基于SOP-PSR模型的智慧城市和生態城市的耦合協調研究
——以包頭市為例

孫 斌，潘 杰

(內蒙古科技大學 經濟與管理學院，內蒙古 包頭 014010)

智慧城市的出現是需要一定的推動力來實現的，在智慧城市理念逐漸形成的過程中，其中一個主要原因就是現代化進程的加速使得技術創新帶來了技術的飛速發展，迎來了新的信息技術的飛躍式革命，而另一個原因則是在城市人口增加、城市承載力受到挑戰的背景下學術知識研究需要對新環境中城市的發展開展新的理論創新環境，這就體現出了社會經濟發展過程中出現的社會創新層面的因素。然而在城市建設過程中，智慧城市并不是唯一的出路與解決辦法，生態城市同時也是一種可以高效利用能源，解決污染，提高人民幸福感的城市建設方向。生態城市建設的速度與質量直接影響到居民的生活環境、幸福指數，對包頭市生態城市建設的各個環節進行充分研究、梳理，才能從中找出關鍵線索，才能掌握包頭市生態城市的發展現狀，也能更好地對未來的發展趨勢做出預測。

1 緒論

IBM在其2009年發布的商業價值研究報告《智慧的城市在中國》中認為，智慧城市體現在城市發展過程當中的某些需求和相關活動，例如城市充分利用信息通信技術，智慧感知、集成、分析和應對城市事務，包括在其所管轄的公共事務、城市服務、城市環境、本地產業發展中行使市場監管、經濟調節、社會管理和公共服務等職能[1]。智慧城市的發展與研究使學者們對它產生了濃厚的興趣和希望。辜勝阻(2012)從技術和產業的視角出發，指出智慧城市是以物聯網為核心，以物聯網和互聯網的深度融合為具體表現，致力于信息技術創新和應用的產物[2]。宋剛(2012)等人基于對智慧城市的兩個層面的解析，這兩個層面分別為技術發展和經濟社會發展兩個層面的創新，指出智慧城市的重要性更多地體現在面向知識社會中的創新2.0的方法論的應用，是創新2.0時代以人為本的可持續創新城市[3]。張永民(2011)運用系統論的觀點，指出智慧城市實質上是一個完整的系統，這個系統不是一系列功能的簡單疊加，而是由一個個彼此聯系而又相互影響的子系統形成的整體[4]。孫斌(2015)在大數據不斷發展的前提下，大數據將成為智慧城市的支撐，為智慧城市提供技術支持[5]。因此，智慧城市是一個知識型城市，且其信息化應用取得良好效益，智慧城市必須以公眾視角看待，不能以信息工程學的精確定義來簡單界定。

城市化發展需要生態環境要素提供支撐，并對生態系統造成深刻的變化，可能導致生態城市質量的下降。其中，城市化引起的土地利用類型的變化被認為是生態城市質量下降的主要驅動因素，具有重大的生態風險[6]，如何提高城市化與生態城市協調發展是實現區域可持續發展的關鍵[7]。

