基于CPS+的新型智慧城市高質量發展模式及新型智慧城鄉關系構建研究

(清華大學, 北京 100084)

黨的十九大報告明確提出,中國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段。李克強總理在2018年政府工作報告中提到，過去的5年中，我國的城鎮化率從52.6%提高到58.5%， 8 000多萬農業轉移人口成為城鎮居民。對于2018年的城鎮化工作建議，李克強總理指出要“提高新型城鎮化質量”。十九大報告同時提出要“建設科技強國、質量強國、航天強國、網絡強國、交通強國、數字中國、智慧社會”。中國數字經濟正以跨越式速度發展，為國內經濟增長注入了強勁動力，也為世界經濟發展增添了亮色。不斷成長中的“數字中國”正以前所未有的面貌呈現在世人面前。新型智慧城市是“數字中國”落地實施的重要載體，也是落實新型城鎮化高質量發展戰略的重要途徑。信息物理系統CPS是工業4.0的核心，隨著第四次工業革命不斷向縱深發展，CPS理論不僅對工業智能化產生深刻影響，而且將對城市智慧化、鄉村數字化產生重要影響，有望成為驅動新型城鎮化高質量發展的核心力量，也將成為支撐新型城鄉一體化關系構建的理論基礎。

1 新型智慧城市高質量發展的背景與歷史必然

近十年來，世界發達國家和地區均投入巨資建設本國的智慧城市。在我國，智慧城市建設是貫徹黨中央、國務院關于創新驅動發展、推動新型城鎮化、全面建成小康社會的重要舉措。值得關注的是，智慧城市的發展演進一直與數字經濟、第四次工業革命、新型城鎮化密切關聯。智慧城市通過綜合應用物聯網、云計算、大數據、移動互聯網、工業互聯網、人工智能、區塊鏈、量子計算、衛星導航等新一代信息技術，將政府、企業、個人匯集到城市系統中，通過城市應用系統的不斷交互作用，促進城市各組成要素間的協同、改進城市功能、提高城市服務能力，形成更加智慧的整體。智慧城市具備四大特征：全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯、智能融合的應用以及以人為本的可持續創新。新時代智慧城市呈現出多元化多角度全方位綜合發展特征。從城市化和新型城鎮化角度看，智慧城市是一種戰略落地載體； 從社會形態演進角度看，智慧城市是信息社會和智慧社會的一種具體形式，奠定了信息社會發展的基礎； 從經濟發展角度看，智慧城市是一種現代經濟系統資源要素優化配置的有效手段，也是拉動經濟增長的新動能； 從工業4.0角度看，智慧城市是一個應用場景。智慧城市建設的大提速將帶動地方經濟的快速發展，也將帶動交通、建筑、電網、新能源、制造業、農業、旅游、文化、通信、網絡、金融、消費、服務等多行業的快速發展，為相關行業注入新動能，帶來新的發展契機。

《“十三五”國家信息化規劃》提出了新型智慧城市建設行動，從“分級分類推進新型智慧城市建設”、“打造智慧高效的城市治理”、“推動城際互聯互通和信息共享”、“建立安全可靠的運行體系”幾個方面實施[1]。這個階段的智慧城市不再是單純的城市信息化，而是秉承黨的十八屆五中全會強調的“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念，落實中央城市工作精神，更加強調發展理念驅動，強調國家與城市協調發展。從技術角度看，新型智慧城市提出的“六個一”特點廣為市場接受，即：一個開放的體系架構，共性基礎“一張網”，一個通用功能平臺，一個數據體系，一個高效的運行指揮中心，一套統一的標準體系。經過快速推進，新型智慧城市建設目前已經覆蓋了政務、建筑、社區、園區、金融、零售、醫療、教育、交通、能源、食品、安全等20多個領域，滲透到規劃、報建、設計、施工、監理、運營、管理等城市全生命周期。本階段從城市系統性角度出發，在總體和各局部環節方面均取得了重大進展，但總的來看新型智慧城市建設整體仍處于起步階段，距離高質量發展目標的實現尚有一定距離。新型智慧城市高質量發展的訴求是一種歷史必然，同時也是擺在我們面前的歷史任務與重要課題。

