基于多元分析的智慧城市快速評估和特色智慧研究

高彥文，高 玲，李翔宇

(安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

基于多元分析的智慧城市快速評估和特色智慧研究

高彥文，高 玲*，李翔宇

(安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

針對智慧城市的評價(jià)問題提出包含快速評估和特色智慧模型的研究方案，旨在為研究智慧城市建設(shè)提供新思路?？焖僭u估模型基于聚類分析法研究智慧城市建設(shè)水平，特色智慧模型基于主成分分析和關(guān)聯(lián)分析法研究城市特色智慧項(xiàng)目。以蚌埠市為例進(jìn)行實(shí)證分析驗(yàn)證了方案的可行性和模型的兼容性，蚌埠的智慧城市建設(shè)水平與滁州和六安相近，同時(shí)可將就業(yè)人員和工資，財(cái)政、金融、保險(xiǎn)，國內(nèi)貿(mào)易，城市概況，旅游，城鄉(xiāng)人民生活等方面作為特色智慧建設(shè)內(nèi)容。

智慧城市；多元分析；快速評估；特色智慧；蚌埠市；Matlab

智慧城市建設(shè)不僅是信息化建設(shè)，而且涉及到城市的方方面面。學(xué)者們從定量或定性的角度對智慧城市進(jìn)行了研究。定性分析主要是討論智慧城市建設(shè)的“通病”及其對策，研究方法主要是對比分析，如國內(nèi)外對比、不同水平的城市對比等。定量分析主要討論評價(jià)體系問題和專業(yè)技術(shù)方面，如袁遠(yuǎn)明[1]的信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，黃超[2]的旅游服務(wù)體系等。定量分析更客觀真實(shí)，但是數(shù)據(jù)獲取是其難點(diǎn)[3]，因此一些評價(jià)體系由于獲取數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往因?yàn)闀r(shí)效性而對智慧城市建設(shè)的評估起不到及時(shí)有效的作用。在智慧城市建設(shè)初期，經(jīng)驗(yàn)、方法和數(shù)據(jù)的缺乏是正常的，我們正是要通過智慧城市的建設(shè)來方便數(shù)據(jù)的獲取，讓數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于生活。所以要有數(shù)據(jù)兼容性好的方案或模型來評估分析智慧城市建設(shè)，讓治理者知道城市過去有哪些弊病，現(xiàn)在處于什么樣水平，將來朝什么方向發(fā)展。

本文利用統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)提出了一套關(guān)于智慧城市建設(shè)的研究方案，包括對城市發(fā)展層次的快速評估和特色智慧的選擇，并以蚌埠市為例進(jìn)行實(shí)證分析。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法

本文使用到的原始數(shù)據(jù)來自安徽省2010—2014年統(tǒng)計(jì)年鑒[4]。采用的聚類分析和灰色關(guān)聯(lián)分析對輸入數(shù)據(jù)有一定兼容性，也就是說對于不同省市統(tǒng)計(jì)年鑒所能提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選就可以作為輸入數(shù)據(jù)，每次使用的指標(biāo)不盡相同是允許的，這樣可以大大提高數(shù)據(jù)的可利用程度和模型的兼容性。對于城市群的分析不局限于一個(gè)省，也可以是一個(gè)地區(qū)，因此將蚌埠市放在安徽省內(nèi)進(jìn)行比較。數(shù)據(jù)分析均使用Matlab軟件進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 快速評估

快速評估是使用聚類分析法依據(jù)某一時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對各個(gè)城市進(jìn)行聚類。對于被聚為一類的城市，可以認(rèn)為它們的發(fā)展程度相似，在進(jìn)行智慧城市建設(shè)的過程中應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)協(xié)同合作。為使聚類結(jié)果具有科學(xué)性，通常應(yīng)綜合多年的聚類結(jié)果來判定哪些城市的發(fā)展程度相似。

