智慧城市的大腦——智慧模型的概念、類型和作用

 1 智慧城市的智慧現(xiàn)狀

1.1  智慧城市的智慧所在

綜合國內(nèi)外的解釋，可以發(fā)現(xiàn)智慧城市必須具備感知、分析和應(yīng)對3個要素才能實現(xiàn)“智慧”。感知的實現(xiàn)，相當(dāng)于給城市裝上眼、耳、鼻，使城市能夠通過各種傳感器設(shè)備來感知、采集各種數(shù)據(jù)。分析的實現(xiàn)，相當(dāng)于給城市裝上大腦，通過數(shù)據(jù)分析，了解城市現(xiàn)狀、發(fā)現(xiàn)城市問題、探尋城市運(yùn)營機(jī)制、預(yù)測城市未來、生成問題解決方案。應(yīng)對的實現(xiàn)，相當(dāng)于給城市裝上手腳，使城市能夠自主解決城市問題，迅速、靈活、準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)控。這三者缺一不可：感知是先導(dǎo)，分析是核心，應(yīng)對是智慧城市的理想目標(biāo)。

1.2  當(dāng)前的智慧實現(xiàn)情況

感知層面，我國很多城市已經(jīng)建起了大量設(shè)備，并收集到了大量數(shù)據(jù)，能夠初步實現(xiàn)感知的功能。然而，智慧城市建設(shè)中還是廣泛存在“數(shù)據(jù)孤島”、“信息孤島”等問題。當(dāng)前感知層面的難點和未來的重點在于數(shù)據(jù)整合共享。

分析層面，現(xiàn)狀智慧城市中已使用的分析工具數(shù)量較少，也不能很好地滿足智慧城市的分析需要，中國的智慧城市建設(shè)在智慧分析層面，還處于起步階段。

應(yīng)對層面，我國的實踐尚處于萌芽階段。應(yīng)對的實現(xiàn)需要城市達(dá)到更高的智慧程度，依賴分析的支撐。而當(dāng)前城市中還沒有建立起成熟的分析技術(shù)體系，應(yīng)對也就難以實現(xiàn)。

 2 智慧城市的大腦——智慧模型

2.1  智慧模型的類型

智慧模型種類數(shù)量眾多。本文從智慧城市的需求出發(fā)，按照不同的作用，將其分為5類。5類模型共同作用，可以應(yīng)用于智慧城市中從問題發(fā)掘到問題解決的全過程。

5類智慧模型

（1）城市測度評價模型

通過一系列精煉的指標(biāo)、圖示或特征類別來反映城市當(dāng)前的各種狀態(tài)。該類模型具體包括協(xié)調(diào)度分析、多準(zhǔn)則評價等多種量化評估方法。運(yùn)用該類模型可以監(jiān)測、評估城市運(yùn)行狀態(tài)，從而即時發(fā)現(xiàn)城市問題。

（2）城市預(yù)測和模擬模型

基于現(xiàn)有發(fā)展條件或者特定政策情景來預(yù)測或模擬城市未來的改變?？刹捎脮r間序列分析、回歸分析等統(tǒng)計分析方法、系統(tǒng)動力學(xué)方法和元胞自動機(jī)、多主體系統(tǒng)等現(xiàn)代計算方法。運(yùn)用該類模型在一定程度上可以對城市未來的人口分布、交通分布、公共服務(wù)需求量等情況進(jìn)行預(yù)測，輔助發(fā)現(xiàn)城市問題，合理制定策略以應(yīng)對未來變化。

（3）運(yùn)籌和決策模型

主要用于問題解決方案的生成，包括運(yùn)籌學(xué)、單目標(biāo)決策、博弈論等多種方法。運(yùn)用該類模型一方面更加科學(xué)，可以更準(zhǔn)確地找到相對最優(yōu)的解決方案；另一方面更加迅速，可以大大加快問題的解決速度和響應(yīng)速度。

（4）城市改變影響評估模型

主要用于評估不同的城市問題解決方案對經(jīng)濟(jì)、社會、交通、生態(tài)、物質(zhì)空間環(huán)境等產(chǎn)生的影響。所采用的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計法、應(yīng)用模型法、仿真法等。其評價結(jié)果為人們選擇最優(yōu)問題解決方案提供了科學(xué)依據(jù)。

（5）城市運(yùn)作模型

解析城市構(gòu)成要素之間的相互聯(lián)系和相互作用關(guān)系以及城市現(xiàn)象的成因，成果表現(xiàn)為反映城市運(yùn)作機(jī)制的數(shù)學(xué)模型或者規(guī)則。該類模型內(nèi)涵廣泛，包括元胞自動機(jī)、重力模型等多種模型。城市運(yùn)作模型是上述4類模型的基礎(chǔ)，是發(fā)現(xiàn)城市問題、合理運(yùn)籌決策的科學(xué)保障。

