智慧城市發(fā)展水平測(cè)度指標(biāo)體系的構(gòu)建

曲 巖，王 前

（1.大連理工大學(xué) 人文與社會(huì)科學(xué)學(xué)部，遼寧 大連 116024；2.中共遼寧省委黨校，沈陽(yáng) 110004）

0 引言

智慧城市是信息化推動(dòng)城鎮(zhèn)化的一個(gè)具體體現(xiàn)，其本質(zhì)是在特定空間內(nèi)新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的新模式和新形態(tài)，是未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)引領(lǐng)、支撐城鎮(zhèn)化發(fā)展，拉動(dòng)內(nèi)需，促進(jìn)新型消費(fèi)的核心載體。

目前智慧城市建設(shè)發(fā)展水平進(jìn)行測(cè)度的研究尚屬起步階段，這些評(píng)估體系側(cè)重的內(nèi)容和優(yōu)缺點(diǎn)各有差異，有的指標(biāo)體系地域特征明顯，缺乏適用性；有的指標(biāo)體系僅僅停留在認(rèn)識(shí)方法的層面，缺少可操作性而未能進(jìn)行實(shí)證分析；指標(biāo)的權(quán)重確定仍以算數(shù)平均數(shù)的計(jì)算方法為主，難以體現(xiàn)不同指標(biāo)的貢獻(xiàn)度。因此，本文將從理論與實(shí)踐相結(jié)合的角度，構(gòu)建中國(guó)智慧城市建設(shè)發(fā)展水平測(cè)度體系，并對(duì)國(guó)內(nèi)15個(gè)副省級(jí)和4個(gè)直轄市進(jìn)行測(cè)評(píng)。一方面是檢驗(yàn)測(cè)度指標(biāo)體系的可靠性；另一方面，通過(guò)實(shí)證使不同規(guī)模等級(jí)的城市能夠更好地認(rèn)清自身的發(fā)展水平和條件，避免智慧城市建設(shè)的盲目性，為各個(gè)城市選擇建設(shè)項(xiàng)目、運(yùn)營(yíng)模式、融資渠道及制定相關(guān)政策提供參考。

1 智慧城市建設(shè)發(fā)展水平的測(cè)度方法

1.1 核主成分分析（KCPA）方法

智慧城市建設(shè)作為一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)工程，內(nèi)外部環(huán)境具有諸多隨機(jī)性、模糊性和灰色性，因而其建設(shè)水平評(píng)估和管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)具有高維性、時(shí)變性和非線性的特點(diǎn)，核主成分分析方法能夠更好地描述智慧城市建設(shè)水平動(dòng)態(tài)的、高維的、非線性的變化過(guò)程。通過(guò)對(duì)各類指標(biāo)要素的測(cè)量和識(shí)別對(duì)智慧城市建設(shè)水平做出動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，可以將建設(shè)水平數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為決策信息，構(gòu)建智慧城市建設(shè)水平和智慧城市建設(shè)管理系統(tǒng)之間的橋梁。因此本文選擇核主成分分析方法。

核主成分分析（KCPA）方法是通過(guò)非線性映射Φ實(shí)現(xiàn)輸入空間到特征空間的轉(zhuǎn)換，然后對(duì)映射后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性PCA，因而具有很強(qiáng)的非線性處理能力。其基本思想是將核方法應(yīng)用到主成分分析中。主成分分析（CPA）是一種較好的特征提取技術(shù)，旨在利用降維的方法，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)。但對(duì)于原始空間的非線性問(wèn)題，CPA無(wú)法提取，此時(shí)引入核函數(shù)，通過(guò)非線性變換函數(shù) φ將原始變量映射到一個(gè)高維的特征空間F，即輸入空間樣本點(diǎn)X1，X2，…Xn，變換為特征空間的樣本點(diǎn) φ(x1)，φ(x2)，… φ(xn)，在 F中進(jìn)行CPA。具體原理為：X是原始空間樣本，通過(guò)映射函數(shù)滿足,x→φ(x)∈F，特征向量V∈F，F(xiàn)是特征空間。原始空間中的兩個(gè)樣本xi和xj在空間的距離，用他們的內(nèi)積φ(Xi)·φ(Xj)表示，核函數(shù)為 K(Xi，Xj)= φ(Xi)·φ(Xj)，稱為 K 矩陣。模型y=φξ+ε是特征空間F中的標(biāo)準(zhǔn)回歸模型；y是以觀測(cè)值為分量的n維向量；φ是n×m階矩陣，為回歸變量矩陣；ξ是回歸系數(shù)向量；ε是由誤差項(xiàng)構(gòu)成的向量。假設(shè)特征空間F中的回歸變量滿足中心化條件則回歸方程可進(jìn)一步寫(xiě)為：y=φVVTξ+ε=Bw+ε，這里B=φV，w=VTξ。其中，新回歸變量矩陣B是核主成分矩陣。于是回歸系數(shù)w的最小二乘估計(jì)可表示為：再計(jì)算因變量y的n個(gè)預(yù)測(cè)值，構(gòu)成的向量為

