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城市大脑:以数据资源驱动社会可持续发展

2019-06-20 10:23:55 来源: 《前沿科学》 作者: 王 坚

城市大脑:以数据资源驱动社会可持续发展

——谈从电力时代迈向算力时代

阿里巴巴技术委员会    

在过去几十年的城市发展中,无论规模大小和经济水平高低的城市,都未能幸免地患上了交通拥堵等“城市病”。虽然云计算、大数据、物联网及人工智能等新兴技术在城市治理中的应用层出不穷,但“城市病”依旧没有发生根本性的改变。

城市大脑(city brain)的提出,为更有效地用新技术解决未来城市发展中的问题提供了解决方案。城市大脑是新的城市基础设施,既是利用新兴技术解决城市问题的平台,也是利用数据资源探索创造更多新技术的平台。城市大脑的出现也标志着城市的发展从电力时代进入了算力时代。 

新基础设施驱动城市变革

从世界城市的发展角度来看,历史上经历了三个非常重要的阶段。

2000多年前,罗马引入了一个非常重要的基础设施——道路,让人类社会进入了“马力时代”。也因为有了道路,罗马成为了第一个使用“基础设施”的城市。今天大家觉得,城市修道路是理所应当的事情,但其实那是人类一个巨大的发明,我们要感谢罗马第一次引进了一个新的基础设施,让每个城市有了道路。

在将近2000年的时间里,人类用城市有多少匹马来衡量一个城市的发展水平,直到130多年前的纽约,这一评价标准才发生了巨大的变化。爱迪生为纽约,也为世界引入了第一个电网,为城市建造了另一个重要的基础设施。城市的发展通过电网引入电力,从此进入了“电力时代”。时至今日,城市经济的发展水平依然与电力的使用水平直接关联。

伴随互联网的出现,云计算、大数据和人工智能也在慢慢地改变着城市,城市发展已经面临质变的关键时刻,计算能力的提升为城市从电力时代走进算力时代提供了更多可能。城市在马力时代需要道路,在电力时代需要电网,当城市对算力有所依赖时,就需要有一个全新的基础设施,这个基础设施就是“城市大脑”。

基础设施和技术进步是相互促进的。没有电网就谈不上交流电技术的成熟,同样,电网使得交流电的长途传输变成可能。基础设施对技术的推进也是显而易见的。纽约刚有电的时候只有一种电器——灯泡,也就是说,我们不是因为先有空调、电视机和电冰箱才去建电网,而是电网的出现推动了世界电器产业的创新。由此,我们可以认为,“城市大脑”的出现也会推动我们当前想象不到的新发明出现。

2016年4月,我向杭州市第一次提出尝试建设城市大脑,从此开始了为全世界城市发展探索算力时代的基础设施建设。 

数据优化城市资源

数据资源是一种新生资源,科技的进步让城市可以被量化。那么,将数据资源引入城市会带来什么?

云计算已让计算成为通用设施,计算的便利性前所未有。哪里能寻找到一个点撬动计算更大的需求,释放通用设施的潜力?大数据就是撬动计算力的一个重要点。

当今社会最大的数据就是影像数据(包括图片和视频数据)。众所周知,影像数据耗费最大的存储空间,同时,处理影像数据也消耗大量的算力。深度学习的重大突破就是基于ImageNet大规模图像分类基础上。同样,深度学习消耗算力之大也推动了新的芯片技术发展。

对一个城市而言,最大的数据来源便是摄像头提供的视频。根据2017年的统计,中国现有1.7亿摄像头。这些摄像头实时生成大量数据,它们本应用来更好地调控红绿灯,由此优化道路资源、节约人的时间。但现实情况是,这些数据除了做一些如车牌照识别的特殊情况处理外,绝大部分都被白白流失。摄像头与红绿灯“生长”在同一根电线杆上,却没有产生数据沟通,它们之间的距离也成为了世界上“最遥远的”距离。数据不通,则交通不畅,这既浪费了城市的数据资源,也加大了城市运营发展的成本。

