智慧可持續城市的國際學術前沿動態綜述

■ 閔 睿 MIN Rui 孫彤宇 SUN Tongyu

0 引言

城鎮化的快速發展、信息通信技術的興起及可持續理念的深入人心，對經濟、環境、社會、知識等城市要素產生了深遠影響。向城市聚集的大量人口加劇了環境污染、能源短缺、交通擁堵、貧富分化、糧食安全等城市問題，給可持續目標帶來諸多挑戰；信息革命則促進城市與技術融合共生，深刻改變了人們的生活方式與社會組織。定位與傳感技術、普適計算與增強現實等新興技術的出現，支持著城市交通、能源、水利等設施服務體系的智慧發展，提高城市的宜居性、可持續性、生產力與治理力。信息技術的興起與普及，使我們對城市的解讀更趨動態。田園城市、帶型城市、分區規劃等傳統城市模型理論往往受限于技術，將城市視作靜態系統；而智慧技術的運用，實現了對城市各系統宏大信息流的捕捉、篩選與分析，使信息數據反作用于城市規劃與城市設計，優化系統運行。

智慧可持續城市是一個相對新興的城市發展概念、模型與策略。我國一直重視城市的智慧可持續發展，《國家新型城鎮化規劃（2014—2020 年）》也明確提出“加快推進綠色、智慧、人文城市建設，促進城鎮化從速度型向質量型轉變”，智慧可持續城市的概念恰與之精神契合。本文將對相關研究動態進行梳理，以期為我國城市實現智慧可持續發展提供參考。

1 智慧可持續城市概念緣起

信息時代，利用信息通信技術（ICT）實現城市可持續發展的可行性與必要性日益彰顯，智慧城市技術是實現可持續目標的有效路徑與強大支撐。理想的可持續城市具有可持續的自然資源以滿足其發展需求，具有可持續的安全保障以應對環境危害、保證安全發展，并向市民提供平衡協調的福祉，促進代內與代際公平。智慧技術則從經濟、治理、環境、人力資源、機動性與生活等6 個維度[1]優化資源分配，促進知識經濟與創新活動，保障市民權利，推動城市有序綠色發展。

智慧愿景與可持續愿景緊密相連。智慧城市的發展目標是可持續城市，而可持續城市的發展需要借助智慧城市的技術體系。生態城市、綠色城市、低碳城市、韌性城市等可持續研究與信息城市、知識城市、數字城市等智慧研究呈現交織態勢，智慧技術正成為城市可持續發展的主要推動力。有學者關注到智慧性與生態可持續性的關聯，在2013 年提出智慧生態城市（Smart-ecological City）的概念，融合智慧與生態核心特征，從能力、結構、系統、關系、環境、心理藝術與美學、美德等方面構建以人類與自然和諧共生境界為目標的發展模式和城市類型[2]。之后，又出現了許多致力于可持續目標的智慧城市實踐與強調智慧性的可持續城市實踐，“可持續性與智慧性將是未來城市的兼有屬性”這一認識漸成共識。

在此背景下，智慧可持續城市（Smart Sustainable Cities）的概念開始興起。一些學者在研究中提議使用“智慧可持續城市”綜合概念而非單一的智慧城市或可持續城市概念（圖1），并以此作為當前城市發展的理想目標[3]。國際電信聯盟（ITU）于2014 年提出智慧可持續城市是利用信息通信技術和其他方式改善居民生活質量，提高城市運行和服務效率，增強競爭力，同時滿足當前和未來幾代人在經濟、社會、環境和文化方面需求的創新型城市[4]。聯合國于2016 年正式發布《共建智慧可持續城市倡議》（the United for Smart Sustainable Cities，U4SSC），號召各聯合國機構、政府、工業界與學術界等利益相關群體使用信息通信技術催化城市向智慧可持續目標轉變，建設更為包容、安全、韌性與可持續的城市[5]。國際電信聯盟智慧可持續城市重點小組（ITU-T FG-SSC）、國際標準化組織（ISO）、美國國家標準學會（ANSI）及歐洲標準化組織CEN、CENELCE 與ETSI 等機構積極投入智慧可持續城市評價體系研究，制定并發布了一系列面向不同目標側重與區域層級、使用關鍵績效指標（KPI）的評價標準（表1）。