1.2 KPCA計(jì)算方法的步驟

（1）輸入樣本數(shù)據(jù)X，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)所取核函數(shù)進(jìn)行內(nèi)積計(jì)算，從而得到矩陣K；數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法：X*=(X-E(X))D(X)，其中E(X)為樣本均值，D(X)為樣本方差。選取高斯徑向基核函數(shù)為核函數(shù)，其參數(shù)選擇為E(X)=2.98。

（3）求矩陣K的特征值λi和特征向量Vi；

（4）找出其中最大的特征值λm和特征向量Vm；

（5）求出主成分的貢獻(xiàn)率，找出累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)于85%的前n項(xiàng)主成分，提取主成分。

1.3 智慧城市建設(shè)發(fā)展水平測(cè)度模型的構(gòu)建

本文充分考慮到智慧城市發(fā)展中的經(jīng)濟(jì)、科技、管理等方面的實(shí)際情況，在對(duì)相關(guān)學(xué)者和政府有關(guān)部門(mén)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行整理與分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)科學(xué)性、系統(tǒng)性、實(shí)用性和可操作性四個(gè)原則選取5個(gè)決策層指標(biāo)和21個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)，構(gòu)建了智慧城市發(fā)展水平測(cè)度指標(biāo)體系（見(jiàn)表1）。本文采用和諧城市指數(shù)、宜商城市指數(shù)、宜居城市指數(shù)對(duì)智慧城市治理水平進(jìn)行衡量。和諧城市指數(shù)反映了城市管理中信息公開(kāi)透明的程度和公平公正的水平，宜商城市指數(shù)通過(guò)企業(yè)審批等事項(xiàng)的便捷度、政策環(huán)境和交通運(yùn)輸能力等方面反映城市的宜商性，宜居城市指數(shù)通過(guò)對(duì)公民的醫(yī)療、教育、交通和居住環(huán)境的評(píng)價(jià)來(lái)反映城市的宜居性，宜居、宜商和城市的和諧程度是衡量智慧城市的建設(shè)和發(fā)展的標(biāo)志性指標(biāo)。

表1 智慧城市發(fā)展水平測(cè)度指標(biāo)體系

1.4 數(shù)據(jù)的來(lái)源

本文根據(jù)我國(guó)各個(gè)城市的智慧城市規(guī)劃制定情況選取15個(gè)副省級(jí)城市和4個(gè)直轄市為樣本進(jìn)行實(shí)證分析。所有數(shù)據(jù)主要來(lái)源于《中國(guó)城市競(jìng)爭(zhēng)力》、《中國(guó)城市統(tǒng)計(jì)年鑒》、《中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒》和各城市統(tǒng)計(jì)年鑒及其統(tǒng)計(jì)公報(bào)，還有少部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于“搜數(shù)網(wǎng)”，并運(yùn)用MATLAB7.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2 智慧城市建設(shè)發(fā)展水平研究結(jié)果

2.1 核主成分分析結(jié)果

智慧城市建設(shè)影響不同因素Xi具有不同的量綱，數(shù)據(jù)需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，才能進(jìn)行綜合測(cè)度。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理的方法：X*=(X-E(X))D(X)，其中E(X)為樣本均值，D(X)為樣本方差。樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到n個(gè)樣本的m個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，從而得到矩陣A，選取的核函數(shù)為高斯徑向基核函數(shù)，利用Matlab對(duì)所取核函數(shù)進(jìn)行內(nèi)積計(jì)算得到核矩陣K（如表2所示），核函數(shù)參數(shù)選擇：E(X)=2.98。

表2 核矩陣K數(shù)值表（截表）

高斯核函數(shù)