城市大脑明确提出把数据资源作为未来城市发展不可或缺的资源,数据资源让优化城市其他资源变成可能。2016年10月,杭州跨出了历史性的第一步。在萧山区的一条主路上通过信号灯与交通数据的配合,在已有交通绿波带的基础上,道路车辆通行速度平均提升了5%—11%。这虽然只是一点点的进步,但却是非常激动人心的。

随后,杭州从制定交通政策用的“两个基本数字”着手,重新认识城市的交通问题。第一个数字是机动车保有量,在杭州全市大约是280万辆。另一个是用传统统计方法计算的机动车每天上路数量,是130万辆—180万辆。而城市大脑对杭州全城的交通情况有了全新的实时估算:杭州在平峰时段上路约20万辆车,在高峰时段约30万辆车。这让杭州市政府第一次发现,城市拥堵的直接原因其实是30万辆车,而不是280万辆。这也彻底改变了我们对城市的基本认识,找到了解决问题的突破口。

过去几年,摩尔定律失效是人们谈论很多的一个话题。在数据资源时代,有一个更重要的规律在起作用,我把它叫做比特的在线定律:定律一,每一个比特都在互联网上;定律二,每个比特都可以在互联网上流动;定律三,比特所代表的每个对象在互联网上都是可计算的。

在线定律是数据资源的效能定律,也是数字经济的基础。设想一下,如果世界上的比特都是在家里的硬盘里,不在互联网上,是不会有数字经济的;如果所有的比特不在互联网上流动,这个比特也不会有价值。更重要的是,如果所有的比特不能被处理,它也不会产生价值。

数据资源是一个城市不可或缺的资源,有了数据资源才能定量地优化其他资源的使用。有了城市大脑后,城市的每一寸土地、每一度电和每一滴水的使用都会被计算,能极大降低城市资源的消耗,是将来一个城市可持续发展的基础。 

机器智能提升城市效率

近两年,由于人工智能的火爆,有的媒体甚至写出了“互联网终结”这样的标题。事实上,正是由于互联网的发展沉淀了海量数据,云计算提供了强大的计算能力,才让人工智能这个并不年轻的学科再次遇到了历史性发展机遇。媒体的这种说法也反映了人工智能的喧嚣背后,大家的另一种迷茫。没有了互联网的人工智能,很难说清它的路在何方。

20世纪50年代人工智能刚被提出时,由于机器的计算能力等各方面的极大限制,大家一直努力的方向就是让机器模仿人的智能,著名的图灵测试本质上也是在讲机器如何模拟人的智能。但互联网和计算技术发展到今天,除了模拟人的智能以外,我们迎来了一次巨大的发展机会,当有了万物互联和海量数据,我们能够利用机器的计算能力解决仅靠人的智能无法解决的问题。

就像人类有了钢铁和电动机,利用机械装置解决了自身的体力不足一样。在这个意义上,今天许多人讲的人工智能问题,用机器智能这个词来定义更加准确。除了模仿人类智能和动物智能的人工智能外,机器智能也是目前最值得关注的方向。

很多人在听到城市大脑时,第一反应是模仿人的大脑。其实大脑(brain)不是人类专属词汇,它既用在人类上,也用在动物上。生物进化过程当中有大脑和没有大脑是质的变化,所以即便是昆虫也可以有大脑。今天城市的进化过程也是如此,算力时代的城市是一次从没有大脑到有大脑的巨大飞跃。

城市大脑不是把人的大脑装到一个城市中去,也不是让城市模仿人的智能。城市进化到今天,也有它自己的智能体系,我称之为城市智能,是机器智能的一种。2017年杭州市开始了利用数据资源,对交通进行全城范围内的优化。2019年,杭州全城快速路的匝道红绿灯每天根据城市整体的交通流量进行了超过100次实时更新,这种全局的资源优化,使得杭州最堵的立交桥通行速度提高50%,快速路平均提高了15%左右,这是城市智能的第一次具体体现。 

城市大脑打通城市神经网络

在世界范围内,至今还没有一个城市把城市大脑当作必需品。城市大脑能够最早出现在中国,得益于我国发达的互联网基础设施。今天,当中国的老百姓已开始用手机付钱买烤红薯的时候,美国大部分老百姓还在用支票付水电费。这种看似很小的差异让中国拥有了独特的竞争力。我们的城市数据资源积累将比世界任何一个国家都快,这给了我们一个重要的机会,用比发达国家更创新的办法解决城市发展问题。

