系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)視角的智慧城市模型研究*

王威

(國(guó)家信息中心，北京 100045)

0 引言

隨著全球城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷深入，城市發(fā)展逐漸暴露出許多問(wèn)題，傳統(tǒng)的城市建設(shè)模式無(wú)法適應(yīng)城市發(fā)展模式以及新一代信息技術(shù)快速變革的腳步。智慧城市作為城市發(fā)展的新理念和新模式，成為改善當(dāng)前城市發(fā)展問(wèn)題的一種重要手段[1]?！爸腔鄢鞘小备拍畹奶岢隹梢宰匪莸?0世紀(jì)90年代，是美國(guó)等國(guó)家為應(yīng)對(duì)城市發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的人口急劇增長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境急速惡化等問(wèn)題而提出的一種城市發(fā)展模式。在智慧城市的概念和定義方面，IBM公司把智慧城市定義為能夠充分利用物質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施、IT基礎(chǔ)設(shè)施、社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施互通互聯(lián)產(chǎn)生集體智慧的城市[2]。2014年，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)提出，智慧城市是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、空間地理信息集成等新一代信息技術(shù)，促進(jìn)城市規(guī)劃、建設(shè)、管理和服務(wù)智慧化的新理念和新模式[3]。李奕[4]提出了新型智慧城市是信息技術(shù)與人居社會(huì)深度融合的整體。除此之外，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者、機(jī)構(gòu)對(duì)智慧城市也給出了不同的定義?？偟膩?lái)說(shuō)，智慧城市是運(yùn)用新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市科學(xué)化、智能化管理和服務(wù)的一種城市發(fā)展模式，用以滿足人們對(duì)城市高效運(yùn)行、可持續(xù)發(fā)展和惠民宜居的需求。

現(xiàn)代城市是典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，而智慧城市作為現(xiàn)代城市的重要組成部分，也被看作是復(fù)雜巨系統(tǒng)。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究需要借助模型實(shí)施。智慧城市模型研究起步較晚，理論體系尚不完善，目前仍然處于概念模型階段。IBM公司結(jié)合其提出的智慧城市概念，研究了相應(yīng)的智慧城市模型[5]。Cohen提出了智慧城市論概念，并從6個(gè)維度開展了建模，分別是智慧經(jīng)濟(jì)、智慧環(huán)保、智慧政府、智慧生活、智慧出行和智慧民眾[6]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是一種較為直觀的復(fù)雜系統(tǒng)研究方法。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)出現(xiàn)于1956年，由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Forrester教授創(chuàng)立，是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學(xué)科，也是一門認(rèn)識(shí)系統(tǒng)問(wèn)題和解決系統(tǒng)問(wèn)題的交叉綜合學(xué)科。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是系統(tǒng)論、控制論、信息論等理論與社會(huì)科學(xué)的綜合交叉學(xué)科，能夠有效將信息反饋概念應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)[7]，例如可以有效描述熵在系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的流動(dòng)。以“熵”為主要流量載體研究復(fù)雜系統(tǒng)由來(lái)已久，也有不少學(xué)者將熵的概念引入對(duì)城市的研究之中。Cabral[8]等利用熵觀察城市擴(kuò)張情況。R. Fistola[9]提出要將城市系統(tǒng)化研究，并有效降低城市“熵”來(lái)實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展。李松[10]等研究了城市“熵”機(jī)制對(duì)城市耗散結(jié)構(gòu)的關(guān)系。嚴(yán)杰[11]應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)資源型城市空間進(jìn)行解讀，并基于熵理論對(duì)資源型城市空間的演變進(jìn)行定性及定量化測(cè)度。蔡禮彬[12]等利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)開展城市成長(zhǎng)模式分析，模擬出四種不同模式下海洋旅游城市的成長(zhǎng)路徑。易好磊[13]等提出了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型在市級(jí)國(guó)土空間規(guī)劃中的應(yīng)用方法，并在典型地區(qū)進(jìn)行了驗(yàn)證。也有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者將系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法運(yùn)用于智慧城市的研究工作中。Mohammed[14]等提出了一種利用系統(tǒng)動(dòng)力開展智慧城市建模的方法，并從設(shè)施、機(jī)構(gòu)和市民幾個(gè)維度開展了建模。秦彬煊[15]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)了智慧城市的評(píng)價(jià)體系。李曉英[16]利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)對(duì)智慧城市進(jìn)行了政策仿真并提出相關(guān)建議。從文獻(xiàn)可知，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)能夠根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部組成要素互為因果的反饋特點(diǎn)，從系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)尋找問(wèn)題發(fā)生的根源，適合用于開展智慧城市建模與評(píng)價(jià)工作。

