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    城市大腦:以數據資源驅動社會可持續發展

    2019-06-20 10:23:55 來源: 《前沿科學》 作者: 王 堅

    城市大腦:以數據資源驅動社會可持續發展

    ——談從電力時代邁向算力時代

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    在過去幾十年的城市發展中,無論規模大小和經濟水平高低的城市,都未能幸免地患上了交通擁堵等“城市病”。雖然云計算、大數據、物聯網及人工智能等新興技術在城市治理中的應用層出不窮,但“城市病”依舊沒有發生根本性的改變。

    城市大腦(city brain)的提出,為更有效地用新技術解決未來城市發展中的問題提供了解決方案。城市大腦是新的城市基礎設施,既是利用新興技術解決城市問題的平臺,也是利用數據資源探索創造更多新技術的平臺。城市大腦的出現也標志著城市的發展從電力時代進入了算力時代。 

    新基礎設施驅動城市變革

    從世界城市的發展角度來看,歷史上經歷了三個非常重要的階段。

    2000多年前,羅馬引入了一個非常重要的基礎設施——道路,讓人類社會進入了“馬力時代”。也因為有了道路,羅馬成為了第一個使用“基礎設施”的城市。今天大家覺得,城市修道路是理所應當的事情,但其實那是人類一個巨大的發明,我們要感謝羅馬第一次引進了一個新的基礎設施,讓每個城市有了道路。

    在將近2000年的時間里,人類用城市有多少匹馬來衡量一個城市的發展水平,直到130多年前的紐約,這一評價標準才發生了巨大的變化。愛迪生為紐約,也為世界引入了第一個電網,為城市建造了另一個重要的基礎設施。城市的發展通過電網引入電力,從此進入了“電力時代”。時至今日,城市經濟的發展水平依然與電力的使用水平直接關聯。

    伴隨互聯網的出現,云計算、大數據和人工智能也在慢慢地改變著城市,城市發展已經面臨質變的關鍵時刻,計算能力的提升為城市從電力時代走進算力時代提供了更多可能。城市在馬力時代需要道路,在電力時代需要電網,當城市對算力有所依賴時,就需要有一個全新的基礎設施,這個基礎設施就是“城市大腦”。

    基礎設施和技術進步是相互促進的。沒有電網就談不上交流電技術的成熟,同樣,電網使得交流電的長途傳輸變成可能?;A設施對技術的推進也是顯而易見的。紐約剛有電的時候只有一種電器——燈泡,也就是說,我們不是因為先有空調、電視機和電冰箱才去建電網,而是電網的出現推動了世界電器產業的創新。由此,我們可以認為,“城市大腦”的出現也會推動我們當前想象不到的新發明出現。

    2016年4月,我向杭州市第一次提出嘗試建設城市大腦,從此開始了為全世界城市發展探索算力時代的基礎設施建設。 

    數據優化城市資源

    數據資源是一種新生資源,科技的進步讓城市可以被量化。那么,將數據資源引入城市會帶來什么?

    云計算已讓計算成為通用設施,計算的便利性前所未有。哪里能尋找到一個點撬動計算更大的需求,釋放通用設施的潛力?大數據就是撬動計算力的一個重要點。

    當今社會最大的數據就是影像數據(包括圖片和視頻數據)。眾所周知,影像數據耗費最大的存儲空間,同時,處理影像數據也消耗大量的算力。深度學習的重大突破就是基于ImageNet大規模圖像分類基礎上。同樣,深度學習消耗算力之大也推動了新的芯片技術發展。

    對一個城市而言,最大的數據來源便是攝像頭提供的視頻。根據2017年的統計,中國現有1.7億攝像頭。這些攝像頭實時生成大量數據,它們本應用來更好地調控紅綠燈,由此優化道路資源、節約人的時間。但現實情況是,這些數據除了做一些如車牌照識別的特殊情況處理外,絕大部分都被白白流失。攝像頭與紅綠燈“生長”在同一根電線桿上,卻沒有產生數據溝通,它們之間的距離也成為了世界上“最遙遠的”距離。數據不通,則交通不暢,這既浪費了城市的數據資源,也加大了城市運營發展的成本。