包頭市地處環渤海經濟圈腹地與黃河上游資源富集交匯處，是國家呼包銀榆經濟帶和內蒙古呼包鄂經濟圈的重要組成部分。作為學術前沿，智慧城市群的相關內容仍比較匱乏。但其具有城市群與智慧城市共同的理論基礎，可以借鑒到智慧城市群的理論研究中。孫斌(2019)采用基于粒子群算法的投影尋蹤評價模型與耦合協調發展度模型，對呼包鄂榆城市群2012年-2017年的智慧城市群建設水平、區域經濟發展水平以及二者間的耦合協調發展度進行評價。結果表明，觀察期內呼包鄂榆城市群的智慧城市群建設水平、經濟發展水平均有所提高，耦合協調趨于良性發展，但是仍有提升空間[8]。對于包頭市城市發展研究也可借鑒其他城市的相關研究，通過分析、學習其他城市的研究辦法、路徑，也會對包頭市的研究起到啟發作用。王翔宇(2021)以山東省為例，利用有序聚類方法，從不同的行政級別、用地結構的尺度，運用脫鉤指數模型，得出結論：脫鉤狀態與土地和經濟政策息息相關，提高城市化水平，是優化用地與經濟之間耦合關系的關鍵[9]。楊亮潔(2021)以成都、重慶城市群為研究對象，從經濟、社會、生態和城鄉協調4個子系統構建城鎮化綜合評價指標體系，將生態環境承載力和生態彈性結合構建生態環境綜合評價指標體系，結果表明，研究期間，成渝城市群的城鎮化質量呈現波動上升趨勢[10]。唐志強(2020)通過借鑒國內外城鎮化與生態環境耦合協調發展現有的研究成果，以2005年-2017年張掖市統計數據為依據，建立綜合評價指標體系，得出結論：耦合協調程度總體上呈現出逐漸增強的態勢，張掖市新型城鎮化與生態安全的耦合發展仍處于新型城鎮化發展強于生態安全的態勢[11]。雒占福(2021)為了探究蘭西城市群城市高質量發展與區域生態環境質量的相互關系問題，以蘭州—西寧城市群為對象，基于多元數據與GIS空間分析方法，定量評價了蘭西城市群城市發展質量與區域生態敏感性水平，及其二者的耦合協調關系[12]。羅旖璇(2020)為研究智慧城市建設與綠色發展的耦合關系機理，以寧夏銀川市為例，評價2010年—2017年智慧城市建設與綠色發展的耦合協調狀態[13]。

2 評價指標體系構建

2.1 數據標準化

一般來說，指標體系X=(x1，x2…xm)之間由于各自單位及量級(即計量指標xj的數量級)的不同而存在著不可公度性，這就為比較綜合評價指標y值的大小帶來了不便。因此，為了不違反實際情況中個數值的表征，避免由于各指標單位不同、數量級不同、數值懸殊差別使指標產生不合理的現象，并對指標帶來不良影響，需要對評價指標做無量綱化處理。無量綱化也稱為指標數據的標準化、規范化。它通過數學轉換來消除原始數據指標單位的影響。

評價指標分為正向指標和負向指標兩種類型，正向指標是指那些數值越大，評價結果越好的指標；負向指標則與正向指標恰恰相反，數值越小，評價結果反而會更好。

正向指標的標準化公式如公式(1)所示。

(1)

負向指標的標準化公式如公式(2)所示。

(2)

式中xij為第i年第j項指標的原始數據值；xij為標準化后的數據值，max{xj}為第j項指標原始數據值中的最大值；min{xj}為第j項指標原始數據值中的最小值。歸一化后，數值均處于[0，1]范圍內。

2.2 權重確定的步驟

評價指標相對于系統評價目的的重要性程度就是評價指標體系中的權重，他對系統評價起著重要的影響作用。一般的，即使是同一指標在不同的評價指標體系中其相對應的權重也有不同，這主要根據評價指標的評價目的來決定。熵值法作為一種客觀的評價方法，不僅可以避免研究者的主觀判斷失誤，并且可以解決指標與指標之間的信息重疊問題。到目前為止，熵值法已被廣泛用于智慧城市評估和社會經濟研究等諸多領域。因此本研究采用客觀賦值法，即熵值法確定指標權重。熵表示的是不確定性的量度，值越小表示某項指標值變異程度越大，該指標提供的信息量越大，其權重越大，主要步驟如下(其中n是指標數，m表示年份)。

計算第j項第i年的指標Pij如公式(3)所示。

(3)

第j項指標的熵值ej如公式(4)所示。

(4)

第j項指標的冗余系數fj如公式(5)所示。

fj=1-ej

(5)

第j項指標的權重Wj如公式(6)所示。

(6)

