數字城市的理念演化、主要類別及未來趨勢研究

許竹青，駱艾榮

(1.中國科學技術發展戰略研究院，北京 100038;2.全國扶貧宣傳教育中心，北京 100028)

1 數字城市興起及發展的動因

城市與技術的關系由來已久，世界范圍內城市化進程的開啟來自第一次工業革命：技術變革帶來機器取代人力以及大規模生產工廠出現，推動鄉村社會轉向現代城市社會，人口、資源、技術大量聚集。而后，城市作為高度系統化的組織形式反哺工業改革深化，為近現代技術的飛躍式發展提供了可能。但是，將技術名詞 (比如數字、智能、網絡等)和城市一詞連接，而成為描述城市的專有名詞，直到20世紀90年代才開始涌現，其背后的兩大動力，一是技術變遷的外生驅動，二是解決城市發展問題的內生需求。

1.1 技術變遷驅動城市變革

20世紀90年代，互聯網取得飛速發展。在這一時期，接入互聯網的主機數量、注冊的網址和域的數量都呈現指數級增長趨勢。相伴隨的是電子通信技術的基礎建設快速發展，包括無線傳感器網絡、寬帶鋪設、網絡平臺、網絡應用以及網絡終端等。基于此，物理城市信息化和數字化的程度持續加深，信息傳播的途徑也借由網絡的發展而變得更加廣泛和迅捷，城市自我認知的能力得到強化，居民也獲得與城市進行信息交互的立體化渠道。進入21世紀，互聯網開啟Web 2.0時代，社交網絡迎來爆發式的發展，現實世界的網絡投射變得空前普及；物聯網的概念也正式誕生，世界上所有的物體從輪胎到牙刷、從房屋到紙巾都可以通過網絡主動進行信息交互。射頻識別技術 (RFID)、傳感器技術、納米技術、智能嵌入技術將得到更加廣泛的應用[1]；云計算、人工智能、5G通信等技術也都在近十年先后形成了廣泛的行業認知，進入高速發展期。所有這些人類在網絡通信技術和機器算力上取得的卓越成就，為數字城市的出現和演進提供日益革新的基礎條件支撐，同時也持續影響著城市作為高度系統化的組織向更信息化的形態演進。

1.2 城市化發展問題反向推動技術創新

據統計，2010年時，世界已經有50%的人口生活在城市，而預測表明，到2050年，城市將會承載世界75%的人口[2]，而城市化的負面效應也在這樣的趨勢下逐漸凸顯。城市化帶來交通擁堵、食品安全、環境污染、生物多樣性減少、經濟分化以及生育率低與老齡化等問題[3]，這些問題使得經濟的可持續發展與人類的生活質量都面臨巨大威脅。1997年，192個國家或地區 (歐盟)共同簽訂了京都議定書[4]，作為人類歷史上第一個具有法律約束力的環保國際文件，京都議定書對城市在環境保護、可持續發展以及綠色城市的建設等方面的探索產生了深遠影響，而這也在后來成為數字城市的重要內涵，城市希望借助數字化和信息化技術提供高效智能的問題解決方案，從而更好地處理城市與人的關系，提供穩定、安全、高效、可持續的生活環境。

2 數字城市概念的厘定

數字城市概念在數字城市實踐中不斷演化，數字城市作為狹義的概念，即是Digital City，而廣義的數字城市可以對應到一個詞組集，包含Digital City、Smart City、Ubiquitous City、Wired City、Virtual City、Intelligent City、Information City、Knowledge City以及Learning City等多個細分概念，從已有的研究中分析，這些概念的含義相互之間有所交織，但不盡相同。

2.1 數字城市的概念演化

1993年，數字城市 (Digital City)這一術語在荷蘭阿姆斯特丹誕生，1994年初開始，在該城市進行了名為 “數字城市”的實驗[5]，旨在借助互聯網為市民提供自由交流和溝通的數字化公共空間。此后，多個數字城市借鑒這一范例相繼出現，數字城市的概念也在歐洲逐漸興起。1998年，時任美國副總統的戈爾發表了關于 “數字地球”[6]的演講，提出建設一個可搜索的、三維的、多層級分辨率的數字地球。2008年，IBM公司提出Smart Planet的概念，即智慧地球，包含三個方面，一是物聯化 (Instrumented)、二是互聯化 (Interconnected)、三是智能化 (Intelligence)，即通過超級計算機和云計算，實現更加精細、動態的工作和生活，在世界范圍內提升 “智慧水平”，最終實現 “互聯網+物聯網=智慧地球”[7]。而作為智慧地球這一概念的應用，IBM進一步提出智慧電力、智慧醫療、智慧城市等六個實踐方案，其中，智慧城市將致力于建設城市基礎設施，提升城市治理和管理系統的效率，以及完善緊急事件響應機制[8]。