2 基于“CPS+城市價值鏈”深度推進城市現代經濟體系建設

18世紀中葉以來，人類歷史上總共經歷了四次工業革命：蒸汽技術革命(第一次工業革命)，電力技術革命(第二次工業革命)，計算機技術革命(第三次工業革命)，綠色智能工業革命(第四次工業革命)。工業4.0是由德國政府《思想·創新·增長——德國2020高技術戰略》[2]中所提出的高技術戰略的一部分，旨在提升制造業的智能化水平，建立具有適應性、資源效率及基因工程學的智慧工廠，在商業流程及價值流程中整合客戶及商業伙伴，其技術基礎是網絡。工業4.0的目標是建立一個高度靈活的個性化、數字化的產品與服務生產模式。在這種模式中，傳統的行業界限將消失，會產生各種新的活動領域和合作形式。目前世界各國都在積極采取行動，迎接并深度參與到新一輪工業革命中來：美國提出“先進制造業伙伴計劃”、“再工業化”、“工業互聯網”，英國提出“工業2050”，法國提出“新工業法國”，日本提出“社會5.0”[3]，韓國提出“制造業創新3.0計劃”。

2015年3月，德國正式提出德國工業4.0參考架構模型RAMI4.0[4]，目前已經覆蓋工業網絡通信、信息數據、價值鏈、企業分層等領域，能夠廣泛地指導不同行業企業開展工業4.0實踐。2015年4月，奧朗德總統親自主持并正式推出了作為“新工業法國”戰略規劃第二階段重要舉措的“未來工業計劃(Projet Industrie du futur)”。這項計劃明確提出了以工業工具現代化和通過數碼技術改造經濟模式為宗旨的“未來工業”即是“新工業法國”的模型。這一“模型”包括九大優先發展領域，構成以新資源、可持續城市、生態型流動、明天的運輸、未來醫學、數據經濟、智能物體、數碼信任、智能食品九大核心為支撐的“法國的工業解決方案”。法國目前正在經歷從“去工業化(désindustrialisation)”到“再工業化(ré-industrialisation)”的重要轉變。法國“再工業化”并非意味著恢復原先那些已被淘汰的產業，而是將目標鎖定在“研究與開發”﹑“發展中小企業”﹑“地區發展”和“環保與節能”之上，旨在通過發展工業經濟促進社會結構轉變。2016年12月，日本智能制造參考框架IVRA(Industrial Value Chain Reference Architecture)[5]的正式發布，標志著日本智能制造策略正式完成里程碑式落地。IVRA是日本智能制造獨立的頂層框架，相當于美國工業互聯網聯盟的參考框架IIRA，和德國工業4.0參考框架RAMI 4.0，這是編織了日本制造優勢的智能工廠互聯互通的基本模式。日本的IVI(工業價值鏈戰略)是以企業的生態聯盟建設為主。三大關鍵理念：互聯制造、松耦合、人員至上。目前，日本的各種企業聯盟和組織，都在向“互聯工業”靠攏，“互聯工業”也進一步納入到日本更宏大的超智能社會“社會5.0”的議程中。2017年1月31日，美國工業互聯網聯盟(IIC)宣布發布工業互聯網參考架構(IIRA)(1.8版)[6]。IIC是促進工業物聯網(IIoT)加速增長的全球成員驅動型組織，此次發布的1.8版IIRA是基于2015年6月17日發布的1.7版本，其中融入了快速出現的新型IIoT技術、概念和應用程序。IIRA v1.8中涉及的IIoT核心概念和技術適用于制造、采礦、運輸、能源、農業、醫療保健、公共基礎設施和幾乎所有其他行業中的每個小型、中型和大型企業的深度和廣度?？偟膩砜?，目前世界發達國家都在努力將新一輪工業化與城市的可持續智能化發展緊密結合起來推進。

圖1 ICVCRA參考框架模型與城市現代經濟體系

習近平總書記2018年1月30日在中共中央政治局第三次集體講話時指出：現代化經濟體系是由社會經濟活動各個環節、各個層面、各個領域的相互關系和內在聯系構成的一個有機整體。黨的十九大報告強調要重視現代化經濟體系建設?，F代化經濟體系的框架特征包含：三個環節：生產、分配、消費； 三個層面：產業體系、運行機制、監管體制； 七個組成方面：產業、市場、收入分配、城鄉區域發展、綠色發展、全面開放、經濟體制。習近平總書記特意強調：“以上幾個體系是統一整體，要一體建設、一體推進?！?/p>

基于以上背景，我們提出基于“CPS+城市價值鏈”的新型智慧城市高質量發展框架模型ICVCRA(Industry and City Value Chain Reference Architecture)，如圖1所示。ICVCRA將首先基于信息物理系統(Cyber Physical System，CPS)和智能工業系統交叉形成基底層，然后在此基底層之上發展智慧城市涉及到的基礎設施層、感知控制層、運營管理層、領域應用層、城市大腦層、城市商業層，由此形成一個由智慧制造為支撐的城市與工業協同發展網狀模型，該模型首先在基底層實現工業物聯網社區(IIoT Community)，然后再由工業物聯網社區延伸銜接至城市消費互聯網社區，最終形成開放、創新、低成本、高價值的城市現代經濟體系。