2.2  智慧模型的作用

上述5類智慧模型不是孤立地發(fā)揮作用，而是協(xié)調(diào)配合著共同解決城市中的問題或提供更智能的城市服務(wù)。例如，智慧城市在實時監(jiān)控過程中，利用測度評價模型發(fā)現(xiàn)了某個異?，F(xiàn)象或城市問題，馬上從運(yùn)作模型庫中尋找、匹配可以合理解釋該現(xiàn)象或問題的運(yùn)作模型，并進(jìn)行標(biāo)定，作為后續(xù)分析的基礎(chǔ)；然后運(yùn)用預(yù)測模型模擬問題的演化趨勢；通過運(yùn)籌決策模型生成多個方案，并通過改變影響評估模型對這些方案進(jìn)行綜合評估，從中挑選出最優(yōu)方案進(jìn)行實施；在方案實施過程中，智慧城市還會通過測評模型，監(jiān)測城市運(yùn)行狀況，評估問題的解決情況，繼續(xù)“發(fā)現(xiàn)問題—解決問題”的過程。如此形成一個智慧的循環(huán)，保證城市的健康運(yùn)行。

智慧模型的作用

 3 智慧模型在智慧城市中的應(yīng)用

3.1  智慧模型與智慧管治

智慧管治是應(yīng)用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代技術(shù)手段構(gòu)建的統(tǒng)一的城市綜合管理與服務(wù)平臺，強(qiáng)調(diào)政府、企業(yè)和公眾三位一體。

以公共服務(wù)設(shè)施管理為例，應(yīng)用智慧模型可以分析現(xiàn)狀公共服務(wù)設(shè)施的數(shù)量、分布和使用情況等數(shù)據(jù)，測評公共服務(wù)可達(dá)性、居民滿意度等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前公共服務(wù)設(shè)施存在的問題；通過相關(guān)性分析判定公共服務(wù)布局與居民滿意度之間的關(guān)系；根據(jù)分析結(jié)果，可以構(gòu)建起公共服務(wù)選址模型、公共服務(wù)分配模型，進(jìn)而構(gòu)建出確保居民滿意的公共服務(wù)設(shè)施布局方案。最后政府和市民還可以運(yùn)用改變影響評估模型來評估這些方案的綜合效益，以此為標(biāo)準(zhǔn)來選擇最優(yōu)方案。

3.2  智慧模型與智慧產(chǎn)業(yè)

智慧產(chǎn)業(yè)指新一代信息技術(shù)催生的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，也指傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的智慧化。智慧模型在智慧產(chǎn)業(yè)中，一方面可以幫助政府制定城市產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，一方面可以幫助企業(yè)自身制定企業(yè)發(fā)展規(guī)劃。

以產(chǎn)業(yè)規(guī)劃為例，運(yùn)用智慧模型，政府可以對城市的產(chǎn)業(yè)體系、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、產(chǎn)業(yè)空間布局等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測評城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，挖掘產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題；對城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的影響因素等進(jìn)行分析，并總結(jié)其影響機(jī)制；根據(jù)解析的機(jī)制，可以預(yù)測城市未來的產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r；綜合預(yù)測結(jié)果，可以運(yùn)用模型生成多種產(chǎn)業(yè)規(guī)劃方案；最后還可以建立指標(biāo)體系，評估不同方案的綜合效益，挑選出最優(yōu)的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃方案。產(chǎn)業(yè)規(guī)劃實施后，政府可以繼續(xù)應(yīng)用模型，對反饋的產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實現(xiàn)對城市產(chǎn)業(yè)的動態(tài)監(jiān)控，實時調(diào)整產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。

3.3  智慧模型與智慧交通

智慧交通指的是城市交通系統(tǒng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析為代表的多種技術(shù)，以期解決交通擁堵、能源消耗、環(huán)境污染等問題，實現(xiàn)交通智慧化的過程。智慧模型應(yīng)用在智慧交通中，一方面可以協(xié)助政府科學(xué)規(guī)劃交通設(shè)施，管理交通運(yùn)行；另一方面還可以為運(yùn)輸公司和市民提供出行服務(wù)，提高其出行品質(zhì)。