從數字城市到數字地球，再從智慧地球到智慧城市，這些具備全球影響力的重大概念的陸續發布和持續滲透成為數字城市領域研究繁榮的有力助推。在這樣的背景下，數字城市的概念不斷迭代演化，其影響力也在不斷擴大。從中也不難看出，在各類數字城市相關的概念中，數字 (Digital)與智能 (Smart)這兩個分支具備相當的重要性。

2.2 數字城市的文獻分析對比

為了進一步明確與數字城市相關的各類細分概念在研究領域的關注度和影響力，本文針對不同細分概念論文出現的數量進行了兩組對比。第一組，在谷歌學術 (Google Scholar)所有已發表的文獻中，本文搜索了標題中出現XX City或者XX Cities的文獻，排除屬于專利或者引用類型的搜索結果，并限定時間范圍為1994—2019年，得到圖1所示的結果。第二組，在中國知網的所有已發表文獻上，本文搜索了標題中出現 “某某城市”的文獻，并限定時間范圍為1994—2019年，得到圖2所示的結果。

數據來源：作者根據Google Scholar 相關數據統計。圖1 數字城市范疇細分概念文獻數量對比 (谷歌學術)

數據來源：作者根據知網相關數據的統計。圖2 數字城市范疇細分概念文獻數量對比 (中國知網)

2010年之前，在所有的細分概念當中，Digital City相關的文獻在2000年前后迅速攀升，在2000—2010年較為穩定持續，其余的細分概念文獻數量相對較少；2010年前后，Smart City的相關文獻數量大幅上升，而在2010年之后更是持續呈指數級增長，近兩年每年以Smart City為題發表的相關文獻甚至達到3000篇以上，成為數字城市范疇最主流的細分概念。

從國內文獻來看，在2005年以前，各類概念相關文獻的數量幾乎為0，2006年以來，除了智慧城市以外的數字城市、智能城市、虛擬城市、知識城市、信息城市和學習型城市概念相關文獻開始出現，其中數字城市的數量最為突出，2010—2013年每年發表的文獻數量維持在較高水平，但從2014年起數量逐漸減少，近幾年以來和其他概念落入相近的文獻數量區間。而智慧城市相關文獻從2008年之后才開始出現，但是迅速進入指數級增長階段，在2011年已經超出數字城市概念的文獻數量，并在2014年達到1400多篇，近幾年以來維持在該水平區間。與圖1對比，我國數字城市領域研究起步相對較晚，但細分的 “數字”和 “智慧”城市概念仍相對主流，并且智慧城市同樣呈現出遠超其他細分概念的發展態勢，成為該領域當前的核心概念。

3 數字城市的主要類別

綜上可見，數字城市是寬泛的概念，在技術更新的過程中逐漸演變出新技術支撐下的數字城市類別。本文認為，無論是數字城市、智慧城市或是上述其他城市類型，都可以稱作數字城市。數字城市沒有嚴格的標準定義，偏向于一種理論框架的指代，不同的概念往往具備共通的核心要素，是組成該理論框架的基礎部分，同時因其研究背景和目的、概念實現方式等的不同，會為該理論框架引入新的要素，形成差異化的概念表述。從當前的研究現狀來看，數據層-基建層-服務層-用戶層的四層結構是當前數字城市的一種通用框架，在這樣的框架之下，數字城市側重有所不同，本文將數字城市主要歸結為三種類別，也代表了三種建設思路。

3.1 作為實體城市信息投射的數字城市

數字城市最早期的形態即是作為提供城市信息或服務的平臺出現，在這個時期，以互聯網平臺為代表的基建層是此類數字城市的重點。平臺作為基礎層，支撐平臺運作的是通過互聯網收集的各類數據信息所組成的數據層。借助初興的互聯網，為市民提供新聞、地圖、活動、餐飲、住宿等與城市密切相關的各類數據信息，或者提供售票預訂、餐廳或酒店預訂、市政咨詢等各類服務，比如在1985年就已經出現的美國克利夫蘭的Free-Net，作為當地居民獲取城市信息的平臺存在，隨后廣泛傳播至美國和加拿大的各個城市[9]。