由Matlab計(jì)算得出核矩陣的特征值，將特征值排序，計(jì)算累計(jì)方差貢獻(xiàn)率（取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率超過(guò)85%的主成分），見(jiàn)表3。

表3 主成分變量特征值、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率

最大特征值λm=0.9314，對(duì)應(yīng)最大特征向量如表4所示。

表4 最大特征向量

2.2 模型的顯著性分析

本文通過(guò)核主成分分析方法在對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了智慧城市發(fā)展水平測(cè)度模型，得到了相應(yīng)的測(cè)度系數(shù)。為了判斷各指標(biāo)變量對(duì)測(cè)度結(jié)果影響的顯著性水平，本文對(duì)每個(gè)測(cè)度系數(shù)均采用t檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 19個(gè)智慧城市的發(fā)展水平測(cè)度結(jié)果

表6 測(cè)度系數(shù)檢驗(yàn)表

首先提出假設(shè)。對(duì)于任意參數(shù)Xi（i=1，2，…，21）：

計(jì)算檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量

21個(gè)指標(biāo)變量的評(píng)估系數(shù)均通過(guò)了顯著性水平ρ=0.05的t檢驗(yàn)，說(shuō)明每個(gè)指標(biāo)變量均對(duì)評(píng)估結(jié)果的評(píng)估作用很大，這也驗(yàn)證了指標(biāo)體系構(gòu)建的合理性、指標(biāo)評(píng)估結(jié)果的有效性。

2.3 測(cè)度結(jié)果分析

根據(jù)表5可知我國(guó)主要智慧城市的總得分和要素指標(biāo)的得分。智慧城市發(fā)展水平的綜合測(cè)度范圍在[-0.451,2.352]，均值為0.361，總體發(fā)展水平不高。

（1）從城市信息基礎(chǔ)設(shè)施水平的測(cè)度結(jié)果可知，各智慧城市間的信息基礎(chǔ)設(shè)施水平存在較大差異，其最高得分為2.516，最低得分為-0.646，均值為0.375。智慧城市的信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括兩大方面：一方面，網(wǎng)絡(luò)等城市信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，例如建設(shè)無(wú)線城市，實(shí)施寬帶樓宇改造工程；推進(jìn)三網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)市區(qū)和全部農(nóng)村區(qū)域的100%無(wú)縫覆蓋等。另一方面，加強(qiáng)信息基礎(chǔ)設(shè)施與城市道路以及給排水管網(wǎng)、氣管網(wǎng)、路燈等市政設(shè)施互聯(lián)互通的建設(shè)，提升市政設(shè)施的智能化。目前，中國(guó)智慧城市信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)主要集中在第一方面，對(duì)第二方面的建設(shè)處于起步階段。對(duì)于智慧城市發(fā)展的引領(lǐng)者，其新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本完成，如北、上、廣等城市其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋、光纖接入覆蓋達(dá)到100%，戶均網(wǎng)絡(luò)寬帶達(dá)到1024Mbps。這些城市應(yīng)逐步加強(qiáng)信息基礎(chǔ)設(shè)施與市政基礎(chǔ)設(shè)施（排水管網(wǎng)、氣管網(wǎng)、路燈、污水處理等）互聯(lián)互通，即物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，全面提高城市基礎(chǔ)設(shè)施的智慧化，加強(qiáng)城市管理信息數(shù)據(jù)的共享，提升城市管理和運(yùn)營(yíng)的效率。對(duì)于處于起步階段的智慧城市，應(yīng)抓緊時(shí)間對(duì)傳統(tǒng)信息基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造與升級(jí)，提高光纖、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，為下一步智慧城市在城市管理上的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（2）根據(jù)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平測(cè)度結(jié)果可見(jiàn)，最高的上海市得分為2.88，最低的長(zhǎng)春市得分為-0.729，各城市建設(shè)智慧城市的經(jīng)濟(jì)實(shí)力差距很大，完全依賴傳統(tǒng)的政府自建自營(yíng)模式已經(jīng)無(wú)法滿足資金需求。因此，各城市在建設(shè)智慧城市時(shí)，其選擇的建設(shè)模式和融資模式就會(huì)不同。對(duì)于經(jīng)濟(jì)實(shí)力較強(qiáng)、企業(yè)種類繁多、科研能力強(qiáng)勁、資金雄厚、資金來(lái)源渠道廣泛、地方政策開(kāi)放的城市，就可以采用企業(yè)或通信類運(yùn)營(yíng)商投資建設(shè)為主，政府配合為輔的建設(shè)和融資模式。對(duì)于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較好、城市對(duì)信息技術(shù)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益比較重視、政府與地方高校和科研機(jī)構(gòu)合作密切的城市，可以采用政府和社會(huì)資本合作的建設(shè)和融資模式（PPP模式）。

