基于主成分分析的智慧城市建設評價研究

汪金華，劉 艷

（安徽建筑大學 經濟與管理學院，安徽 合肥 230601）

智慧城市是信息技術支撐、知識社會和創(chuàng)新環(huán)境下的城市信息化高級形態(tài)[1]，是以物聯(lián)網、大數據與人工智能等新一代信息技術手段為基礎的信息網絡，應用于交通管理、基礎設施、智能生活、智能建筑等領域。近年來，為推進新型智慧城市有序發(fā)展，國家相繼出臺了一系列政策措施和戰(zhàn)略部署優(yōu)化發(fā)展環(huán)境，智慧城市建設取得長足進步，規(guī)模位居世界前列。2019 年新型智慧城市評價結果顯示，超過88%的參評城市已建立智慧城市統(tǒng)籌機制[2]。因此，科學的評價指標體系有助于全方位評估新型智慧城市建設水平，為智慧城市建設提供有效的建議和措施。

1 評價指標體系的構建

1.1 文獻綜述

開展智慧城市的建設評價具有重要意義，既有助于了解智慧城市的發(fā)展現(xiàn)狀，也有助于提升智慧城市的發(fā)展水平。武家名（2018）通過實證分析將智慧城市的發(fā)展驅動要素歸為可持續(xù)發(fā)展與產業(yè)發(fā)展、基礎設施建設、公共服務、創(chuàng)新生產，并運用相關理論模型結合模糊綜合評價法對沈陽的智慧城市建設做出評價[3]。姜軍等（2019）基于公眾視角從智慧城市建設成熟度出發(fā)，從智能設施、基礎服務和網絡信息管理方面為北京市智慧城市建設評價提供建議[4]。陳偉清、趙文超等（2019）從區(qū)域經濟學角度出發(fā)，構建了民生服務、基礎設施、信息產業(yè)、科技創(chuàng)新和價值實現(xiàn)5 個一級指標，并利用主成分分析將南寧市與其他若干城市進行對比分析，總結得出南寧市的建設重點應放在人民生活、產業(yè)結構和基礎設施[5]。胡軍燕等（2020）借助面板數據從智慧生活、智慧經濟、智慧治理、智慧人群和智慧環(huán)境5 個維度對城市智慧度進行評價和分類，通過分析相關因子得出智慧城市建設的重點應該在保持主導因子穩(wěn)步發(fā)展的同時加強短板[6]。段偉偉（2021）從基礎設施、交通、產業(yè)、民生、教育、網絡和醫(yī)療7 個方面對安徽省16 個地級市的智慧城市建設進行評價分析[7]。國家發(fā)改委2018年發(fā)布的新型智慧城市指標中提高了市民體驗和惠民服務兩項指標的權重[8]。

1.2 評價指標選取

“智慧城市是運用物聯(lián)網、云計算、大數據、空間地理信息集成等新一代信息技術，促進城市規(guī)劃、建設、管理和服務智慧化的新理念和新模式。”通過閱讀文獻和國家相關政策可以發(fā)現(xiàn)，智慧城市建設的評價重點包括基礎設施、智能科技、經濟發(fā)展、交通樞紐、便利生活和信息網絡等方面，所以對智慧城市的建設評價也應該圍繞以上內容。因此，本文構建了基礎設施、科技創(chuàng)新、智慧環(huán)境和智慧經濟4 個指標層（見表1）。其中基礎設施包括交通發(fā)展水平和信息網絡便捷度兩方面，并以此構建5 個指標；科技創(chuàng)新主要包括科研創(chuàng)新成果、相關機構設置，從科技發(fā)展?jié)摿嵌葮嫿? 個指標；智慧環(huán)境從綠化環(huán)境、醫(yī)療供給和便民服務3 個方面構建6 個指標；經濟主要考慮了地方經濟、產業(yè)發(fā)展方面的4 個指標。以上指標以我國智慧城市建設現(xiàn)狀為依據，綜合考慮了智慧城市建設的發(fā)展需求和現(xiàn)有的智慧城市評價指標。

表1 智慧城市發(fā)展水平評價指標體系

2 智慧城市發(fā)展水平的主成分分析

2.1 評價方法

現(xiàn)有的評價指標體系大多采用模糊綜合評價法、層次分析法和專家打分法，這些評價方法主觀因素很強，故評價結果的客觀性較弱。而主成分分析目的是盡量避免原始數據信息的遺漏以及可變空間的降維，用較少的綜合變量反映出多個變量所包含的信息，能夠進一步簡化分析，并且增加結果的精確度，使評價結果更加客觀有效。因此，本文采用主成分分析法對合肥市的智慧城市建設水平進行測評，分析存在的問題并提出建議。