    城市大腦明確提出把數據資源作為未來城市發展不可或缺的資源,數據資源讓優化城市其他資源變成可能。2016年10月,杭州跨出了歷史性的第一步。在蕭山區的一條主路上通過信號燈與交通數據的配合,在已有交通綠波帶的基礎上,道路車輛通行速度平均提升了5%—11%。這雖然只是一點點的進步,但卻是非常激動人心的。

    隨后,杭州從制定交通政策用的“兩個基本數字”著手,重新認識城市的交通問題。第一個數字是機動車保有量,在杭州全市大約是280萬輛。另一個是用傳統統計方法計算的機動車每天上路數量,是130萬輛—180萬輛。而城市大腦對杭州全城的交通情況有了全新的實時估算:杭州在平峰時段上路約20萬輛車,在高峰時段約30萬輛車。這讓杭州市政府第一次發現,城市擁堵的直接原因其實是30萬輛車,而不是280萬輛。這也徹底改變了我們對城市的基本認識,找到了解決問題的突破口。

    過去幾年,摩爾定律失效是人們談論很多的一個話題。在數據資源時代,有一個更重要的規律在起作用,我把它叫做比特的在線定律:定律一,每一個比特都在互聯網上;定律二,每個比特都可以在互聯網上流動;定律三,比特所代表的每個對象在互聯網上都是可計算的。

    在線定律是數據資源的效能定律,也是數字經濟的基礎。設想一下,如果世界上的比特都是在家里的硬盤里,不在互聯網上,是不會有數字經濟的;如果所有的比特不在互聯網上流動,這個比特也不會有價值。更重要的是,如果所有的比特不能被處理,它也不會產生價值。

    數據資源是一個城市不可或缺的資源,有了數據資源才能定量地優化其他資源的使用。有了城市大腦后,城市的每一寸土地、每一度電和每一滴水的使用都會被計算,能極大降低城市資源的消耗,是將來一個城市可持續發展的基礎。 

    機器智能提升城市效率

    近兩年,由于人工智能的火爆,有的媒體甚至寫出了“互聯網終結”這樣的標題。事實上,正是由于互聯網的發展沉淀了海量數據,云計算提供了強大的計算能力,才讓人工智能這個并不年輕的學科再次遇到了歷史性發展機遇。媒體的這種說法也反映了人工智能的喧囂背后,大家的另一種迷茫。沒有了互聯網的人工智能,很難說清它的路在何方。

    20世紀50年代人工智能剛被提出時,由于機器的計算能力等各方面的極大限制,大家一直努力的方向就是讓機器模仿人的智能,著名的圖靈測試本質上也是在講機器如何模擬人的智能。但互聯網和計算技術發展到今天,除了模擬人的智能以外,我們迎來了一次巨大的發展機會,當有了萬物互聯和海量數據,我們能夠利用機器的計算能力解決僅靠人的智能無法解決的問題。

    就像人類有了鋼鐵和電動機,利用機械裝置解決了自身的體力不足一樣。在這個意義上,今天許多人講的人工智能問題,用機器智能這個詞來定義更加準確。除了模仿人類智能和動物智能的人工智能外,機器智能也是目前最值得關注的方向。

    很多人在聽到城市大腦時,第一反應是模仿人的大腦。其實大腦(brain)不是人類專屬詞匯,它既用在人類上,也用在動物上。生物進化過程當中有大腦和沒有大腦是質的變化,所以即便是昆蟲也可以有大腦。今天城市的進化過程也是如此,算力時代的城市是一次從沒有大腦到有大腦的巨大飛躍。

    城市大腦不是把人的大腦裝到一個城市中去,也不是讓城市模仿人的智能。城市進化到今天,也有它自己的智能體系,我稱之為城市智能,是機器智能的一種。2017年杭州市開始了利用數據資源,對交通進行全城范圍內的優化。2019年,杭州全城快速路的匝道紅綠燈每天根據城市整體的交通流量進行了超過100次實時更新,這種全局的資源優化,使得杭州最堵的立交橋通行速度提高50%,快速路平均提高了15%左右,這是城市智能的第一次具體體現。 

    城市大腦打通城市神經網絡

    在世界范圍內,至今還沒有一個城市把城市大腦當作必需品。城市大腦能夠最早出現在中國,得益于我國發達的互聯網基礎設施。今天,當中國的老百姓已開始用手機付錢買烤紅薯的時候,美國大部分老百姓還在用支票付水電費。這種看似很小的差異讓中國擁有了獨特的競爭力。我們的城市數據資源積累將比世界任何一個國家都快,這給了我們一個重要的機會,用比發達國家更創新的辦法解決城市發展問題。