進一步地，數字城市演變為互動參與型的平臺，開始成為通過互聯網提供互動和參與機制的一種市民之間、市民與政府機構之間的連接平臺。這類數字城市注重服務層建設，伴隨著技術進步，作為實體城市信息投射的數字城市的服務層與用戶層的互動增強，但這種服務層與用戶層的互動仍受限于特定服務條件，以呈現實體城市信息為目標。阿姆斯特丹便是這一類的典型代表，阿姆斯特丹的數字城市盡管在其本身并不長的存續時間內進行了多次用戶界面的技術迭代，從最初的文字界面到圖表圖片界面，再到3D模擬界面，但其本質一直是按類別劃分版塊的信息提供和交互的中心，這些版塊的命名借喻實體城市空間，如多數為各種廣場 (Europe Square是歐盟相關機構提供信息的版塊，Travel Square則對應各類旅行公司等)，還有咖啡廳 (Gay Café是可供 “數字市民”進行實時溝通的版塊)、郵筒 (Post版塊進入后可以發送電子郵件)等，共同組成了形象化的虛擬城市，即數字城市。

數字城市的基礎是ICT的建設和應用，當網絡帶寬只能支持文字、圖片的交互，數字城市就限于信息提供和簡單互動，當高速傳輸、3D建模和虛擬現實等技術日益成熟，數字城市就可以實現對真實城市的逼真復刻，獲取更大體量、更廣泛層面的數據，進行更高效的處理與傳輸，從而為數字城市的參與者提供更即時的互動。巴黎的nAutreville是該類數字城市的近期案例，項目在巴黎市區的著名景點和社區公園投放了半透明的觸控屏幕，通過增強現實 (AR)技術將景點介紹信息或街區的文化活動信息與現實的環境影響共同嵌入屏幕之上，居民或者游客可以點擊、旋轉屏幕來提取想要的信息，同時還能夠獲得路線導航的服務[10]。

3.2 作為實體城市機能強化的數字城市

隨著物聯網、射頻識別以及云計算技術的發展，數字城市為城市系統的機能提升帶來諸多可能，作為實體城市機能強化的數字城市自成一派，應運而生。這一類數字城市中的數據層是整個數字城市建設的重心所在，以數據收集和處理推動城市決策變革是數字城市系統的重要功能。

Filipponi等建立的SOFIA項目[11]能夠提升城市應對突發重大公共事件的能力，在該項目中，首先通過無線傳感器對城市公共空間進行監控，收集重要信息數據，其次利用名為語義信息代理 (Semantic Information Brokers，SIB)的系統存儲傳感器網絡產生的數據，進而通過處理器 (Knowled-ge Processors，KP)進行數據處理，生成對事件的消息反饋，這樣兩套系統聯動的機制形成了互操作開放平臺 (Interoperability Open Platform，IOP)，供服務層的應用調取后對事件進行及時響應。在西班牙馬德里，市政府支持建立的智慧馬德里 (Smart Madrid)的數字信息平臺不僅能夠收集傳感器的數據，還能夠整合來自市民、巡查員、供應商企業所上傳的事故信息 (比如基礎設施、公共設備的損壞狀況)，通過分析提供到政府相關部門用以決策，從而在全局視角下充分優化資源解決問題[12]。Attwood等提出了數字城市生命線的概念框架[13]，借助數字技術來保護城市中的關鍵基礎設施，防止其功能失效，或是在不可避免的失效發生后保障系統的繼續運轉，其中就包含對IoT和云計算的應用。該框架首先基于傳感器網絡 (SAN)，該網絡與物聯網連接來采集大量數據并通過云計算技術進行實時高速處理，以實現對關鍵設施的及時保護。

3.3 作為實體城市環境延伸的數字城市

近幾年來，數字城市概念中 “城市”的定位也在發生變化，城市中的 “人”被凸顯出來，在數字城市規劃、建設與應用中得到突出強調。在技術迭代升級的同時，人們對技術應用所能帶來的對市民生活質量的提升有日益突出的關注，城市不再單純是被技術改造的對象，而是需要成為開放的創新環境，為用戶導向的技術變革服務提供生發的動力和場所，歐盟發起的FP7-ICT和CIP ICT-PSP計劃正是致力于此[14]。目前，在此背景下衍生出以用戶層作為重中之重的實體城市環境延伸的數字城市，現已成為數字城市發展的關鍵方向。

巴塞羅那所實踐的數字城市模型屬于這一類別[15]，它強調智慧管理、智慧經濟、智慧生活和智慧居民四個方面的內容。智慧管理側重于利用開放數據為市民提供便捷的政府信息獲取渠道；智慧經濟是指通過社區化聚集的手段，讓公司、學術機構以及市民產生互動與合作；智慧生活的主要目的是在治安管理以及城市交通層面應用新技術新工具；智慧居民則主要是由市政廳為市民提供提升數字應用能力的培訓計劃。為了支撐這四部分內容的實現，城市除了在光纖網絡、WiFi網絡、傳感器網絡等硬件設施上投入之外，還建設了名為 “22@Barcelona”的創新區，通過建立一套涵蓋面廣泛的智慧城市標準，推動在市政機構、公司、研究機構當中都形成力量，推廣對城市空間的智慧化管理以及對前沿電子化服務的應用。