2.3 基于SOP-PSR模型的指標評價

為了能夠較為良好的反映包頭市智慧城市和生態城市的耦合協調水平的客觀現狀，對智慧城市建設和生態城市建設所涉及的復雜系統指標進行相關分析、研究、計算，在構建評價指標體系時候就要遵循可行性、單義性、可計算性等原則建立評價指標體系和研究模型。智慧城市的發展狀況和生態城市的發展狀況之間是存在著復雜的相互作用關系的，既有積極作用又有消極事實存在。筆者基于SOP(主體—對象—過程)模型，選取包括了3項二級指標，即產業投入、產業支撐和產業產出，各二級指標又分別包含5項三級指標，通過對指標的篩選優化，最終確定各項數值進行數學運算。PSR模型在研究人類活動與生態環境之間的作用關系的過程中，使用“原因—效應—響應”的研究路線。該模型主要涉及3類指標，即壓力、狀態和響應。人類生產生活等社會活動對環境的影響被稱為壓力指標，例如大量樹木被砍伐，溫室氣體排放；在一定時間段內環境所處情況和環境發生的變化情況所具有的特定特征被稱作狀態指標，一般是指生態系統的穩定程度和自然環境所處現狀等；人類對環境的負面影響所采用的各種措施就是相應指標，一般有減少環境污染、恢復生態平衡等行為，總的目的是將人類對環境的破壞降到最低，為環境的良性發展采取補救措施。筆者依據SOP-PSR模型構建了包頭市智慧城市建設和生態城市建設的指標評價體系，根據智慧城市與生態城市研究選取的指標并依次列舉計算，基于不同系統選取響應指標類型。計算公式如公式(7)和公式(8)所示。

基礎指標的綜合發展水平Yij：

Yij=Wj×xij

(7)

一級指標的綜合發展水平Yi：

(8)

2.4 評價指標體系構建過程和結果

在設計智慧城市群發展水平與生態城市發展水平評價指標體系的過程中，其評價指標體系主要需要體現兩個方面：①盡可能完整的體現評價指標體系，將智慧城市的指標評價體系構建主要圍繞投入、支撐、產出來建立，根據智慧城市群發展水平與生態城市發展水平各系統所具有的不同特點，分別設置兩子系統不同的評價指標。②選取了既能體現智慧城市的發展水平，也能體現生態城市的發展水平的生態文明指標，讓“人的智慧”充分體現在智慧城市與生態城市的發展當中，充分體現“以人為本”建設城市的人文情懷。

生態城市建設的指標選取，主要考慮應用壓力、狀態、響應框架，這一方法常被應用于生態環境的質量評估當中，該模型主要反映了人類生產生活與自然資源、環境生態狀況之間的相互影響的情況，破壞環境造成的壓力和對環境改造產生的響應直接的聯系。在這一模型中，壓力子系統表征人類對環境造成的不良影響出現了環境承載力超載，其主要來源就是人類生產生活中所產生的污染和對環境的破壞。人類通過實施補救的響應措施能否提高生態環境的承載能力、改善生態環境是這一模型的核心問題。

基于以上原因，根據文獻參考總結選取出評價指標，如表1所示。

表1 初步構建智慧城市與生態城市耦合協調指標評價體系

3 耦合協調度模型

耦合度是對系統間關聯程度的度量，只反映各系統間相互作用程度大小，不能反映各系統的水平。而耦合協調度既可以反映各系統是否具有較好的水平，又可以反映系統間的相互作用關系。可以體現出協調狀況是否為優良情況的指標是協調度，主要反映了耦合關系中良性耦合的情況。

耦合協調度模型主要分為耦合度C值、協調指數T值、耦合協調度D值的指標運算，并且最終結合耦合協調度D值的大小，對照協調等級表，最終得出各系統的耦合協調程度。

在研究包頭市智慧城市的建設水平和生態城市的建設水平的過程當中，數學模型的構建是不可缺少的研究工具，各系統之間是否相互獨立抑或是存在相互作用關系，都可以通過構建模型進行測算，而耦合協調發展度模型在這個問題的解決上起到了決定性的作用，為研究的順利進行提供了有效的理論科學基礎與實踐工具。包頭市智慧城市和生態城市的兩子系統間的耦合度模型如公式(9)所示。

(9)

其中，包頭市智慧城市建設水平和生態城市建設水平的耦合度大小可以用C來進行表示；Y1表示包頭市智慧城市的建設水平的評價值，Y2表示包頭市生態城市建設水平。耦合度模型中要求子系統評價值需滿足0≤Y1≤1、0≤Y2≤1，耦合度C的取值要滿足數值計算結果在[0，1]的取值范圍內。計算結果中C的值越小，則顯示包頭市智慧城市和生態城市兩者的相關聯程度越小，反之亦然。