1 基于“熵”的智慧城市系統(tǒng)框架

如果將城市看作是一類復(fù)雜巨系統(tǒng)，則可將“熵”的概念引入城市中。熵是對(duì)系統(tǒng)有序度的一種度量，一個(gè)系統(tǒng)的熵越大，說(shuō)明該系統(tǒng)的秩序越混亂。信息論的創(chuàng)始人香農(nóng)以熱力學(xué)“熵”為基礎(chǔ)提出了信息熵的概念，并將信息定義為“負(fù)熵”，表示信息的引入可以減少系統(tǒng)的不確定性。熱力學(xué)第二定律指出，在一個(gè)封閉的系統(tǒng)內(nèi)，能量總是從高的地方流向低的地方，系統(tǒng)從有序漸漸變?yōu)闊o(wú)序，系統(tǒng)的熵最終達(dá)到最大值。從城市系統(tǒng)的角度來(lái)看，隨著城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，人口日益增多，人口、建筑、交通工具、城市部件等各類基本元素之間關(guān)聯(lián)關(guān)系不斷增多，城市的無(wú)序度也在不斷增加。

一般來(lái)說(shuō)，生物進(jìn)化、社會(huì)發(fā)展總是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由低級(jí)到高級(jí)，整個(gè)系統(tǒng)變得越來(lái)越有序，這便是“負(fù)熵”的作用。負(fù)熵是系統(tǒng)在進(jìn)化過(guò)程中從外界所引入的物質(zhì)流、能量流和信息流，將熵增轉(zhuǎn)移到外界，從而使自身的熵減少，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性(如圖1所示)。

圖1 城市熵的流動(dòng)

城市是一個(gè)開放性的耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，熵增與熵減可以用來(lái)描述和分析城市系統(tǒng)的狀態(tài)。城市熵就是城市在不斷的發(fā)展過(guò)程中所引入的負(fù)熵和自身所增加的正熵的總稱。城市系統(tǒng)是開放系統(tǒng)并且遠(yuǎn)離平衡態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)與環(huán)境的物質(zhì)和能量交換所引入負(fù)熵流的絕對(duì)值小于系統(tǒng)產(chǎn)生正熵時(shí)，系統(tǒng)的總熵增為正，系統(tǒng)的狀態(tài)向無(wú)序發(fā)展，系統(tǒng)最終會(huì)走向衰敗和熱寂。當(dāng)總熵增為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)就可能自發(fā)地從無(wú)序狀態(tài)向有序狀態(tài)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生一種新的穩(wěn)定的秩序。

在城市中，失序的問(wèn)題是普遍存在的，城市越大，城市結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，城市熵也就越大。要保持城市的有序性就需要降低城市熵，通過(guò)信息化手段在城市發(fā)展過(guò)程中引入負(fù)熵，使城市的熵增保持在合理范圍內(nèi)，從而使城市得以有序、可持續(xù)發(fā)展。從系統(tǒng)論的思路看，這一有序和無(wú)序相互作用的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了城市發(fā)展的一種類似耗散結(jié)構(gòu)的平衡。在當(dāng)前的城市發(fā)展過(guò)程中，智慧城市系統(tǒng)就是一項(xiàng)行之有效的治理手段，扮演著一個(gè)類似城市控制器的作用，起到對(duì)城市系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，如圖2所示。

圖3 新型智慧城市評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2 新型智慧城市評(píng)價(jià)模型的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)

為了定量描述智慧城市熵，根據(jù)前文提出的新型智慧城市模型框架，運(yùn)用《新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)》(GB/T 33356-2022)相關(guān)定量指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法和Anylogic軟件為此框架模型開展系統(tǒng)建模和仿真。

2.1 智慧城市系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

根據(jù)新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的可采集性和可獲得性，經(jīng)部分抽象簡(jiǎn)化，基于Anylogic軟件平臺(tái)提出智慧城市系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總體模型如圖3所示。此模型可大體分為4個(gè)部分。

圖2 智慧城市系統(tǒng)框架

(1)城市系統(tǒng)

城市系統(tǒng)代表物理城市系統(tǒng)和市民組成的社會(huì)空間系統(tǒng)。主要由城市基礎(chǔ)熵作為基礎(chǔ)變量，智慧城市熵作為流量變量。

按照前文提出的概念，城市基礎(chǔ)熵表示這個(gè)城市基本的有序程度，主要應(yīng)由城市建成區(qū)、人口數(shù)據(jù)、GDP等數(shù)據(jù)來(lái)度量。但由于本次試驗(yàn)過(guò)程處于新冠肺炎疫情期間，各城市GDP變化情況較為特殊。因此，為不失一般性，模型僅采用人口和建成區(qū)面積代表，即：

