三元融合智慧城市的發(fā)展趨勢解讀

劉 泉 李 昊 錢征寒

智慧技術對城市發(fā)展建設的影響已經顯現，既涉及城市整體層面的建設與運行，也關系到居民個體生活的方方面面。在這一背景下，城市的發(fā)展理念、空間結構和建造形態(tài)將發(fā)生新的變化[1]43，[2]11，[3]18，[4]36，[5]1183，[6]47，智慧城市（smart city）成為發(fā)展趨勢。針對未來智慧城市會如何演變，部分學者提出其將對城市的認知理解呈現從物理維度和社會維度的二元結構發(fā)展為信息維度、物理維度和社會維度三元融合的新趨勢①如潘云鶴、郭仁忠等人稱這一結構為三元“世界”或三元“空間”。為避免上述論述中的“空間”概念與城市規(guī)劃領域的“空間”概念形成混淆，本文將其表述為“三元維度”。[7]2，[8]171，[9]。

三元融合智慧城市趨勢的論述主要來源于信息通信技術（ICTs）視角的認識，影響到技術、社會和空間3個方面，逐步被城市規(guī)劃專業(yè)所接受。這一趨勢在城市規(guī)劃領域影響廣泛，涉及城市運營管理[9]，[10]156，[11]132、區(qū)域規(guī)劃[12]408，[13]28、城市規(guī)劃[3]23，[4]34，[5]1177，[6]47，[14]21、城市設計[15]，[16]6，[17]，[18]97和交通規(guī)劃[19-20]等不同方面，但城市規(guī)劃研究中對三元融合智慧城市趨勢的系統(tǒng)論述較為不足。因此，有必要對三元融合理念和趨勢的發(fā)展脈絡進行梳理，從技術哲學的基本關系和智慧城市的發(fā)展趨勢兩個視角來綜合解讀，并探索智慧城市規(guī)劃總體框架的構建思路。

1 智慧城市三元融合趨勢論述

三元融合智慧城市的趨勢是指在智慧技術應用的背景下，城市從物理維度和社會維度的二元結構發(fā)展為信息維度、物理維度和社會維度相融合的新趨勢。這一趨勢的理論基礎主要來源于計算機技術領域關于人、機、物關系的探討，向上可以追溯到技術哲學中“我—技術—世界”關系的論述[18]97、人機工程學（ergonomics）或人體工學對人機系統(tǒng)（manmachine systems）的研究[21]以及科學方法、生態(tài)學或時間地理學中的“社會—自然—技術”綜合體系的研究[22-23]，并在城市規(guī)劃領域得到融合拓展（見圖1）。

1.1 三元融合趨勢的信息通信技術論述起源

在計算機和工程技術領域，美國于2007年提出信息物理系統(tǒng)（CPS: Cyber-Physical System），探討信息維度與物理維度的聯系，一時間成為工程技術領域智能系統(tǒng)研究的重要方向。這一系統(tǒng)被認為是德國工業(yè)4.0的核心。信息物理系統(tǒng)強調信息通信技術與物理環(huán)境的二元聯系，人被作為不可預測的元素來認知，而被放在控制回路的外部[24]。

CPS理論存在與人及社會環(huán)境連接薄弱的問題，信息領域、物理領域如何與社會領域進一步結合，需要提出更為完善的框架系統(tǒng)。針對這一問題，中科院在2009年總結信息技術趨勢時提出應重視人、機、物三元融合計算的理念。李國杰等[25]提出信息技術是未來15—20年新經濟的主要動力，其中，人、機、物融合的智能技術是未來社會最有引領性的新技術。

隨著信息技術的迅速發(fā)展，未來的重要方向之一是將計算從單純的信息空間一元運算過渡到人、機、物三元融合計算，即融合信息空間（cyber space）、物理世界（physical world）與人類社會（human society）的普惠計算（computing for the masses）[26]。王飛躍[27]于2010年4月在國際會議特邀報告（IEEE AINA 2010）中提出構建信息物理社會系統(tǒng)（CPSS:Cyber-Physical-Social System），即在信息物理系統(tǒng)的基礎上，進一步納入社會信息、虛擬空間的人工系統(tǒng)信息，將研究范圍擴展到社會網絡系統(tǒng)。

這種基于信息通信技術發(fā)展形成的三元融合趨勢論述被應用到多個領域。在智能制造領域，周濟等[28]624，[29]對技術發(fā)展范式進行了總結，分析制造的技術機理正在從傳統(tǒng)制造階段的“人—物理系統(tǒng)”向數字化制造、數字化網絡化制造階段的“人—信息—物理系統(tǒng)”（HCPS: Human-Cyber-Physical System）融合的新一代智能制造技術機理轉型。這一概念也以SCPS（Social-Cyber-Physical-Systems）或CPST（Cyber-Physical-Social-Thinking）等其他名稱被討論[30]。