在研究系統整體功效的過程中耦合度的大小并不能很好地反映系統與系統之間的具體協調情況，為了能更好地研究包頭市智慧城市和生態城市兩子系統的協調發展情況，不能簡單地耦合度大小來作為唯一確定手段，需要進一步對模型進行優化，建立耦合協調度模型，公式如式(10)和(11)所示。

T=αY1+βY2

(10)

(11)

在式(11)中，T表示綜合協調指數，α和β為待定參數(注：α+β=1)，兩參數為影響智慧城市群建設水平與生態城市建設水平在評價模型中所占比重。對兩系統在整個評價體系中所占重要程度經專家評價法打分，確定參數大小，最終確定均取0.5。Y1代表智慧城市建設水平，Y2代表生態城市建設水平，D表示耦合協調度指數，D的取值范圍在[0，1]，其值越大，說明包頭市智慧城市和生態城市的相關聯程度越好，數值越小則程度越差。當D=1時說明兩子系統處于最佳協調狀態，實現智慧城市與生態城市的協調發展。耦合協調度等級劃分標準如表2所示。

表2 耦合協調度等級劃分

4 包頭市智慧城市與生態城市耦合協調分析

4.1 數據來源

智慧城市與生態城市耦合協調評價指標數據主要涉及公共衛生情況、工業“三廢”處理狀況等數據。經過匯總整理，分析選取了部分主要指標進行計算，收集了包頭市2013年—2019年相關樣本數據，數據來源均為官方公開數據，真實可靠。

4.2 評價指標篩選與處理

在對包頭市智慧城市群建設水平和生態城市建設水平的評價過程，由于使用的評價模型為SOP—PSR模型，在指標選取過程中選取的準則層、要素層和指標層的各個指標本身所蘊含的意義也各有不同，且測量單位不統一，對評價結果會產生積極影響還是負面影響存在著不確定因素。因此，在數據統計結束只需要對原始數據進行數學處理，即數據的標準化處理，將數據進行無量綱化處理，得到各數據的無量綱，使數據實現即使個數據具有不同表征仍然能表現出相同的測度。

使用離差標準化法，即通過式(1)和式(2)對原始數據進行線性變換，使具有不同單位的原始數據變為均在0到1之間常數。根據文獻分析法，判斷指標正、負方向。得到負指標有城鎮登記失業率、城鎮恩格爾系數、單位GDP電耗變化率、工業固體廢物產生量、工業廢水排放量、工業廢氣排放量、全年沙塵天數，采用負向指標的標準化算法；其余指標均為正向指標，采用正向指標標準化算法。

由于筆者采用的是熵值法求權重，在進行數據的標準化后得到的無量綱數值中會出現0和1的數值，而熵值法的計算需要用到取對數，0是無法進行取對數運算的，所以要把得到的無量綱數據進行平移處理，為了保證對平移對數據影響盡量小，所以文中無量綱平移采用的是無量綱加1的辦法平移。再進行式(3)的計算，得到指標比重。接下來根據式(4)求出指標的熵值，由于文中選取的數據為2013年—2019年數據，所以式中m取值為7。接下來按照熵值法求出指標權重，如表3所示。

表3 智慧城市與生態城市耦合協調指標權重

4.3 包頭市智慧城市、生態城市建設水平變遷

通過構造SOP—PSR模型來確定評價指標體系，通過熵值法求出權重后，可根據式(7)和式(8)計算得出綜合發展水平。指標中的綜合發展水平值加和為1，其中數值越大表示發展水平越高。

在包頭市智慧城市建設水平的評價中，主要從產業投入、產業支撐、產業產出3個要素層來評價智慧城市建設水平。從搜集到的2013年—2019年的數據當中，包頭市這3個要素層指標都逐年有所提高。如表4所示。

表4 包頭市智慧城市綜合發展水平變遷

在評價包頭市生態城市發展水平的指標選取中，根據模型分為壓力、狀態、響應3個要素層來進行評價。從政府公開網站搜集到的數據進行計算分析。如表5所示。

表5 包頭市生態城市綜合發展水平變遷

綜合包頭市智慧城市的發展水平和包頭市生態城市發展水平兩個子系統，根據式(8)計算，可得出兩系統發展水平隨時間變化數據，結果如表6所示。

表6 包頭市智慧城市與生態城市綜合發展度

4.4 包頭市智慧城市與生態城市的耦合協調分析

智慧城市的建設與生態城市的建設是一個復雜的系統工程，需要綜合考慮到城市管理、產業結構、交通環境、資源利用、環境保護、“三廢”處理等方方面面，確保城市各領域相互作用協調發展。將測算出的包頭市的智慧城市發展水平與生態城市發展水平的數值導入耦合協調發展度模型，計算2013年—2019年包頭市兩子系統的耦合協調度與協調類型，并進行分析。