根據(jù)安徽省2011—2015統(tǒng)計(jì)年鑒(實(shí)際對應(yīng)年份為2010—2014)各市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐年聚類分析，每年的具體指標(biāo)不同是不影響聚類分析的。例如2014年(對應(yīng)2015年統(tǒng)計(jì)年鑒)安徽省各市聚類結(jié)果如表1所示。同理得出2010—2013年蚌埠市的聚類結(jié)果如表2所示(2010和2011年中巢湖市未參與聚類)。

表1 安徽省各市2014年聚類表

表2 2010—2013年蚌埠市的聚類表

綜上可知，滁州市和六安市與蚌埠市的發(fā)展?fàn)顩r相似度很高，其次是亳州市、宿州市、阜陽市、宣城市、池州市、安慶市、黃山市。因此蚌埠市與這些兄弟城市在智慧城市建設(shè)的項(xiàng)目、合作和規(guī)劃等等方面可以相互協(xié)調(diào)，有所參考，同時(shí)借鑒更高層次城市如合肥市和蕪湖市的經(jīng)驗(yàn)，以及因地制宜的引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)和項(xiàng)目。不在此贅述蚌埠市具體如何合作與學(xué)習(xí)，此方案中的快速評估可以幫助治理者科學(xué)施策，避免在建設(shè)過程中盲目跟風(fēng)，始終清醒的認(rèn)識到制定與自身發(fā)展層次相適應(yīng)的建設(shè)規(guī)劃才能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，解決城市矛盾。

3 特色智慧

研究特色智慧將要用到主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)分析2種方法[5]。主成分分析在高維變量空間進(jìn)行降維處理的同時(shí)可以力保數(shù)據(jù)信息丟失最少。主成分分析方法可以把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)，因此，可以考慮利用主成分進(jìn)行綜合評價(jià)。采用關(guān)聯(lián)度分析的辦法來做系統(tǒng)分析可以克服回歸分析的很多欠缺，如要求大量數(shù)據(jù)、計(jì)算量大及可能出現(xiàn)反常情況等[5]。對系統(tǒng)進(jìn)行因素分析，了解這些因素中哪些對系統(tǒng)來講是主要的，哪些是次要的，哪些需要發(fā)展抑或抑制，哪些是潛在的抑或明顯的。

首先對每年各個(gè)城市按19大類(國民經(jīng)濟(jì)核算、人口、就業(yè)人員和工資、固定資產(chǎn)投資、能源生產(chǎn)和消費(fèi)、財(cái)政、金融、保險(xiǎn)、城鄉(xiāng)人民生活、城市概況、自然資源和環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)、運(yùn)輸和郵電、國內(nèi)貿(mào)易、對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、旅游、教育和科技、衛(wèi)生和社會服務(wù)、公共管理及其他，其中除國民經(jīng)濟(jì)核算外依次編號為1～18)進(jìn)行主成分分析，得到各個(gè)市每一大類指標(biāo)的綜合評價(jià)得分。然后對一個(gè)城市各個(gè)年份的主成分得分進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，以國民經(jīng)濟(jì)核算為參考列，其他18項(xiàng)指標(biāo)為比較列，分析得出優(yōu)勢指標(biāo)，從而作為特色智慧建設(shè)內(nèi)容。

這里以2014年安徽省16個(gè)城市的國民經(jīng)濟(jì)核算大類(包括人均生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)和第二產(chǎn)業(yè)等18項(xiàng)指標(biāo))為例進(jìn)行主成分分析，給出該類各個(gè)城市的綜合評分。

1)指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化

具體包含農(nóng)業(yè)投入品的不當(dāng)應(yīng)用，如未遵循科學(xué)的用藥間隔期；也包含農(nóng)產(chǎn)品輸送、銷售等環(huán)節(jié)的各類化學(xué)性、生物性污染，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全效率下降，影響社會公眾身體健康。為此，有關(guān)人員需做好農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全及預(yù)警工作，保證現(xiàn)代社會持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

2)相關(guān)系數(shù)矩陣R

3)特征值和特征向量

計(jì)算R的特征值λ1≥λ2≥…≥λm≥0和特征向量u1,u2,…,um，其中uj=(u1j,u2j,…,umj)T。由特征向量組合指標(biāo)向量組的點(diǎn)積得到主成分向量，構(gòu)造新的線性非齊次方程組：