城市基礎(chǔ)熵=ln(人口數(shù)量)+ln(建成區(qū)面積)

(1)

智慧城市熵是一類負(fù)熵流，是智慧城市系統(tǒng)對(duì)城市系統(tǒng)的反饋，通過(guò)各類智慧城市應(yīng)用作用到實(shí)體物理城市和城市居民上去。在本模型中，通過(guò)簡(jiǎn)化，假設(shè)：

智慧城市熵=政務(wù)服務(wù)信息+城市服務(wù)信息

(2)

(2)數(shù)據(jù)采集體系

數(shù)據(jù)采集體系描述智慧城市采集城市實(shí)體和人口數(shù)據(jù)的能力。本模型經(jīng)簡(jiǎn)化抽象后的數(shù)據(jù)采集采集體系主要由三大部分組成。分別是面向?qū)嶓w物理城市的視頻信息采集和地理數(shù)據(jù)采集，以及面向社會(huì)空間的人口數(shù)據(jù)采集。

視頻信息=視頻數(shù)據(jù)采集能力×ln(建成區(qū)面積)

城市地理信息=地理數(shù)據(jù)采集能力×ln (建成區(qū)面積)

(3)

人口數(shù)據(jù)信息=人口數(shù)據(jù)采集能力×ln (人口數(shù)量)

視頻信息采集能力、地理數(shù)據(jù)采集能力和人口數(shù)據(jù)采集能力，在本模型中由視頻完好率、地理信息覆蓋情況和智慧社區(qū)覆蓋情況3項(xiàng)新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體現(xiàn)。

(3)數(shù)據(jù)傳輸體系

數(shù)據(jù)傳輸體系描述智慧城市計(jì)算、存儲(chǔ)、共享、傳輸數(shù)據(jù)信息的能力。本模型經(jīng)簡(jiǎn)化抽象后的數(shù)據(jù)采集體系主要體現(xiàn)在“城市共享匯聚信息”這一關(guān)鍵指標(biāo)。

城市共享匯聚信息=(視頻信息×視頻聯(lián)網(wǎng)共享率+城市地理信息+人口數(shù)據(jù)信息) ×信息傳輸匯聚能力

(4)

在本模型中，信息傳輸匯聚能力由信息開放率和信息共享率兩項(xiàng)新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)相加實(shí)現(xiàn)。

(4)數(shù)據(jù)應(yīng)用體系

數(shù)據(jù)應(yīng)用體系描述智慧城市將信息反饋回實(shí)體城市和市民的能力。本模型經(jīng)簡(jiǎn)化抽象后的數(shù)據(jù)應(yīng)用體系主要體現(xiàn)在城市服務(wù)信息和政務(wù)服務(wù)信息兩個(gè)方面。

政務(wù)服務(wù)信息=城市共享匯聚信息×政務(wù)信息應(yīng)用能力

城市服務(wù)信息=城市共享匯聚信息×城市服務(wù)信息能力

(5)

在本模型中，政務(wù)信息應(yīng)用能力由一站式辦理率和網(wǎng)上統(tǒng)一入口率兩項(xiàng)新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)體現(xiàn)。城市服務(wù)信息能力由互聯(lián)網(wǎng)城市服務(wù)情況評(píng)價(jià)指標(biāo)體現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)(以A市為例)

基于上小節(jié)構(gòu)建的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，課題組利用A市3年的新型智慧城市評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型的仿真實(shí)現(xiàn)。

(1)基本數(shù)據(jù)

A市2016—2021年的新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4是A市這3次評(píng)價(jià)時(shí)的城市基礎(chǔ)熵(人口、面積)變化情況。可以看到，這些年A市人口和建成區(qū)面積都在持續(xù)增長(zhǎng)，城市復(fù)雜程度也在不斷提高，隨之而來(lái)的是對(duì)治理能力和治理體系的要求不斷增加。本研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)其智慧城市評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)A市新型智慧城市建設(shè)情況進(jìn)行了分析，給出了要加大力氣提升信息資源部門間共享率、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)城市服務(wù)等關(guān)鍵工作的建議。A市通過(guò)在相關(guān)領(lǐng)域加大投資建設(shè)力度，在2021年的評(píng)價(jià)中顯著提高了相關(guān)領(lǐng)域的得分。

圖4 A市2017—2021年城市基礎(chǔ)熵變化情況

表1 A市新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)新型智慧城市評(píng)價(jià)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，將上表數(shù)據(jù)代入后進(jìn)行仿真，得到3年A市智慧城市熵變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 A市2017—2021年智慧城市熵變化趨勢(shì)情況