4 未來數字城市的發展趨勢

當前，數字城市仍在不斷演變發展當中。1994年的阿姆斯特丹，其互聯網只能供數字城市的市民瀏覽文字和圖片等簡單信息，如今5G技術已經能夠實現Gbit/s的峰值速率，遠程互連的延時被降低到1ms左右的水平，同時全球互聯網用戶在2018年也已經達到40億戶，僅中國就超過8億戶；在這樣的基建層之上，產業組織形式的深刻變革，新興技術的不斷涌現和成熟將持續為數字城市塑造未來新的發展形態。我國高度重視數字城市的技術發展和建設實踐，截至2018年11月，我國計劃或正在建設的智慧城市在全國達到600多個。同時，為了促進產學研成果轉化和落地，智慧城市領域的產業聯盟也相繼建立，比如國家級的 “中國智慧城市產業聯盟” “國家智慧城市產業技術創新戰略聯盟” “中國智慧城市規劃建設推進聯盟”以及 “中國智慧城市發展促進工作聯盟”等，能夠提供標準制定、應用技術開發、合作交流、人才培訓等各類公共服務。2020年，在 “新基建”的指引下，數字城市建設有望進一步加速。結合前述分析，本文認為，未來我國數字城市的發展將有以下趨勢：

第一，數字城市的三種類別仍將在較長時間內同時存在。因我國地區差異較大，各個城市經濟社會發展階段、產業發展需求不同，盲目推進高級化、智能化的數字城市建設而不考慮城市自身的發展及居民的使用需求恐難以實現數字城市建設的初衷，即解決城市發展的問題。總體而言，大部分城市將朝著實體城市機能強化和實體城市環境延伸的目標推進數字城市建設，但仍有一部分城市選擇推進實體城市信息投射的數字城市建設。數字城市建設要注重對標發展需求、滿足發展需求，在此基礎上，差異化推進不同地區的數字化城市進程。

第二，數字城市將具備更高完整度。從歐美及我國的數字城市建設經驗都可以看到，已有的數字城市在項目實踐上往往有所側重，比如更多地偏重交通、公共安全或者政務治理等，這樣往往出現各部門、各行業的業務與數據不能實現互聯互通，城市可能在某一方面表現出色，但作為一個整體還不夠 “智慧”。愛立信公司提出的網絡社會城市 (Networked Society City)就強調數字城市要成為魯棒性更強、合作度更高、參與度更高以及流動性更大的城市。先進的數字城市規劃和建設應保證城市空間的合理分割和有機組合，充分保障市民各種生活需求；進而，基于云服務，不同人群可以協同合作達成城市的共同目標，優化資源使用；基于便捷的信息獲取、高效的溝通渠道，個體在城市發展當中的參與度將大幅提高；基于高度連接和及時響應，城市系統將可以智能地快速響應市民的各種需求，應對突發情況等[17]。

第三，數字城市的公共健康服務能力大幅提升。2020年新冠肺炎 (COVID-19)疫情是對全世界數字城市建設的一次大考，考核的結果表明，數字城市提供了應對這場危機的多種手段：交通出行數據得到快速高效的處理，為全國人員流動提供了監控條件；多家互聯網平臺都快速上線了可視化的疫情數據地圖以及確診病例地圖，建立了關鍵信息公開透明傳播的平臺，等等。但同時疫情也暴露出公共衛生領域數字城市的建設還遠遠不足，據預測，中國2020年智慧城市領域支出占比前三的場景依次為智能電網、固定智能視頻安防、聯網后臺系統，合計占比超過總支出的40%[18]，前文也提及在美國的數字城市項目當中，健康相關的項目數量最少并且重要性最低。面對這樣巨大的突發公共衛生事件，許多城市出現反應遲緩、準備不足的情況，未能有足夠的數字城市手段組織化地應對疾病傳播和協調醫療資源，導致防控力度不夠，而疾病迅速擴散，成為全球性的巨大危機。可以預見的是，在這次疫情之后，公共健康服務領域將成為未來數字城市建設的重要版塊，且在規劃設計中，用戶導向是數字城市公共健康板塊建設的重要特征。未來數字城市可通過深度學習、圖像識別等技術途徑對海量數據充分挖掘，發展個人與醫療系統信息、交通、物流和診療服務互聯互通的系統，加強不同人群的健康監測和智能分析能力，將大幅提升城市公共健康服務水平。