圖1 作為綜合概念的智慧可持續城市

表1 主要智慧可持續城市評價體系概況

2 智慧可持續城市研究維度

智慧可持續城市以信息通信技術為核心驅動手段服務城市可持續發展，宏觀具有社會、經濟、環境、治理四大核心主題，中觀繼承了智慧城市的經濟、環境、生活、治理、機動性、人力資源的城市維度，微觀包含自然環境、建成環境、水資源與廢物處理、交通、能源、經濟、教育文化科學與創新、福利健康與安全、城市治理與公眾參與等城市子系統（圖2、3）。

圖2 智慧可持續城市的主題、維度與系統

2.1 智慧可持續經濟維度

信息通信技術令交易對象不再局限于實物，電子商務與線上經濟活躍，并通過優化信息與實體資源配置，促進知識經濟、共享經濟、循環經濟，提高城市創新力與競爭力。信息技術迭代優化互聯網平臺的用戶界面、服務性能、活動種類與安全規范，正向提升知識技能型共享平臺活躍度，刺激知識共享經濟蓬勃發展[6]。區塊鏈貨幣、分布式賬本、智能合約與風險識別機制等區塊鏈技術發揮技術優勢，解決傳統經濟在運營成本、數據安全、信用體系與行業監管方面的問題，成為共享經濟領域重要的基礎設施[7]。技術發展創造新興的住房市場模式，人們通過應用程序按需申請的臨時短期住房，線上收取、繳納房租，共享住宅，共同居住；平臺為智慧經濟帶來的高流動性就業人群提供便捷服務，提高閑置住房利用率，促進共享經濟繁榮[8]。智慧技術優化循環經濟提升資源效率與生產力；智慧循環系統建立聯系數字技術與資源管理的階層結構、跨信息系統和循環經濟領域的通用語言，指導生產企業更加智慧地制定、評估與改進循環戰略[9]。

圖3 信息通信技術驅動的智慧可持續城市子系統

2.2 智慧可持續環境維度

智慧技術促使城市管理者能夠精確獲取源數據，實時掌握系統全貌，動態制定可持續環境策略，深刻轉變能源管理、環境保護與水廢處理的工作方式。歐盟智慧發展課題構建“家社”兩級智慧能源管理系統：家庭系統實時監控能源消耗并由虛擬顧問提供用能建議；社區系統機動處理建筑能耗、智慧電表與氣候數據，調節能源使用，一些社區改造后總能耗可降低60%[10]。智慧建筑能源管理系統可根據用戶輸入的綠色能源接受度實時計算，并決策購買可再生能源與非可再生能源的數量及儲能設備的充放電量，相比傳統能源可至少降低55.7%的碳排放[11]。智慧廢棄物處理系統通過傳感器與自動系統，按特性對垃圾進行逐級分類，優選可持續處理技術及可視化處理狀態，實現高效無害的廢棄物處理[12]。優化多目標混合算法的垃圾分類處理系統實時監控垃圾箱裝填狀態，優化垃圾車路線與工作量分配，進一步減少運輸過程產生的碳排放[13]。

2.3 智慧可持續生活維度

人們獲得養老、健康、安全等城市領域精準優質、便捷易得的公共服務，智慧性的設施與服務提高生活品質與城市福祉。老年人可通過虛擬平臺聯系子女、社區與服務人員，獲得及時的居家養老服務。大數據驅動的新型養老模式依托“端—網—云”架構，即智能家居、可穿戴設備等智能終端、預處理數據的分布式網絡平臺與云服務推薦系統，推動精準養老[14]。醫院業務與社區終端智慧相聯，方便居民訪問查詢健康檔案、預約掛號、醫生多方處理醫療數據、安全存儲醫療記錄與隱私。3D 打印可個性化定制不同尺寸、劑量、外觀和給藥頻率的藥物，節約病人配藥取藥的時間，滿足多樣復雜的病情需求[15]。疫情期間，城市管理者可通過基于目標識別模型的視屏監控設備，實時檢測與跟蹤個體間社交距離，以視聽警報警告距離過近的人群，減緩疫情傳播[16]。司機使用基于GPS 的智能手機程序可在駕駛途中獲取實時安全診斷、交通事故多發地段警示、休息區與停車區提示與全改進建議，有效減少超速違規與事故發生[17]。