其中ym表示第m個(gè)主成分。

①計(jì)算特征值λj(j=1,2,…,m)的信息貢獻(xiàn)率bj和累計(jì)貢獻(xiàn)率αp：

當(dāng)前p個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率αp接近于1，(αp=0.85,0.90,0.95)時(shí)，用這p個(gè)主成分來代替原來m個(gè)指標(biāo)變量，進(jìn)而用p個(gè)主成分得分進(jìn)行綜合評分。主成分分析結(jié)果如表3所示。

表3 主成分分析結(jié)果

可以看出前4個(gè)特征根的累計(jì)貢獻(xiàn)率就達(dá)到90%以上，主成分分析效果很好。下面選取前4個(gè)主成分進(jìn)行綜合評價(jià)。

接下來利用前4個(gè)主成分進(jìn)行綜合評分。

前4個(gè)主成分分別為：

再以4個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建主成分綜合評分模型：Z=0.512 1y1+0.208 7y2+0.131 2y3+0.067 2y4

(1)

把16個(gè)城市的主成分得分代入式(1)，可以得到各城市國民經(jīng)濟(jì)核算綜合評分值如表4所示。

表4 各城市國民經(jīng)濟(jì)核算綜合評分表

同理，對安徽省2011—2015年統(tǒng)計(jì)年鑒各市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐年主成分分析，例如蚌埠市2010—2014年的主成分分析結(jié)果如表5所示。

表5 蚌埠市2010—2014年19類指標(biāo)的主成分得分表

然后根據(jù)主成分分析結(jié)果對蚌埠市以及與其發(fā)展程度相似的幾個(gè)城市都進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析，以蚌埠市為例進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析[5]。

選取參考數(shù)列x0={x0(k)│k=1,2,…,n}=(x0(1),x0(2),…,x0(n))，其中k表示城市。假設(shè)有g(shù)個(gè)比較數(shù)列xi={xi(k)│k=1,2,…,n}=(xi(1),

xi(2),…,xi(n)),i=1,2,…,m。

比較數(shù)列xi對參考數(shù)列x0的關(guān)聯(lián)度：ri=

表6 蚌埠市18大類指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

同理，得出其他城市的結(jié)果如表7所示(編號代表18大類指標(biāo)，編號從左往右排序表示關(guān)聯(lián)度從大到小)。根據(jù)表4的結(jié)果，選擇前6項(xiàng)作為特色智慧的建設(shè)內(nèi)容，對于蚌埠市而言分別為就業(yè)人員和工資，財(cái)政、金融、保險(xiǎn)，國內(nèi)貿(mào)易，城市概況，旅游，城鄉(xiāng)人民生活。其他城市可以根據(jù)自身特色智慧具體情況與蚌埠市實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，協(xié)同發(fā)展。蚌埠市在就業(yè)人員和工資方面可與合肥、滁州合作，在財(cái)政、金融、保險(xiǎn)方面可與蕪湖、宿州、池州和黃山合作，在國內(nèi)貿(mào)易方面可與合肥合作，在城市概況方面可與六安、宿州合作，在旅游方面可與蕪湖、宿州、安慶合作，在城鄉(xiāng)人民生活方面可與宿州、阜陽、宣城合作。

在選擇互補(bǔ)智慧項(xiàng)目合作城市時(shí)以“地理臨近為主，同等發(fā)展程度為輔”為原則。蚌埠市可與周邊城市的特色智慧項(xiàng)目互補(bǔ)，例如，互補(bǔ)合肥的教育和科技、工業(yè)、對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、建筑業(yè)等項(xiàng)目；互補(bǔ)滁州的自然資源和環(huán)境保護(hù)、教育和科技、人口、建筑業(yè)、衛(wèi)生和社會服務(wù)等項(xiàng)目；互補(bǔ)亳州的衛(wèi)生和社會服務(wù)、農(nóng)業(yè)、教育和科技、對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易、自然資源和環(huán)境保護(hù)、工業(yè)等項(xiàng)目；互補(bǔ)宿州的教育和科技、工業(yè)等項(xiàng)目；互補(bǔ)阜陽的公共管理及其他、教育和科技、能源生產(chǎn)和消費(fèi)、運(yùn)輸和郵電、衛(wèi)生和社會服務(wù)。