2.2 數據來源

為了更好地研究智慧城市建設水平，本文從不同區(qū)域選取了新一線城市中建設水平處于優(yōu)勢的合肥、西安、沈陽、杭州、南京、蘇州、青島等七座城市，對比分析各城市的建設情況和數據，所采用的樣本數據多來源于2019 年《中國統(tǒng)計年鑒》和各省市統(tǒng)計年鑒以及政府有關工作報告。

2.3 主成分分析

主成分分析是一種對原始變量進行降維，然后利用少數互不相關的綜合變量來涵蓋原始變量的分析方法。假設原始變量具有m 個樣本，每個樣本具有n 個觀測值，原始變量矩陣為：

主成分分析就是將n 個觀測變量綜合成新的變量：

式中，F(xiàn)1，F(xiàn)2…Fn—第1 主成分，第2 主成分…第n主成分；a11，a21…ann—主成分系數。得到各個主成分后，根據上述進行主成分的提取：

式中，αi—第i 個主成分方差貢獻率，表明每個分量對原始變量信息的解釋程度；λi—相關系數矩陣的特征根。累計方差貢獻率Mk反映了前k 個主成分的信息綜合能力，計算公式為：

提取前k 個主成分進行分析評價。

根據相關系數矩陣計算出其特征值，選取數值大于1 的特征值從大到小依次排序為6.591、4.588、4.043、1.789。旋轉后的相關系數特征值、貢獻率和累積貢獻率如表3 所示。從表3 所列數據可以看出，前4 個特征值旋轉平方和分別為5.198、4.481、4.331、3.001，均大于1 且累積貢獻率達到94.505%，大于85%。根據主成分提取原則，前4 個主成分能夠代表18 個指標的整體信息，表明這4個主成分聯(lián)合起來完全可以反映智慧城市建設的綜合水平，因此選取4 個主成分F1、F2、F3、F4。

計算特征值可以得出因子荷載矩陣，如表3 所示。

從表3 和表4 中可以看出第一主成分中，X1（固定電話用戶）、X2（移動電話用戶）、X9（R&D研究與試驗發(fā)展人員）、X15（農村居民人均收入水平）、X18（地方財政收入）的變量絕對值系數比較大，這幾項指標包含經濟指標、科技指標和公共服務指標，因此可以認為是評價智慧城市的驅動性因子，它的貢獻率也最高，為28.877%；在第二個主成分中系數比較大的是X11（園林綠地面積）、X12（建成區(qū)綠化覆蓋率）、X3（互聯(lián)網寬帶接入用戶）、X5（民用機動數量）、X6（專利申請數）、X7（專利授權數）、X8（R&D 研究機構數），其中X6、X7、X8 集中反映的是科研創(chuàng)新成果，故可以認為F2 是推動智慧城市建設的科技支撐因素；第三主成分中主要反映的是醫(yī)療資源和便民生活，因此可以認為F3 是影響智慧城市建設的民生服務因子；第四主成分是產業(yè)指標，因此可以認為F4 是評價智慧城市價值實現(xiàn)因子。隨后運用回歸算法得出成分得分系數矩陣，如表4 所示。根據主成分荷載矩陣和成分得分計算最后結果，其綜合評價模型為F=（36.617F1+25.942F2+22.46F3+9.937F4）/94.505，計算結果和排名如表5 所示。

表2 相關系數特征值

表3 主成分荷載矩陣

表4 成分得分系數矩陣

表5 各主成分得分以及排名

2.4 研究結論與分析

2.4.1 合肥市智慧城市總體水平分析

從最終的得分和排名可以得出，所選取的新一線城市中，蘇州、杭州、西安排名靠前，合肥市排名靠后。蘇州是國家高新技術產業(yè)基地，毗鄰上海市，上海市的部分產業(yè)由于自身競爭力不足紛紛落戶蘇州，促進了蘇州的發(fā)展；杭州以旅游為主線，帶動了第三產業(yè)的發(fā)展，為第一、第二產業(yè)的發(fā)展提供了經濟基礎，并且借助優(yōu)惠政策吸引外資投入，推動了杭州發(fā)展；西安作為國家的中心城市之一，具有深厚的文化底蘊，豐富的教育資源也為企業(yè)注入了更多的人才資源，助推企業(yè)項目和西安的城市發(fā)展。與其他新一線城市相比，合肥不具備地理位置的優(yōu)勢，也沒有強大的產業(yè)支持，優(yōu)秀人才較為匱乏，智慧城市建設處于起步階段。