新一輪產業革命的本質是智能制造生態系統主導權之爭。目前，如何掌握實體經濟生態系統的主導權，是各國政府和企業普遍關心的重要問題。新一輪工業革命成為驅動城市發展的強大外部動力，另一方面，城市內部矛盾、需求側變化成為城市發展的內在動力。當前，城市發展正面臨著產業轉型升級、城市環境修復、社會治理、城市病防治等諸多問題，智慧城市已成為城市轉型升級的一種必然路徑。工業4.0理念和技術在城市中的應用，為智慧城市的發展提供了新思路，拓寬了發展空間。工業4.0所倡導的大規模網絡化協同、個性化定制、服務化延伸正成為智慧城市發展歷程中新的強大驅動力，工業互聯網、區塊鏈、人工智能正重新定義和重構著城市產業鏈，催生著城市新經濟形態，成為智慧城市高質量發展的基石和紐帶。

工信部早在2016年3月啟動開展“中國制造2025”城市(城市群)試點示范工作，截至2017年3月，官方已批復寧波、泉州、沈陽、長春、武漢、吳忠、青島、成都等8個試點示范城市和江蘇蘇南五市、廣東珠江西岸、湖南長株潭3個試點示范城市群。2017年7月19日國務院常務會議部署創建“中國制造2025”國家級示范區，將“中國制造2025”試點示范升級至國家級，較以前城市試點有所升級。2017年11月，國務院辦公廳印發《關于創建“中國制造2025”國家級示范區的通知》[7]，對示范區創建工作進行全面部署。這一系列行動舉措表明，以智能制造為核心驅動力的新型智慧城市建設已經進入實踐階段。

3 新型智慧城市高質量發展模式探索

近年來，業界從智慧建筑、智慧能源、人工智能等多角度對新型智慧城市高質量發展路徑做了多方面的探索[8-15]。從宏觀上看，建議新型智慧城市高質量發展和高水平治理體系從以下三個環節著手：

(1)在國家層面，需要制定新型智慧城市高質量發展相關政策、法規、標準來指導和監管行業和組織層面的城市治理工作，必要時可建立新型智慧城市高質量發展協同共享公有鏈。

(2)在行業層面，需要行業組織作為國家和企業的溝通橋梁存在，可通過搭建行業區塊鏈逐步形成行業自治模式，在自愿原則下形成聯盟鏈，在國家法規政策指導下，制定行規行約，以及各類標準，監管企業行為，同時也為企業提供服務，向政府傳達行業的共同需求。

(3)在企業層面，需要企業在國家和行業框架下確立自己的目標，制定自己的新型智慧城市高質量發展參與計劃，發揮好自身在聯盟鏈、公有鏈中的作用，同時為國家和行業新型智慧城市高質量發展不斷貢獻自己的成功案例。

這三個環節是相互依存、相互促進的，是新型智慧城市高質量發展體系不可或缺的三個層次。

從發展策略與路徑看，本文認為擬采用人工智能技術手段與優化治理理念提升新型智慧城市的重點領域，集中力量打造富有特色的六個具體重點方向，將具體重點方向做好后再匯聚形成整個城市的高質量發展模式，即新型智慧城市高質量發展模式由六大具體重點方向疊加組合而成。六大具體重點方向為：“AI+綠色+城市”打造“智綠城市”，“AI+工業互聯網+城市”打造“智造城市”，“AI+區塊鏈+城市”打造“智信城市”，“AI+安全+城市”打造“智安城市”，“AI+共享+城市”打造“智享城市”，“AI+文明+城市”打造“智文城市”。

4 基于CPS+構建新型智慧城鄉關系

2018年以來，國家高度重視鄉村振興及城鄉融合工作，城鄉融合成為新型城鎮化的重要趨勢。國家相繼發布了幾個重量級的指導性政策文件，包括：中共中央、國務院發布的《鄉村振興戰略規劃(2018～2022年)》[16]，中共中央辦公廳、國務院辦公廳發布的《數字鄉村發展戰略綱要》，中共中央、國務院2019年4月15日發布的《關于建立健全城鄉融合發展體制機制和政策體系的意見》[17]，明確指出：建立健全城鄉融合發展體制機制和政策體系，是黨的十九大作出的重大決策部署。國務院于2019年6月印發了《關于促進鄉村產業振興的指導意見》[18]，指出：要以習近平新時代中國特色社會主義思想為指導，全面貫徹黨的十九大和十九屆二中、三中全會精神，牢固樹立新發展理念，落實高質量發展要求，堅持農業農村優先發展總方針，以實施鄉村振興戰略為總抓手，以農業供給側結構性改革為主線，圍繞農村一二三產業融合發展，與脫貧攻堅有效銜接、與城鎮化聯動推進，聚焦重點產業，聚集資源要素，強化創新引領，突出集群成鏈，培育發展新動能，加快構建現代農業產業體系、生產體系和經營體系，推動形成城鄉融合發展格局，為農業農村現代化奠定堅實基礎。