根據式(8)中計算得到的綜合發展水平數值，代入到式(9)—式(11)中，得到包頭市智慧城市與生態城市的耦合度C值、綜合協調指數T值、耦合協調度D值，結果如表7所示。

表7 包頭市智慧城市與生態城市的耦合度

耦合度是對系統間關聯程度的度量，只反映各系統間相互作用程度大小，不能反映各系統的水平。根據耦合階段類型劃分標準，0

耦合協調度既可以反映各系統是否具有較好的水平，又可以反映系統間的相互作用關系。協調度是指相互作用中良性耦合程度的大小，體現了協調狀況好壞，可以表征各功能之間是在高水平上相互促進還是低水平上相互制約。從包頭市智慧城市與生態城市的耦合協調度D的計算結果來看，對照表2中耦合協調度的等級劃分，耦合協調度D的數值從2013年的0.3097到2019年的0.3951，雖然協調度隨時間變化逐年增大，但耦合協調度數值較小，2013年-2019年一直處于協調等級4。這個階段一直處于輕度失調狀態，這個過程在2013年-2016年間進展緩慢，但2017年和2019年上升明顯。說明在經過2013年-2016年4年的發展，包頭市智慧城市與生態城市的各子系統之間的相互作用沒有起到良好的效果，各表征功能之間存在相互制約，但在2018年和2019年開始逐步改善，各要素的制約關系開始減小，同時開始有相互促進的跡象出現。

5 結論與建議

筆者對智慧城市的概念與內涵、智慧城市的評價方法，以及生態城市的內涵和特征、智慧城市的評價體系，耦合理論、耦合協調理論的相關概念與內容進行了闡釋，并用耦合協調度模型對包頭市智慧城市和生態城市的耦合協調度進行了計算，得到了包頭市智慧城市和生態城市發展的耦合度、耦合協調度、綜合協調水平相關數值，從時間角度分析了智慧城市發展和生態城市發展的變化過程。筆者基于已有的理論基礎展開研究，根據相關計算結果，得出以下研究成果：①包頭市智慧城市的發展進入相對成熟的新階段，為生態城市建設營造了良好的政策環境與硬件基礎。②從耦合度的計算結論來看，包頭市的智慧城市和生態城市的耦合度在2013年-2019年間一直處于0.95以上，長期處于高水平耦合階段。這也就表明兩者之間存在著非常緊密的聯系，協調好智慧城市和生態城市的關系，可以為未來城市的發展起到積極的作用，是未來的重要發展方向。③從耦合協調度的數值來看，包頭市智慧城市和生態城市的耦合協調度雖然逐年升高，但經過多年發展耦合協調度依然處于輕度失調的狀態。這也表明了包頭市智慧城市和生態城市的發展的各子系統之間開始得到了一定的發展，相互作用、相互促進、協調發展的局面已經開始形成，但距離高度耦合水平還有一定距離，這也說明包頭市的智慧城市和生態城市的建設還有很長的路要走。

結合以上結論，為了更好地增速包頭市智慧城市的建設，使包頭市逐漸成為給人民帶來更多幸福感、更高生活品質的城市，基于這個愿景提出幾點建議：①從包頭市當前的實際情況出發，將產業與資源相結合，使之相互融合相互促進。基于包頭市已有的軍轉民的技術能力，配合朝陽中發展的大數據技術，使之形成合力提升產業技術實力，加強產業靈活度，提升管理效率，加速城市發展。②利用好包頭市在城市信息化建設中的優勢，加速智慧城市建設穩中向好的步伐。加速生態城市建設速度，從而促進生態環境向更高質量發展。③提升包頭市智慧城市和生態城市的協調水平，使得智慧城市發展與生態城市相互促進，共同為更好地城市發展、更高的經濟效益、更加完善的城市治理能力提高有效支撐與可行抓手。