從三次評(píng)價(jià)中A市新型智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)和智慧城市熵的變化可知。A市通過(guò)評(píng)價(jià)摸清了智慧城市建設(shè)過(guò)程中的關(guān)鍵短板，并通過(guò)持續(xù)建設(shè)提升了關(guān)鍵影響要素的能力，從而能夠在城市復(fù)雜度不斷提升的情況下，實(shí)現(xiàn)了智慧城市建設(shè)成效的持續(xù)提升。通過(guò)對(duì)A市近3年的市民滿意度綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)，市民對(duì)智慧城市建設(shè)成效滿意度呈逐年上升趨勢(shì)，也印證了這一觀點(diǎn)。

3 基于智慧城市熵對(duì)智慧城市發(fā)展的啟示

3.1 根據(jù)城市復(fù)雜程度確立智慧城市發(fā)展策略

目前，分級(jí)分類開展智慧城市規(guī)劃和建設(shè)已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)。但是，以往的分級(jí)分類大都采用城市面積、人口、行政級(jí)別等單一維度來(lái)劃分城市的等級(jí)，很難精準(zhǔn)識(shí)別城市的真正智慧建設(shè)需求。從系統(tǒng)分析的角度看，不同復(fù)雜度的城市應(yīng)當(dāng)適用不同的智慧城市系統(tǒng)，城市應(yīng)當(dāng)根據(jù)自己的復(fù)雜度來(lái)確立智慧城市的發(fā)展。例如，有的發(fā)達(dá)地區(qū)城市，雖然面積不大，但是單位面積人口數(shù)量多、GDP高，城市面臨的治理問(wèn)題會(huì)相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)該采用更加全面的智慧城市體系。反之，有的城市盡管城市面積大，但人口和GDP密度均較低，就應(yīng)當(dāng)抓住重點(diǎn)，有選擇性地建設(shè)智慧城市項(xiàng)目。

3.2 從系統(tǒng)角度思考智慧城市建設(shè)完備性

如果將智慧城市看作是城市的控制系統(tǒng)，則首先需要滿足控制系統(tǒng)的完備性。只有在體系意義上完備的控制系統(tǒng)，才能真正起到控制系統(tǒng)作用。對(duì)于智慧城市系統(tǒng)而言，就是要將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用幾大體系建設(shè)完全。具體來(lái)說(shuō)，智慧城市在建設(shè)云計(jì)算中心(數(shù)據(jù)傳輸處理部分)的同時(shí)，也需要建設(shè)與之相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集體系(如物聯(lián)網(wǎng)、基層數(shù)據(jù)采集平臺(tái)等)以及數(shù)據(jù)應(yīng)用體系(如智慧應(yīng)用終端、城市APP等)。在采集、傳輸、應(yīng)用幾大核心任一部分的缺失，將會(huì)使整個(gè)智慧城市系統(tǒng)癱瘓。

3.3 從信息流角度考慮系統(tǒng)的均衡性

一個(gè)好的控制系統(tǒng)不僅需要完備性，而且需要較好的均衡性，也就是數(shù)據(jù)采集能力、數(shù)據(jù)傳輸處理能力和數(shù)據(jù)應(yīng)用能力相互匹配，既能有效地處理智慧城市產(chǎn)生的信息流，又不至于形成大規(guī)模的系統(tǒng)冗余。對(duì)于智慧城市來(lái)說(shuō)，就是要從信息流的角度總體設(shè)計(jì)智慧城市系統(tǒng)，以最小的建設(shè)成本保證全系統(tǒng)的順暢運(yùn)行。例如，城市在打造物聯(lián)感知體系時(shí)，要充分考慮到城市是否具備與之相適應(yīng)的信息傳輸、處理能力，防止出現(xiàn)類似攝像頭架設(shè)過(guò)多造成后臺(tái)圖像處理能力不足的情況。又如，城市要重視發(fā)展城市APP等信息反饋終端，防止智慧城市信息流在政府內(nèi)部“空轉(zhuǎn)”，無(wú)法有效提升廣大市民的幸福感和獲得感。

4 結(jié)束語(yǔ)

智慧城市作為一個(gè)典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，需要通過(guò)復(fù)雜系統(tǒng)分析方法對(duì)其進(jìn)行建模。本文在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析框架下，將熵的概念引入到智慧城市的建模和分析過(guò)程中，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了方法的有效性。本文提出的方法為不同類型的城市開展智慧城市評(píng)價(jià)和建設(shè)提出了一類新的思路，可用于通過(guò)對(duì)城市復(fù)雜程度的計(jì)算指導(dǎo)設(shè)計(jì)相應(yīng)的智慧城市建設(shè)項(xiàng)目。