和概念与城市云脑是什么关系,在城市云脑的建设中如何实现,下面内容将进行详细阐述。

  (1)城市云脑的物联网建设是建设一个城市的躯体感觉神经系统和运动神经系统,主要由遍布城市企业、建筑、金融、交通、能源等等领域的传感器和智能驾驶,云机器人、无人机、3D打印、智能制造等系统组成。

  (2)城市云脑的云计算建筑是一个城市的中枢神经系统建设,它通过服务器,网络操作系统,神经元网络(大社交网络),大数据和基于大数据的人工智能算法对城市云脑的其他神经系统进行控制。应该指出由于城市云脑是互联网云脑的子集,一个智慧城市建设不是孤立的,不同智慧城市云脑架构也往往交叉,譬如一个城市的云计算硬件设施很可能在另外一个城市,一个城市的大数据可能分布在不同城市存储。

  (3)城市云脑的大数据建设本质上是城市云脑各神经系统在运转过程中传输和积累的有价值信息。这些信息分别来自居民的生活,企业的运转,政府的管理过程中产生的信息,也来自城市的建筑大楼、交通车辆,甚至是分布在城市土壤、空气、水域中的传感器传来的信息,这些数据是城市云脑真正产生智慧的基础。

  (4)城市云脑的工业4.0和工业互联网是一个城市的运动神经系统发育,这将是城市云脑未来非常庞大的组成部分,包括智能驾驶、云机器人、无人机、3D打印、智能制造等等,他们通过延展运动和机械操作,帮助城市居民和管理者完成城市的运行和建设。

  (5)城市云脑的边缘计算建设是城市云脑神经末梢的发育和成长,将人工智能技术和包含了人工智能技术的芯片与分布在城市的传感器、摄像头、智能终端、智能汽车、智能制造设备、楼房建筑、工业机器人等等地方,目标是使城市云脑的的感觉神经系统,运动神经系统的末梢控制变得更为智能和健壮。

  (6)城市云脑的移动互联网建设是城市云脑神经纤维种类的丰富,让城市居民、企业、政府机构更为便捷,更不受地域限制的链接到城市云脑中。这需要对城市中的通讯运营商不断进行技术升级和基础设施建设,城市云脑的神经纤维建设是保证智慧城市运转的重要保证,是连接城市成为一个整体,确保城市云反射弧即使准确运转的关键。

  (7)作为智慧城市与互联网类脑架构结合的模型,城市云脑人工智能建设是智慧城市提升智慧的催化剂和灵魂,人工智能不仅仅通过算法如深度学习,机器学习与大数据结合,也运用到城市云脑的神经末梢,神经网络和智能终端中。譬如AI传感器、AI手机、AI智能生产设备、AI用户助理等等。

  五. 城市云脑中两个更为重要的功能和架构

  我们知道在脑科学中,神经元又称神经细胞,神经网络是大脑中最重要的结构和功能。动物机体是一个极为复杂的有机体,各器官、系统的功能不是孤立的,它们之间互相联系、互相制约,实现这一需求就需要生物体有统一的神经网络系统。

  同时,动物体生活在经常变化的环境中,环境的变化随时影响着体内的各种功能。这就需要对体内功能不断作用迅速而完善的调节,使机体适应内外环境的变化。这就是脑科学中另一个重要的功能-神经反射弧,它也是大脑产生智能的重要功能。

  生物越进化,神经系统越发达,对各系统活动的控制和调节作用越精细灵活,适应内、外环境变化的能力也越强。我们在前文中提到城市云脑作为互联网云脑与智慧城市建设结合的产物,需要不断地对城市中各种状况、需求、事件进行反应,除了具备宏观的城市感觉、运动、中枢神经系统,更重要的是形成城市的神经网络,把城市中的人与人、人与物、物与物链接起来。

  智慧城市在城市神经网络建设的缺失,也是导致之前智慧城市中建设分裂,信息孤岛等问题。也只有城市神经网络建设成熟后,对城市各种智慧服务,突发事故处理,人们日常需求响应的云反射弧才能真正运转起来。下面我们看一下城市云脑的这两个关键功能是如何运转的。

  1.城市云脑神经网络

  城市云脑神经网络是通过建立城市云脑的大社交网络最终实现的,一直以来,社交网络被认为就是互联网上人与人的交互社区。但随着物联网、云计算、大数据等新现象的出现,社交网络的形态也必将发生改变。当物联网、工业4.0、工业互联网与社交网络融合时,每一栋大楼、每一辆汽车、每一个景区、每一个商场、每一个电器都会在SNS网站上开设账号,自动地发布自己实时的信息,并与其他“人”和“物”进行交互。社交网络的定义将不再仅仅是人与人的社交,而是人与人、人与物、物与物的范围更大的社交网络。我们可以称为“大社交网络” (Big SNS)。这个大社交网络的形成也就完成了城市云脑神经网络的发育。

大社交网络

  城市云脑神经网络(大社交网络)能否建设成功是城市智慧能否形成的基础,无论是居民、企业、政府机构、路灯、车辆、工场,都要以城市神经元的方式加入到智慧城市的大社交网络中,这些城市神经元的互动、聚合、链接将使城市云脑真正变得更为智慧。

  2.城市云脑的云反射弧

  城市的云反射弧建设,是智慧城市建设第二个最重要的因素,它的产生反应出一个城市在提供各种智慧相关服务,处理各种问题过程中的种类和反应速度,城市云反射弧的种类越多,反应速度越快,其智慧程度也会越高。例如包括安防云反射弧、金融云反射弧、交通云反射弧、能源云反射弧、教育云反射弧、医疗云反射弧、旅游云反射弧、零售云反射弧。

  我们知道神经反射现象是人类神经系统最重要的神经活动之一,与人类神经系统相仿,城市云脑的云反射弧也包含感受器、传入神经纤维、神经中枢、传出神经纤维和效应器。是城市云脑与现实世界互动中提供服务,产生智慧的最重要途径。

神经反射现象

  智慧城市中已经已经出现很多神经反射弧案例,例如无锡消防部门开始利用家庭火灾远程监控和救助系统,它的工作过程就是一个典型的基于互联网云脑的城市神经反射弧。当发生火灾或其它紧急事件时,探测器发出报警信号,火警信息将通过GPRS传输到全市119火灾调度指挥中心,当119在接到报警后,第一时间赶赴现场开展救助。从目前来看城市云脑涉及的种类总共有9个。

云反射弧架构

  六. 结语

  城市云脑是在互联网与城市建设结合的大背景下产生的,由于互联网进化涌现的电子商务、社交网络、物联网、云计算、工业互联网、人工智能不断与城市的每个企业、每个居民、每个建筑、每个部门结合,城市在不知不觉中变得智慧起来。它不是规划出来,而是通过商业和科学的力量从各个角落里悄然发展壮大的,我们需要用科学的方法研究城市云脑发展规律,帮助我们的企业、政府、投资机构了解这些规律,判断未来科技的发展动向。

  参考1:

  1.https://baike.baidu.com/item/ibm%E6%99%BA%E6%85%A7%E5%9C%B0%E7%90%83/12672561?fr=aladdin

  2.https://zhidao.baidu.com/question/986056046640732459.html?qbl=relate_question_0&word=%D6%C7%BB%DB%B5%D8%C7%F2%B5%C4%B7%A2%D5%B9%C7%F7%CA%C6

  3.https://zhidao.baidu.com/question/1607836939627736627.html

  4.https://wenku.baidu.com/view/267e660402d8ce2f0066f5335a8102d276a261ac.html

  5.http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200809-694

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