第四，數字城市建設中市場和社會的力量將進一步加強。從近年來我國數字城市的實踐過程看，大多數地區更多強調政府主導，對企業和居民共同參與重視不夠，這容易形成政府部門獨自投入和小規模封閉運營，信息豐富程度和準確程度不足，以及硬件投入大但缺少規模數據支撐運行能力的問題，從而難以最大限度地發揮數字城市的功用。例如，盡管當前我國 “政務云”已覆蓋全國31個省級行政區劃單位，但在這其中的一些地區，疫情期間出現了網上政務系統崩潰停擺、無法快速調整交通運行策略來阻斷出行風險及在線口罩預約、疫情實時監測等基礎功能無法實現等一系列問題。與此同時，此次疫情中，以各類平臺型互聯網科技公司為代表的市場力量在優化數字城市建設中的作用也得到凸顯。例如，滴滴出行迅速響應武漢醫護人員的出行需求，在武漢實施網約車停運之后的一天內就完成了產品改造，實現了武漢醫療保障車隊的首單；百度地圖提供的人口遷徙大數據不僅被國內各級政府部門采納使用，還為世界范圍內的科研分析提供了可靠的數據參考[19]；阿里巴巴旗下的遠程辦公教育平臺釘釘在疫情發生后緊急擴容服務器，承載了超大規模遠程辦公和在線教育帶來的流量激增，等等。未來政府在數字城市數據方面應從政府主導、自主投資向多方參與、購買優質企業服務轉變，一方面利用這些企業在居民生活領域已經積累的覆蓋面廣、實時性強的大數據系統，另一方面借助企業在各自領域所積累的內生技術優勢使數字城市響應能力進一步提升。

5 當前數字城市建設的突出問題與啟示

當前，各國都在積極推進更智能的數字城市建設，助力城市治理體系和治理能力現代化。根據波士頓咨詢最新報告，歐洲已有118座城市出臺了數字城市相關項目，美國有54座城市籌備或出臺數字城市項目，全世界1000多個數字城市項目中，一半以上的項目在中國[20]，中國有機會在這場重要的城市 “治理競賽”中成為領跑者。但目前，數字城市建設重短期成效輕長期規劃、重項目建設輕運維評估等舊問題仍然存在，同時數據共享利用機制不完善、數據倫理等數字治理新問題凸顯，數字城市建設面臨挑戰。

第一，頂層規劃設計不足。截至2019年底，我國數字城市試點項目已有700個，全國掀起數字城市建設熱潮。但縱觀各地數字城市項目，短期建設類規劃多，頂層戰略設計少。數字城市建設部署缺乏良好的統籌協調機制，數字城市建設與城市整體發展、基礎設施建設、公共服務改善、產業創新升級等方面融合不夠，數字城市頂層規劃設計不足。

第二，管理運營機制缺乏。當前我國數字城市項目大多處于建設階段，重工具購買與基礎層建設。各地從工程管理的角度建立了一系列的評估考核機制，但對建成后的運行、維護、監管等缺乏專門的事后管理考核機制， “只建不管”導致數字城市難以發揮應有作用。從用戶角度來看，管理不完善導致數字城市實踐中脫離城市發展、脫離用戶需求，造成 “只建不用”的資源浪費[21]。

第三，數字治理能力不夠。數據是數字城市發展中的關鍵要素，數字治理是數字城市建設的重要內容。當前，城市數字治理中存在數字碎片化、數據安全、信息孤島、數據割據等突出問題，數據互聯互通程度低，數據保護的相關政策和法律欠缺導致難以將數字技術紅利充分轉化為城市治理能力，應積極從政策、制度、法律角度著手解決數字城市發展中面臨的各類新問題，構建數字城市生態系統，推動數字城市健康發展。

總之， “人人互聯，物物互聯”的數字城市有望推動政府治理的精細化和城市發展的人本化。面向十四五，我國推動數字城市建設與發展，一要借力國內互聯網通信、物聯網、云計算、虛擬現實、人工智能等行業方興未艾的態勢；二要學習國際先進實踐經驗和理論基礎；三要重視數字治理，構建互聯互通的數據體系，打造數據資產在政府內外的高效、雙向流動，制定規則并形成法律監管制度，建立城市大數據體系；四要營造政府、社會組織和公眾共同參與數字城市建設、形成社會共治的良好環境，不斷改善城市中 “人”的生產、生活和創新體驗，推動城市化發展邁向更高階段。