2.4.2 合肥市智慧城市具體指標分析

通過對合肥的排名來看，合肥的民生服務因子排名靠前，說明合肥的醫(yī)療服務齊全，市民生活滿意度比較高。第一主成分的排名處于靠后，表明合肥的公共服務建設相對于其他新一線城市還存在一定差距，信息基礎建設相對較晚?？萍紕?chuàng)新因子的排名處于末端，說明合肥市的科技創(chuàng)新發(fā)展落后。合肥近年來在各個領域的科技水平都有所提高，但是技術服務城市發(fā)展的應用還比較有限，助力構建智慧城市的新興科技力量崛起較慢。合肥的科研扶持資金大多來源于政府，但是由于自主創(chuàng)新能力有限，核心技術和產品大多數來源于進口。一方面，依賴進口會增加智慧城市建設的成本；另一方面，企業(yè)為了獲取利潤，會投入更多精力引進先進技術、擴大企業(yè)規(guī)模，而非研究開發(fā)自己的核心技術，導致自身的科技創(chuàng)新水平停滯不前。價值實現(xiàn)方面排名落后主要是因為合肥市缺乏專業(yè)型人才對企業(yè)轉型和發(fā)展進行指導，產業(yè)發(fā)展落后。

2.4.3 智慧城市影響因素分析

主成分總分排名和第一成分排名比較接近，說明在這些影響因子中第一成分影響較大，具有綜合性評價力。第二成分為科技支撐因素，說明一個城市的發(fā)展離不開科技創(chuàng)新力量，技術創(chuàng)新是推動城市前進的動力。影響智慧城市建設的因素有很多，但第一和第二成分的比重較大，影響效果達到一半以上，也能說明智慧城市的發(fā)展重點是科技創(chuàng)新和民生基礎建設。

各個城市的發(fā)展受到各種因素的影響不同，綜合實力也存在差異。排名前二的城市得分為正，其余城市分數為負，且排名第一的城市和其他城市的分數相差很大。排名靠前的城市經濟實力較強，這與其強大的產業(yè)結構支撐有著密切聯(lián)系。因此，產業(yè)結構對促進智慧城市的建設有重要作用。

3 智慧城市發(fā)展建議與政策

3.1 政府方面

合肥的地理位置并不優(yōu)越，也沒有豐富的礦產資源，交通運輸不便，智慧城市的發(fā)展主要依靠政府幫扶。因此需要政府主導，提供政策優(yōu)勢，加強制度保障。政府應該積極引導企業(yè)加強原創(chuàng)技術的研發(fā)和應用，特別是與智慧合肥相關的大數據、云計算、人工智能、互聯(lián)網等領域。

3.2 人才培養(yǎng)方面

合肥擁有很多高校，然而智慧城市建設的人才培養(yǎng)問題卻沒有得到足夠重視，專業(yè)技術的創(chuàng)新人才缺口問題日益嚴重?？梢怨膭钪袊茖W技術大學、安徽大學、合肥工業(yè)大學等高校聯(lián)合開展相關科研項目、培養(yǎng)專業(yè)人才。同時大力引進專業(yè)型人才，推出人才落戶優(yōu)惠政策，為合肥市的產業(yè)結構優(yōu)化注入新活力。

3.3 公共服務方面

合肥市應充分利用人工智能、大數據等新一代信息技術，建立跨部門跨地區(qū)共建共享、業(yè)務協(xié)同的服務體系，堅持一切工作以服務居民為核心。目前，合肥市著眼于深化“互聯(lián)網+政務服務”，強化政務服務“一網、一門、一次”改革，推進新一代政務云、市大數據平臺、“互聯(lián)網+政務服務”平臺等基礎性項目整合統(tǒng)建，建成了覆蓋市縣鄉(xiāng)村四級的一體化網上政務服務平臺。

3.4 產業(yè)方面

如今，“芯屏器合”“集終生智”等新興產業(yè)名詞已經成為合肥閃耀的名片，一批具有國內乃至國際競爭力的新興產業(yè)龍頭企業(yè)拔地而起。合肥市應該把握住新一輪全球科技革命和產業(yè)變革的機遇，推動戰(zhàn)略新興產業(yè)成為創(chuàng)新驅動的主引擎，通過產業(yè)發(fā)展推動智慧城市建設。

4 結語

本文運用主成分分析的方法，對包括合肥在內的7 個新一線城市的智慧城市建設水平進行比較，全面客觀地評價合肥市智慧城市建設水平。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，合肥市與過去相比，智慧城市建設有一定進展，但也存在一些問題，包括經濟發(fā)展緩慢、信息化服務滯后、科學技術水平偏低等，需要政府帶動，實現(xiàn)產業(yè)結構轉型和優(yōu)化，重視企業(yè)創(chuàng)新和人才培養(yǎng)，不斷提升智慧城市影響力和建設水平。