以共享單車投放優(yōu)化為例，決策者運(yùn)用智慧模型可以分析共享單車的時空分布數(shù)據(jù)，通過單車使用率等指標(biāo)來判斷共享單車在各個停車點的投放數(shù)量是否合理；了解居民使用共享單車的行為習(xí)慣；預(yù)測城市共享單車的適宜投放地點及數(shù)量；綜合預(yù)測結(jié)果，可以生成多種單車投放方案；最后，決策者可以構(gòu)建指標(biāo)體系，對這些方案的綜合效益做出評估，選擇最優(yōu)的單車投放方案。

3.4  智慧模型與智慧基礎(chǔ)設(shè)施

智慧基礎(chǔ)設(shè)施包括新一代信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施及經(jīng)過智能化轉(zhuǎn)型的城市基礎(chǔ)設(shè)施。智慧模型應(yīng)用在智慧基礎(chǔ)設(shè)施中，不僅能夠通過實時的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)城市基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行中的問題，并迅速生成解決方案；還可以幫助人們科學(xué)規(guī)劃設(shè)施布局，全面提升基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)營效率。

以智慧供電為例，管理者應(yīng)用智慧模型可以分析供電數(shù)據(jù)，迅速發(fā)現(xiàn)問題，實時監(jiān)管供電設(shè)施。具體來說，可以分析城市中電力設(shè)施、用電終端的能源生產(chǎn)使用情況，測評設(shè)施現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)供電不足或供電浪費(fèi)等問題；然后分析城市用電量的影響因素和影響機(jī)制，預(yù)測城市各地區(qū)未來用電量情況；根據(jù)預(yù)測結(jié)果，可以模擬保證居民需求的儲能供能設(shè)施規(guī)劃布局方案，從而精準(zhǔn)匹配能源消費(fèi)需求，科學(xué)合理調(diào)配資源。最后還可以評估供電方案的經(jīng)濟(jì)成本和可行性，作為管理者挑選方案的依據(jù)。

3.5  智慧模型與智慧環(huán)境

智慧環(huán)境強(qiáng)調(diào)運(yùn)用感知設(shè)備來采集和捕獲環(huán)境信息，發(fā)現(xiàn)環(huán)境問題并迅速反應(yīng)，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)管的智能化。

以大氣污染防治為例，智慧模型可以協(xié)助管理者分析大氣污染成因，制定大氣污染防治方案。對于收集到的大氣污染相關(guān)數(shù)據(jù)，管理者可以運(yùn)用智慧模型清洗加工數(shù)據(jù)，提取出能測評地區(qū)大氣污染嚴(yán)重度、工廠廢氣量、汽車尾氣排放量的指標(biāo)；然后進(jìn)行相關(guān)性分析，判斷不同地區(qū)造成大氣污染的主要因素；根據(jù)分析，可以構(gòu)建模型，生成多套大氣污染防治方案；構(gòu)建指標(biāo)體系，評價各方案的綜合社會效益，便于管理者挑選最優(yōu)方案。

3.6  智慧模型與智慧生活

智慧生活強(qiáng)調(diào)通過收集分析生活相關(guān)數(shù)據(jù)，為居民提供智能的生活服務(wù)。智慧模型可以在居民行動之前發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，最終實現(xiàn)“思人所思，想人所想，做人所做”。

以智慧旅游為例。智慧模型可以分析旅游相關(guān)數(shù)據(jù)，整理不同景區(qū)的旅游人數(shù)變化情況；分析居民旅游習(xí)慣和景點游客數(shù)時空變化規(guī)律；據(jù)此預(yù)測未來景點游客數(shù)目變化情況，為居民推薦旅游路線，保證居民旅游時避開游客高峰；甚至可以綜合景點附近的交通、住宿數(shù)據(jù)，為居民提供涵蓋交通方式選擇、旅館選擇的旅游規(guī)劃。

 4 結(jié)語

經(jīng)過多年的建設(shè)與探索，智慧城市已經(jīng)初步建立起多種數(shù)據(jù)采集渠道，其工作重心正在從數(shù)據(jù)管理轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)分析。而智慧的分析需要智慧的模型，相當(dāng)于智慧城市的大腦，是智慧城市建設(shè)的關(guān)鍵所在。智慧模型的研究才剛剛開始，存在大量工作要做：一方面，現(xiàn)成的智慧模型尚為數(shù)不多，需要眾多專家學(xué)者一起來針對智慧城市建設(shè)的需求進(jìn)行研究開發(fā)；另一方面，智慧模型要能集成到智慧城市系統(tǒng)中發(fā)揮作用，還有大量的開發(fā)工作要做。

作者：牛強(qiáng)、夏源、牛雪蕊、周燚，武漢大學(xué)城市設(shè)計學(xué)院。