2.4 智慧可持續治理維度

信息平臺應用拓展了城市治理與公眾參與的形式與內容。線上公眾參與表達的贊成度、信任度、責任感等數據被收集分析，作為指標衡量較難測度的平等、包容等社會可持續性表現。基于城市信息模型的管理平臺集成3DGIS 與BIM、儲存與更新城市信息、數字化管理城市空間，促進政府主導、企業推動、居民參與的三方合作，減少無效的重復建設[18]。智慧移動終端的眾包項目也積極促進治理的可持續性。通過基于地圖的交互移動平臺，市民可及時報告路面損壞、非法停車等日常問題，多級、多部門政府機構線上共同處理問題并給予公示，提高了復雜城市問題解決率與公共服務質量[19]。通過智能手機端基于網絡的規劃支持系統，城中村居民可上傳圖片、指出問題、提出建議，規劃部門公開更新規劃、獲取反饋，從而促進城鎮化進程中的及時溝通合作與社會公平[20]。數據共享與信息技術支撐眾多眾規項目，擴大了公眾參與的廣度與深度。

2.5 智慧可持續機動性維度

一些研究探索智慧交通系統與可持續流動性之間的平衡，以信息通信技術促進環境友好、以人為本的可達性，應用智能技術協同治理交通運輸與環境風險。荷蘭的一些項目與信息技術、能源、交通多部門合作，融合共享、電力、自動駕駛多重概念創新交通模式，減少使用車輛數、里程數與碳排放，促進車輛更廣泛的可持續能源使用，擴大環境效益[21]。基于實時信息的交通信號動態管理系統在提高車輛通行效率的同時，需關注行人的需求，優化時可通過減少交通信號周期與延長行人通行時間來保證行人安全過街，讓智慧技術不僅僅服務于物[22]。通過建設，城市具備了獲取與監控信息數據的技術能力、連貫的交通路網設施、透明協作環境，以智慧方案引導出行者轉變行為模式，從而減少能源消耗。激勵導向的智能手機游戲應用充分發揮人的主觀能動性，玩家可以看到選擇低碳交通如自行車所能減少的碳排放量，以獲取積分兌換物質獎勵，且單純的精神激勵也能促進玩家綠色出行，培養可持續出行習慣[23]。數據驅動下，道路交通設施、車輛設備、通行方式自下而上創新，回應環境保護與人的需求。

2.6 智慧可持續人力資源維度

信息通信技術重塑學習與社交空間，以在線化與個性化的方式培養學習型高素質創新人才，人際交往更為便捷、互動與開放。居民使用智慧閱讀平臺可高度共享數字資源，享受個性化精準對位的閱讀服務，滿足再學習的精神文化需要，推動智慧社區教育。學生從慕課（MOOC）隨時隨地接受線上教育，便捷的知識獲得、儲存與應用顯著促進感知有用性，而知識共享進一步促進感知易用性[24]。老年人通過線上社交平臺開展社交網絡活動，突破時空限制、延伸社交關系，增強家庭、鄰里的社會支持，提升社區的生活質量與滿意度[25]。富有創造力的技術移民在城市社交媒體上關注并傳播信息技術、可再生能源、循環經濟、社會創新等議題，并成為新的意見領袖，推動智慧可持續的城市議程與方案，提升創新能力[26]。人是智慧可持續城市中最為活躍的要素，人才的質量與交往的品質影響著發展的活力與動力。

智慧可持續城市中，信息通信技術作為技術手段協調城市各系統，為市民提供更優質的生活、更高效的資源利用與更繁榮的經濟發展。城市的經濟、文化、生態、社會、設施等發展表現出全新形式，本章對不同城市維度的梳理，便于城市規劃者、建設者與管理者較為快速地了解當前智慧可持續城市研究的新興熱點。