（3）通過(guò)智慧城市的治理水平測(cè)度結(jié)果可知，其均值為0.035，標(biāo)準(zhǔn)差為0.215，由此可見(jiàn)，我國(guó)智慧城市建設(shè)的整體治理水平偏低。隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市交通、城市環(huán)境、城市公共問(wèn)題等越來(lái)越突出，如何加強(qiáng)城市的宜居性、宜商性和城市的和諧發(fā)展，提升城市管理和服務(wù)的效益，增強(qiáng)人民的幸福感，是智慧城市建設(shè)和發(fā)展的核心。目前大多數(shù)城市都面臨的突出問(wèn)題是城市交通和民生問(wèn)題。因此，智慧城市建設(shè)首要應(yīng)建設(shè)城市公共服務(wù)系統(tǒng)和城市管理系統(tǒng)，重點(diǎn)推進(jìn)“智慧交通”、“智慧衛(wèi)生”和“智慧教育”工程的建設(shè)。如杭州的市民卡系統(tǒng)將醫(yī)保、公交、圖書(shū)館等網(wǎng)絡(luò)連接，為市民提高方便快捷的公共服務(wù)。因此智慧城市發(fā)展要注重“互聯(lián)網(wǎng)+城市功能”的融合，建設(shè)智慧公共服務(wù)和城市管理系統(tǒng)。城市功能體系包括公安應(yīng)急系統(tǒng)、公共服務(wù)系統(tǒng)、社會(huì)管理系統(tǒng)、城市管理系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)分析系統(tǒng)、輿情分析系統(tǒng)六大中樞系統(tǒng)。

（4）從產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平測(cè)評(píng)結(jié)果可見(jiàn)，除了北京、上海、廣州以外，其他16個(gè)智慧城市的產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平較低。從空間分布看，19個(gè)智慧城市的分布在東部沿海地區(qū)、西部地區(qū)、京津冀地區(qū)和偏重于重工業(yè)的東北老工業(yè)基地地區(qū)；從城市類型看，這19個(gè)智慧城市有世界城市（北京、上海）、區(qū)域中心城市和港口城市（廈門(mén)、寧波、天津、大連、青島）。不同的城市定位與區(qū)位特點(diǎn)，使得各個(gè)智慧城市的建設(shè)切入點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)各不相同。如廈門(mén)、天津等港口城市，其智慧城市的建設(shè)重點(diǎn)是發(fā)展智慧物流服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和智慧電子商務(wù)交易系統(tǒng)；沈陽(yáng)作為東北老工業(yè)基地，應(yīng)將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與制造業(yè)相融合，將傳統(tǒng)的制造工業(yè)升級(jí)為智慧制造業(yè)。強(qiáng)調(diào)“互聯(lián)網(wǎng)+特色產(chǎn)業(yè)”的發(fā)展，將智慧城市建設(shè)與自身產(chǎn)業(yè)特色與區(qū)位優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。“互聯(lián)網(wǎng)+特色產(chǎn)業(yè)”主要是將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展相結(jié)合，提升產(chǎn)業(yè)的智慧化水平。

3 結(jié)束語(yǔ)

智慧城市是推動(dòng)新型城市建設(shè)的核心，即在創(chuàng)新應(yīng)用新一代信息技術(shù)（物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等）的基礎(chǔ)上，對(duì)城市的物質(zhì)資源、信息資源和智力資源進(jìn)行統(tǒng)籌綜合利用，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)城市經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的深度融合。我國(guó)智慧城市發(fā)展尚處于初期的起步和探索階段。因此，如何在“以人為本”的發(fā)展理念下，在新一代信息技術(shù)的支撐下，在智能技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施、城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、治理能力、科技支撐能力、智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平的協(xié)同運(yùn)作下，以政府、企業(yè)和公眾為主體，破解城市發(fā)展困境，構(gòu)建和諧的城市生活和城市生態(tài)，實(shí)現(xiàn)全面小康社會(huì)，讓民眾過(guò)上幸福的生活，具有重要的意義。