城市大脑就是希望建立起一个支持城市数据资源的基础设施。算力时代的杭州城市大脑,正如马力时代的罗马道路、电力时代的纽约电网,它不仅是科技创新,也是机制创新,加速了从数据封闭到数据开放的观念转变,通过打通城市的神经网络,对整个城市进行即时分析和研判,让数据帮助城市思考、决策和运营。

交通治理只是起点,更重要的是数据开始为社会产生价值,解决今天仅靠人脑无法解决的城市发展问题。就像没有机械设备的发明,很难有20世纪的城市建设发展一样,城市大脑将为城市发展带来三个重要的突破:

第一,城市治理模式的突破。以社会结构、社会环境和社会活动等各方面的城市数据为资源,向数据要人力,向数据要服务能力,解决城市治理中的突出问题,实现创新的人性化治理模式。

第二,城市服务模式的突破。城市大脑是政府服务好民生的重要物质基础,依靠城市大脑可以更精准地服务好企业与个人。城市的公共服务,如交通,将进入精准和高效服务时代,杜绝公共资源的浪费。

第三,城市产业发展的突破。就像石油和半导体材料对产业发展的带动一样,开放的城市数据资源也是推动传统产业升级转型、创新产业发展的重要基础资源。

以杭州为例,在城市大脑的整体框架下,利用大规模的计算能力和机器智能,提升城市管理智能化水平,帮助城市高效平安运转。

从城市发展角度,“城市大脑”让我们可以从三个不同角度来看待未来的城市发展。第一,我们应该像规划土地资源一样来规划一个城市的数据资源。对未来城市发展而言,数据资源会变得比土地资源更重要。第二,要像重视垃圾处理一样来重视一个城市的数据处理。当我们花在数据处理上的钱超过花在垃圾处理上的钱,这个城市就开始进入了算力时代。第三,要向规划电力供应一样来规划一个城市的算力供应。当“城市大脑”成为城市基础设施的时候,满足城市对算力的需求不是一件简单的事,就像今天每个城市明白保证电力供应的充足对城市发展有多么重要。

数字经济非常重要的标志,是一个城市的经济发展水平跟它的电力消耗日渐平衡,但却与算力消耗的联系越来越紧密,这代表着新的计算经济开始替代旧的石油经济。 

技术革命带来智能时代先发优势

城市大脑不仅对中国城市发展有重要意义,而且为中国的科技创新提供了一个规模巨大的探索场景。

每一次技术革命,都会推动城市文明前进一步。20世纪60年代的阿波罗登月计划催生了通讯技术、生物工程技术等一系列重要创新。当今我们身处互联网时代,数据成为重要的资源,城市需要构建一个数据大脑来再一次提升文明。就像160多年前伦敦第一次建设地铁,130多年前纽约第一次建设电网,城市大脑将成为一个全新的城市基础设施,是中国应该为世界作出的重要探索和贡献。城市大脑会让中国在即将到来的全球智能时代拥有先发优势。

世界各国城市的可持续发展面临很多困难,如果没有进一步突破性的技术创新,我们将面对更大挑战。这些挑战也带来了一个难得的机遇,就是利用基于互联网、数据和计算的机器智能,解决城市发展过程中许多重要的问题,例如各国都没能解决好的交通治理问题。在解决这些重要问题的同时,也是像机器智能这样的新一代技术发展成熟和智能产业崛起的机遇。

今天,互联网成为了基础设施,人类拥有了空前的计算能力,人类积累了历史上前所未有的数据资源,城市大脑不但能造福百姓,也会像阿波罗登月计划一样,成为机器智能未来10年最重要的研究平台。欧洲的强子对撞机为全世界物理学家提供了研究平台,杭州城市大脑也希望成为世界研究城市问题的一个开放平台,让全世界的研究人员在这个平台上,通过数据资源优化其他资源,找到城市可持续发展的道路,也找到人类社会可持续发展的道路。 

(原文刊载于《前沿科学》2019年第2期

 

责任编辑: 桂楷东