總體來看，目前世界和中國經濟均進入了工業化、信息化、城鎮化、農業現代化協同發展的歷史時期，從技術和產業組織模式角度看，以工業化和信息化帶動城鎮化和農業現代化的趨勢較為明顯，從逆向視角看，以城鎮化和農業現代化促進工業化和信息化更加以人為本、高質量發展的趨勢也正逐步成為事實。新四化協同發展的新模式正亟待構建，相關的理論體系急需建立。CPS+城市高質量發展模式的思路和方法可以被推廣到智慧城鄉領域，以CPS+為引擎，可將新型智慧城市建設多年積累下來的經驗和成果推廣應用到鄉村產業振興領域，構建以世界范圍廣域互聯網為范疇的智能工業與智慧城鄉一體化發展新格局。以CPS+為驅動，能夠真正有效地打通制造、流通、消費等各個環節，使商品和資源在智慧城鄉的大范圍廣域網絡中得到更加順暢的流通，使知識和價值得到更加有效的互聯與共享。

新型智慧城鄉關系構建任重而道遠，仍存在著如下需要解決的關鍵問題：

(1)城鄉融合視域下綠色智慧產業經濟理論體系。智能+和5G時代，智慧城鄉如何定義？智慧城鄉理論體系應如何構建？綠色智慧產業經濟如何構建？

(2)智能+智慧城鄉發展戰略與實現路徑。人工智能理論和如技術如何與智慧城市業務領域、數字鄉村業務領域融合發展？政策該如何制定？可行的方法與路徑有哪些？

(3)工業智能化與城市智慧化協同發展策略。工業智能化如何與城市智慧化“并聯式”協同演進發展？如何借鑒工業智能化理論和方法發展城市智能化？如何設計并制定相關的政策，如何從國家戰略層面進行支持？

(4)城市智慧化與鄉村智慧化協同發展策略。城市智慧化如何賦能鄉村智慧化？城市智慧化如何與鄉村智慧化一體化協同發展？

(5)新型智慧城鄉產業體系規劃。新工業經濟時期，如何規劃設計符合中國特色、具有地方鮮明特點的新型智慧城鄉產業體系？給出具有普遍適用性、又能依據各地特點擴充設計的解決方案。

5 結論與展望

目前，我國正在新型城鎮化的道路上大步前進，工業化、信息化和農業現代化的蓬勃發展同步伴隨，四者相互交織、相互促進，形成協同共進的良好局面[25]。今后，建議從以下四個方面著力推進新型智慧城市和智慧城鄉的高質量發展戰略：

(1)基于工業4.0思維深化新型城市體系架構設計，著重推進架構的開放性、協同性、可定制性、可重構性、可信任性;

(2)以新一代工業化和城市化協同發展的系統性思維推進智慧城市高質量發展，以城市需求為牽引促進工業領域的改革與創新，實現工廠與城市的敏捷互聯與價值體系共建;

(3)以新一代人工智能為基礎支撐深入推進新型智慧城市的“智能+”戰略轉型與落地實踐，制定可行的戰略與技術發展路線圖，以細分場景為切入點，以點帶面穩步推進;

(4)以CPS+為統一框架，以智能、綠色為著力點，以“知識協作”為紐帶，堅持創新驅動發展理念，以城帶鄉、以鄉促城，形成更加高效協同的共建、共創、共享新局面。

隨著新型智慧城市建設的深度推進，以數字經濟為核心的新經濟時代正在被開啟并以迅猛發展之勢席卷全球。新經濟是在經濟全球化背景下，信息技術革命以及由信息技術革命帶動的、以高新科技產業為龍頭的經濟。數字經濟指采用數字技術進行經濟活動的經濟范式，是公認的傳統工業經濟改革轉型的方向。新型智慧城市高質量發展模式的確立為數字經濟的發展奠定了堅實基礎，為“新四化”同步高質量發展的新經濟時代的真正到來做好了充足準備。高質量發展模式下的新型智慧城市、智慧城鄉將為成為新經濟的新藍海，必將為數字中國、智慧社會、智慧城鄉的高質量發展貢獻新力量、譜寫新篇章。