表7 與蚌埠市關(guān)聯(lián)的12個(gè)城市灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

4 結(jié)語

本文以蚌埠市為例，提出一套包含快速評估和特色智慧的智慧城市建設(shè)方案，并進(jìn)行了實(shí)證分析。在快速評估部分得出結(jié)論：滁州市和六安市與蚌埠市的發(fā)展?fàn)顩r相似度很高，其次是亳州市、宿州市、阜陽市、宣城市、池州市、安慶市、黃山市。蚌埠市應(yīng)該加強(qiáng)與這些省內(nèi)兄弟城市合作，并多向更高層次的合肥市和蕪湖市多借鑒經(jīng)驗(yàn)。當(dāng)然這樣的比較不局限于省內(nèi)，也可以是淮河流域或其他。另外，在特色智慧方面：蚌埠市可以將就業(yè)人員和工資，財(cái)政、金融、保險(xiǎn)，國內(nèi)貿(mào)易，城市概況，旅游，城鄉(xiāng)人民生活作為特色智慧建設(shè)內(nèi)容，提高資源利用效率，實(shí)現(xiàn)發(fā)展效益最大化。同時(shí)與周邊城市實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，打造具有地域特色和實(shí)力的新型智慧城市群。雖然本文的分析只利用了統(tǒng)計(jì)年鑒的數(shù)據(jù)，但涉及到具體領(lǐng)域，例如對智慧城市信息化建設(shè)方面的眾多指標(biāo)分析時(shí)，也可以使用和參考該模型。

[1] 周驥.智慧城市評價(jià)體系研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2013.

[2] 袁遠(yuǎn)明.智慧城市信息系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2012.

[3] 黃超.面向智慧城市的公共旅游信息服務(wù)體系構(gòu)建研究[D].北京:首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué),2013.

[4] 安徽統(tǒng)計(jì)年鑒[EB/OL].[2016-07-26].http://www.ahtjj.gov.cn/tjj/web/index.jsp.

[5] 司守奎.數(shù)學(xué)建模算法及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011:542-595.

Research on Smart City’s Rapid Assessment and Characteristics of Wisdom based on Multivariate Analysis

GAOYanwen,GAOLing*,LIXiangyu

( School of Management Science and Engineering, Anhui University of Finance and Economics, Bengbu 233030, China)

Aiming at the problem of intelligent city evaluation, this paper puts forward a research plan which includes rapid evaluation and characteristic wisdom model, aiming to provide a new idea for the research of intelligent city construction. The rapid evaluation model is based on the clustering analysis method to study the construction level of the intelligent city, and the characteristic wisdom model is based on the principal component analysis and the association analysis to study the city characteristic wisdom project. Bengbu City is used as an example to verify the feasibility of the program and model compatibility, Bengbu wisdom of urban construction level is similar to Chuzhou and Lu’an, while the employment and wages, finance, finance, insurance, domestic trade, City profile, tourism, urban and rural people’s lives can be used as the characteristics of the wisdom of building content.

Smart City; Multivariate Analysis; rapid assessment; characteristic wisdom; Bengbu city; Matlab

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.04.005

2016-09-22

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“蚌埠市建設(shè)智慧城市的可行性研究”(201510378043)

高彥文(1995— )，男(漢族)，安徽巢湖人，在讀本科生，研究方向：應(yīng)用數(shù)學(xué)與數(shù)學(xué)建模。 高玲(1963— )，女(漢族)，安徽蚌埠人，副教授，研究方向: 應(yīng)用數(shù)學(xué)，通信作者郵箱：aufegyw@163.com。

O212.4

A

2095-5383(2016)04-0015-04