    城市大腦就是希望建立起一個支持城市數據資源的基礎設施。算力時代的杭州城市大腦,正如馬力時代的羅馬道路、電力時代的紐約電網,它不僅是科技創新,也是機制創新,加速了從數據封閉到數據開放的觀念轉變,通過打通城市的神經網絡,對整個城市進行即時分析和研判,讓數據幫助城市思考、決策和運營。

    交通治理只是起點,更重要的是數據開始為社會產生價值,解決今天僅靠人腦無法解決的城市發展問題。就像沒有機械設備的發明,很難有20世紀的城市建設發展一樣,城市大腦將為城市發展帶來三個重要的突破:

    第一,城市治理模式的突破。以社會結構、社會環境和社會活動等各方面的城市數據為資源,向數據要人力,向數據要服務能力,解決城市治理中的突出問題,實現創新的人性化治理模式。

    第二,城市服務模式的突破。城市大腦是政府服務好民生的重要物質基礎,依靠城市大腦可以更精準地服務好企業與個人。城市的公共服務,如交通,將進入精準和高效服務時代,杜絕公共資源的浪費。

    第三,城市產業發展的突破。就像石油和半導體材料對產業發展的帶動一樣,開放的城市數據資源也是推動傳統產業升級轉型、創新產業發展的重要基礎資源。

    以杭州為例,在城市大腦的整體框架下,利用大規模的計算能力和機器智能,提升城市管理智能化水平,幫助城市高效平安運轉。

    從城市發展角度,“城市大腦”讓我們可以從三個不同角度來看待未來的城市發展。第一,我們應該像規劃土地資源一樣來規劃一個城市的數據資源。對未來城市發展而言,數據資源會變得比土地資源更重要。第二,要像重視垃圾處理一樣來重視一個城市的數據處理。當我們花在數據處理上的錢超過花在垃圾處理上的錢,這個城市就開始進入了算力時代。第三,要向規劃電力供應一樣來規劃一個城市的算力供應。當“城市大腦”成為城市基礎設施的時候,滿足城市對算力的需求不是一件簡單的事,就像今天每個城市明白保證電力供應的充足對城市發展有多么重要。

    數字經濟非常重要的標志,是一個城市的經濟發展水平跟它的電力消耗日漸平衡,但卻與算力消耗的聯系越來越緊密,這代表著新的計算經濟開始替代舊的石油經濟。 

    技術革命帶來智能時代先發優勢

    城市大腦不僅對中國城市發展有重要意義,而且為中國的科技創新提供了一個規模巨大的探索場景。

    每一次技術革命,都會推動城市文明前進一步。20世紀60年代的阿波羅登月計劃催生了通訊技術、生物工程技術等一系列重要創新。當今我們身處互聯網時代,數據成為重要的資源,城市需要構建一個數據大腦來再一次提升文明。就像160多年前倫敦第一次建設地鐵,130多年前紐約第一次建設電網,城市大腦將成為一個全新的城市基礎設施,是中國應該為世界作出的重要探索和貢獻。城市大腦會讓中國在即將到來的全球智能時代擁有先發優勢。

    世界各國城市的可持續發展面臨很多困難,如果沒有進一步突破性的技術創新,我們將面對更大挑戰。這些挑戰也帶來了一個難得的機遇,就是利用基于互聯網、數據和計算的機器智能,解決城市發展過程中許多重要的問題,例如各國都沒能解決好的交通治理問題。在解決這些重要問題的同時,也是像機器智能這樣的新一代技術發展成熟和智能產業崛起的機遇。

    今天,互聯網成為了基礎設施,人類擁有了空前的計算能力,人類積累了歷史上前所未有的數據資源,城市大腦不但能造福百姓,也會像阿波羅登月計劃一樣,成為機器智能未來10年最重要的研究平臺。歐洲的強子對撞機為全世界物理學家提供了研究平臺,杭州城市大腦也希望成為世界研究城市問題的一個開放平臺,讓全世界的研究人員在這個平臺上,通過數據資源優化其他資源,找到城市可持續發展的道路,也找到人類社會可持續發展的道路。 

    (原文刊載于《前沿科學》2019年第2期

     

    責任編輯: 桂楷東
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