3 智慧可持續城市技術與應用

大數據、物聯網、云計算、人工智能、5G 技術、無線傳感器網絡等是支撐智慧可持續城市的重要信息技術（圖4），使城市科學、建筑科學與信息科學聯系更為緊密。不斷優化更新的智慧技術用于解決城市實踐某一問題，形成繁多的跨學科研究成果網絡，城市研究者需要適當了解智慧技術在其他學科領域的研究與可實現的新興應用方向。

圖4 智慧可持續城市支撐技術

3.1 物聯網與感知計算

物聯網（the Internet of Things）與感知計算（Sentient Computing）是普適計算（Pervasive Computing）環境中廣泛使用的技術。普適計算是指計算機高度分散互聯并嵌入于城市設備與物理空間中，為市民提供無所不在的計算與服務。

物聯網是一種將日常用品與信息處理結合的計算增強環境，包括各類智能傳感器如RFID、NFC、GPS、紅外傳感器，等等，普遍的傳感器網絡為其他計算與應用提供設施基礎。除生活應用外，物聯網已參與到工農業生產的各環節。農業方面應用于生產環境監測，如基于ZigBee 與模糊控制的智能大棚監控系統[27]；病蟲害防治，如基于GPRS 的蟲害防治監測系統[28]；替代人力參與生產，如一體化智能灌溉系統[29]、遠程遙控聯合收割機與產量監測系統[30]。工業方面應用于生產優化、環境監測、安全管理，如以聯動模型控制生產系統在動態干擾下實現最優態[31]。運用物聯網技術可進一步解放生產力，推動可持續產業變革。

感知計算指應用程序與外界交互時，通過傳感設備采集數據并對此做出分析、感知與回應，如利用上下文環境信息的情景感知計算（Context Aware Computing）、研究社會行為的社會感知計算（Socially Aware Computing）。社會感知計算分析人的活動規律與情緒感受，例如：基于微博數據分析游客在不同感知區域的位置關聯與客流轉移[32]；基于社交媒體轉發數據與地理信息數據，研究人群應對突發安全危機與信息傳播的時空規律[33]。這些研究反饋于城市規劃，可促進科學人本的決策制定。

3.2 大數據

大數據指大量結構化與非結構化的數據集合。數據自身的數量、速度、多樣性等特性使其難以使用傳統數據庫與程序技術進行管理與運算。智慧可持續城市語境中，大數據分析依托有高運算能力的機器、軟件與系統，將大量數據處理為有用知識，回答城市問題。

大數據克服傳統研究界定模糊、數據靜態、采集困難的問題，應用于人口流動、生態保護、監控管理等熱點領域。多源城市大數據可用于監控預測顆粒物空氣污染，評估預警流域水環境風險，智能識別場地污染、溯源診斷與修復治理，分析物種宏觀分布與生物多樣性，等等。基于位置大數據，分析城市間人口流動的網絡特征、空間格局與影響因素，引導人口合理流動，促進區域協調發展[34]。從經濟、人口、創新、中心能級、文化環境大數據分析城市競爭力，精細認識城市的優勢與不足[35]。遙感圖像、社交媒體數據、眾包數據、GIS 等大數據用于預警系統、緊急疏散、救災分配等城市災害管理，提高城市韌性與協同共治，如基于大數據與遙感數據集，實時監測區域沖突與地緣政治變化中的危機發展與難民流動[36]。物聯網、無線傳感器產生的海量大數據為運用智慧技術提供了數據基礎，讓動態跟蹤、分析城市復雜與巨型現象成為可能。

