基于復雜性科學的智慧城市建設方法研究

吳德華 楊冰

摘要：信息與通信技術的飛速發展，為城市智慧化奠定了基礎。本文通過分析現代城市的復雜性特征，提出在面對城市這樣的復雜巨系統時，需要利用復雜性科學方法——綜合集成方法以人機結合、以人為主的形式加以解決，最終實現城市經濟、社會、生態等諸多方面的全面發展。

關鍵詞：復雜性科學;智慧城市;綜合集成方法;ICT

中圖分類號：TP3-05 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）33-0237-02

隨著中國城市化的快速發展，城市管理、城市規劃、城市安全、城市的可持續發展等方面都面臨著嚴峻的挑戰。面對這些挑戰，迫切需要新的方法來實現城市的協調可持續發展。近年來，物聯網、云計算、大數據、普適計算等信息與通信技術（Infor-marion and communication technologies，IcT）得到飛速發展，使得社會具有廣泛的感知和強大的計算能力，促進了各行各業的智能化發展，為由數字城市向智慧城市轉變奠定了基礎。智慧城市是在城市全面數字化基礎之上建立的可視、可量測、可感知、可分析、可控制的智能化城市管理與運營機制，包括城市的網絡、傳感器、計算資源等基礎設施，以及在此基礎上通過對實時信息和數據的分析而建立的城市信息管理與綜合決策支撐等平臺。智慧城市建設的目標是要推動城市在經濟、社會、生態等諸多方面的全面發展，增進城市整體宜居度嘲。然而，現代城市是一個由物理系統、社會系統和信息技術系統耦合而成的開放式復雜巨系統，需要用復雜性科學思想指導解決智慧城市建設問題。

1現代城市的復雜性特征

現代城市是一個區域政治、經濟、文化、教育、科技和信息中心，是勞動力、資本、各類經濟、生活基礎設施高度聚集，人流、資金流、物資流、能量流、信息流高度交匯，子系統繁多、結構繁復、其間關聯關系高度繁雜的開放的復雜巨系統，具有整體、層次、動態、開放、非線性等特征。

城市系統是由區域政治、經濟、文化、教育、科技、信息等若干要素形成具有一定新功能的有機整體，這個整體系統所具備的某些性質和功能是單個要素所沒有的，整體系統的功能大于各單個要素功能的總和。因此，在智慧城市建設的過程中，需要以整體觀來指導處理不同要素之間的關系和矛盾。

城市是一個由物理系統、社會系統和信息技術系統等子系統耦合而成的多層系統，每個子系統又包括種類繁多的大量子系統，如社會系統又包括經濟系統、生活系統等子系統，這些子系統在城市系統中的地位、作用、功能和結構等方面具有不同的等級性，且同層之間或不同層級之間都是相互關聯的。

隨時間條件不同，城市發展也是不斷變化的，具有動態性，城市系統中的子系統都可能受到任一子系統變化的影響。因此，城市系統的協調發展受到其本身條件和相關系統的制約和影響。

城市系統內部要素之間存在著人流、資金流、物資流、能量流、信息流的交換，在經濟、社會、環境等方面既有競爭，又有合作，同時城市系統對外開放，與其他國家、地區存在競爭與合作，參與全球范圍內的資源優化及配置，系統開放為城市系統協調穩定發展提供了條件。

城市系統通過對物質、能量的合理利用使資源配置效益得以提高，但跨地區的產業競爭，不斷更新的技術，使城市發展不受地方政府的控制。城市發展態勢同時受到本地策略和外地市場競爭的影響。知識、技術、管理的長期積累，以及與外界環境存在的開放性和強耦合性使城市系統具有明顯的非線性特征。

2智慧城市復雜系統方法論

城市系統是一個多層次、多組分、開放的復雜巨系統，僅用傳統的還原論方法不能解決這樣的復雜巨系統問題，需要利用復雜性科學的方法加以解決。我國著名科學家錢學森主張在研究復雜系統時，在整體的觀照下對系統進行分解，基于分解后的研究對系統進行綜合集成，實現1+1>2的涌現，即綜合集成方法，為研究智慧城市建設問題提供了借鑒。

綜合集成方法的特點是人機結合、以人為主，將專家體系、數據和信息體系、計算機體系形成一個人機結合系統，綜合集成不同層次、領域的信息和知識，從整體上研究并解決問題，實現對系統整體的定性認識到定量認識的轉變。利用綜合集成方法研究智慧城市建設問題分為三個階段，首先對智慧城市進行定性綜合集成，將不同學科和領域的專家及城市職能部門組成智慧城市建設的專家體系，針對智慧城市建設中的問題，結合不同領域專家的經驗知識和智慧，進行全面是交叉研究、實現對智慧城市復雜系統的全面認識，并在此基礎上形成經驗性假設和定性判斷。然后進行智慧城市的定性定量相結合的綜合集成，在掌握系統相關的資料、數據的基礎上，構建系統信息體系、指標體系和模型體系，以經驗知識為指導，以信息體系、指標體系、模型體系為基礎，構建系統模型，運用人工智能、大數據、虛擬仿真等技術對上階段形成的經驗性判斷在計算機上進行系統仿真和實驗，以證明其正確性，并給出智慧城市的定量描述，實現對智慧城市的整體分析和綜合研究。最后進行智慧城市的從定性到定量的綜合集成，通過專家體系對系統仿真和實驗的結果進行綜合集成，得到增加的新的定量信息，專家們在加入新的定量信息后進行研討，獲得對智慧城市的定量描述，采用人機交互、逐次逼近、反復比較等方式，直到綜合集成定量結果達到專家們都認可的可信程度，最終將智慧城市的經驗性的定性認識轉化為科學的定量認識。

3智慧城市建設的啟示

通過對城市復雜性特征和綜合集成方法的分析，對智慧城市建設具有一定的啟示意義。

（1）成立由地區政府主管領導牽頭，發改委、經信委、國土資源局、規劃局等相關部門負責人參與的智慧城市領導小組，負責智慧城市的頂層設計，研究解決城市發展和生態環境中出現的重大問題，加強城市交通、通信、宜居度、人才吸引力等改善經濟發展基礎環境的宏觀指導，有效整合不同職能部門，實現信息共享，科學有序地推進城市智慧化建設。

（2）智慧城市建設是一個以自組織形式進行的、動態持續多系統協調發展的過程，涉及政府部門、企事業單位、居民大眾等多方面的相關主體，需考慮各方的利益協調，同時城市的可持續發展是建立在自然環境的承載力上，需要考慮城市系統與自然環境的協調發展，因此智慧城市的建設需要復雜性科學的指導。

（3）智慧城市建設不僅要注重ICT基礎設施、平臺和各類信息系統構建，還要重視城市創造與創新能力的培養，促進人工智能、生理智能、社會智能的協同發展。

（4）城市是一個由水、電、道路、通信等眾多相對獨立的系統構成的復雜巨系統，這些子系統又是通過ICT基礎設施、平臺和各類信息系統進行連接并綜合集成，因此智慧城市建設可從各子系統的智慧化建設人手，從整體上對各子系統的智慧化建設進行協調與整合，促進智慧城市的可持續發展。

4結論

新一代信息技術以及各行各業智能化的發展為智慧城市建設奠定了基礎，但城市發展是動態、開放、非線性的，傳統還原論方法不能解決智慧城市建設中存在的諸多問題，由于現代城市內在的復雜性特征，智慧城市建設需要復雜性科學思想的指導，復雜性科學方法在智慧城市建設中的實踐，又將進一步豐富復雜性科學理論。