3.3 云計算與近端云計算

云計算（Cloud Computing）建立虛擬化數據服務中心，為多用戶提供強勁計算能力與巨大存儲空間，用戶可通過任一終端隨時隨需訪問云。云計算促進資源服務共享，包括：①共享課程、學術信息等教育資源，如基于Hadoop 云計算平臺整合高校教育資源[37]；②共享治療數據、健康檔案等醫療資源用于遠程治療與護理，如云計算平臺檢測上傳的語音樣本，為語言混亂的病人聯系醫生遠程診斷，方便偏遠地區病人就醫，系統診斷帕金森病準確率可達96.6%[38]；③共享城市部門信息提高業務效率與透明度，如基于云計算的政企架構為多公共部門創造統一的ICT 環境。人們像使用公共設施一樣共享使用云端計算與服務，提升資源利用率。

后云計算時代，霧計算（Fog Computing）、邊緣計算（Edge Computing）、移動邊緣計算（Mobile Edge Computing）等近端云計算技術興起，在云計算中心與設備終端之間加入網絡邊緣層分布式預處理數據與存儲，以減少云計算中心的處理量。近端云計算常用于車聯網，如：基于MEC 的蟻群模擬退火緩存策略，可降低響應延遲與傳輸冗余[39]；基于5G多通路邊緣計算的綠波通行系統，可實現車路協同與信號燈協同[40]，提高交通服務質量與運輸效率。

3.4 人工智能

人工智能（Artificial intelligence）是由機器模擬人類思維的智能，具有類似人類的自我學習、組織、適應、行動能力。機器學習（Machine Learning）與深度學習（Deep Learning）分別指計算機利用自身經驗學習改善性能以及不需要人類參與特征選取的兩種學習過程，是人工智能常用技術。

機器學習、深度學習可識別偵測城市空間現象，輔助城市設計與決策。①結合街景數據，可大規模精細化定量測度城市尺度下的建筑色彩與空間品質；②基于卷積神經網絡構建圖片空間網絡模型，研究小尺度城市公共空間的人群活動[41]；③使用多源數據與深度學習，可大規模快速識別土地性質，檢測城市空間結構，如結合谷歌地圖、街景數據與OpenStreetMap注釋可準確描述與預測城市項目的土地使用類別[42]。在交通領域，人工智能模型可研究路徑選擇、通行時間、通勤特征等交通行為，提高交通規劃的可持續性，如基于隨機森林算法分類器，可根據出行特征與土地利用特征預測出行目的，優化線網與土地布局[43]；識別道路與交通設施狀態，如：借助聚類算法識別和劃分共享單車熱點區域協助車輛調度[44]，基于卷積神經網絡模型處理圖片識別道路分岔路、交叉口和人行橫道[45]，處理閉路電視小尺寸灰度圖像檢測交通擁堵[46]，智慧提醒路況，減少擁堵與污染；還可用于預測交通流量、控制交通信號，致力于可持續最優通行。

技術應用并非完全獨立，物聯網、大數據、云計算、人工智能等熱門技術常常組合應用。例如，基于物聯網、云計算、大數據與機器學習，開發智慧服裝，監測使用者健康狀態，結合移動醫療云平臺提供健康引導、醫療急救與情感關懷等[47]。環境感知、大數據、云計算、5G 通信、人工智能、高精度地圖與定位等技術構成智能網聯汽車技術鏈，推動無人駕駛發展[48]。智慧技術的快速發展，可更為細致地分析、改進與預測城市運行狀態，對解讀與規劃城市的方式產生了極大的變革。

4 結語

智慧可持續城市是近5 年興起的新興綜合概念，其核心在于計算能力與資源設施的共享。在智慧可持續城市框架下，大量新興信息通信技術下沉城市各層級，織就細密的血管網絡，與城市領域、組織、細胞密切相連（圖5），實時分析供需，優化空閑資源的調配與共享，增強經濟、社會、治理、環境多方面可持續性。從城市維度與技術應用兩個方面對近年研究動態的梳理發現，智慧可持續城市在繼承智慧城市、可持續城市精髓的基礎上，概念認可度不斷提高，創新熱點不斷涌現，技術應用日益細致。這也要求研究者與規劃者跨越城市建筑科學，聯系信息科學、認知科學、系統科學等多學科領域，具有更宏觀的視角、更全面的知識面，參與信息時代城市發展。

圖5 智慧可持續城市中信息通信技術的多層元體系結構