1.2 智慧城市三元融合趨勢的3個視角

三元融合趨勢在技術領域形成了多方面的拓展，逐步影響到智慧城市領域，受到相關研究實踐的關注，主要可以從技術、社會和空間3個視角來進行觀察。

1.2.1 技術視角

智慧城市領域的三元融合趨勢較早由信息通信技術視角的研究提出。2014年，潘云鶴[7]1，[8]171提出，城市發(fā)展從過去的二元空間升級為現在的三元空間。其中，第一元空間指“物理空間”，第二元空間指“人類社會空間”，第三元空間指“賽博空間”，即計算機、互聯網及其“數據信息”。吳志強、郭仁忠[9]也對這一概念提出了相應的論述。

克里斯托斯·卡桑德拉斯[10]158認為CPS不應僅僅局限在信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的融合上，而是需要將理解和尊重人類行為作為重要組成，智慧城市應該基于“信息物理—社會系統(tǒng)”（Cyber-Physical Social Systems）進行構建。宋懿等[11]130在對現有的智慧城市定義進行統(tǒng)計研究之后，提出智慧城市系統(tǒng)是由人的系統(tǒng)、數據/信息的系統(tǒng)、數字的系統(tǒng)及物理的系統(tǒng)組成。

1.2.2 社會視角

在社會發(fā)展領域，針對習近平關于“智慧社會”的論述，中國電子學會（CIE，The Chinese Institute of Electronics）智庫將其解讀為以人、機、物三元融合為特征的社會，并參照日本“超智慧社會”（也稱社會5.0，Society 5.0）概念進行對比解讀，提出智慧社會的核心是提供智慧型服務，涉及人與人、人與物（如智能機器人）以及人與環(huán)境的交互，最終融合人類社會、物理世界與信息世界，實現智慧社會三元融合[31]。

相關學者從不同視角對三元融合社會進行了研究，如甘中學[32]提出人、機、物三元連接促進生活方式、生產方式和思維方式發(fā)生改變，未來將形成人、機、物協(xié)同的三元群智社會。景軒等[33]研究了CPS的社會化特點，提出社會信息物理生產系統(tǒng)的概念，將人類社會和智能體社會相融合。部分學者結合具體空間實踐，提出落實三元融合社會模式的建議，如潘教峰[5]1182認為以人為本的人、機、物三元融合社會正在興起，建議以雄安為載體，探索人、機、物三元融合社會下的未來城市新形態(tài)。

1.2.3 空間視角

在城市規(guī)劃領域，智慧城市的內涵包括兩個方面：一是較為廣義的概念，其內涵在理論上來源于精明增長（smart growth）理論，智慧（smart）一詞并不是針對狹義的智能技術，而是指“智慧地”發(fā)展城市之義；二是較為狹義的概念，強調信息技術發(fā)展對城市的作用和影響[4]34，[12]407，[14]21，[34]，以實現城市的智慧管理與發(fā)展。

較為直觀地說，傳統(tǒng)的城市空間依賴于人對物質環(huán)境的直接感知，而信息時代的人對物質環(huán)境的感知很大程度上將轉為數字化的信息記錄。目前，相關研究重視三元融合理念，如安東尼·湯森[35]提出，智慧城市是信息技術與基礎設施、建筑、日常物品甚至我們的身體相結合進而解決社會、經濟和環(huán)境問題的地方。尼克斯·可姆尼諾斯[2]162提出智慧城市的3個構件——都市、創(chuàng)新、數字化，也可以理解為物理維度、社會維度與信息維度的結合。

1.3 三元融合趨勢的認識

總體來看，不同維度的研究雖然存在視角上的差異化論述，但也形成了共性的認知，主要包括：

一是不同領域均注意到了城市發(fā)展中以信息技術為主的新技術正在發(fā)揮越來越重要的價值，成為城市發(fā)展中的獨立維度，城市發(fā)展正在從二元維度走向三元維度。

二是智慧城市3個維度的相互影響越來越強，存在逐漸融合的趨勢。

三是三元融合的發(fā)展趨勢體現在不同尺度和層面，不僅涉及城市整體層面的系統(tǒng)變化，也涉及人的微觀尺度的具體調整。

四是融合后的結構整體對不同領域均會形成反饋，促進不同維度的進一步發(fā)展。

2 三元融合趨勢論述在智慧城市規(guī)劃中的影響

技術領域的三元融合趨勢是指基于信息維度與物理維度的二元結構向社會維度映射而形成的新趨勢，即從CPS到CPSS；而城市規(guī)劃領域的三元融合是基于社會維度與物理維度的二元結構向信息維度結合而形成的新趨勢，即從PSS（Physical-Social Systems）到CPSS。論述視角各不相同，但均說明了城市空間作為物理載體的基礎作用。受到智慧城市概念復雜性的影響，智慧城市規(guī)劃的內涵也比較豐富，主要涉及兩個方面：一是智慧城市的規(guī)劃，二是智慧的城市規(guī)劃，二者密切相關[4]37，[36]46。本文涉及兩個方面的論述，但更多是指前一種認識，面向智慧城市發(fā)生的三元融合等新變化趨勢，規(guī)劃工作形成的新理念新方法，即智慧城市的規(guī)劃。社會、技術和空間領域需要進一步融合，從而促進城市整體的智慧化發(fā)展和城市空間規(guī)劃的智慧化發(fā)展。三元融合既影響到數字孿生城市建設[37]，也影響到空間規(guī)劃領域的不同方面。

在地理信息和區(qū)域規(guī)劃方面，甄峰等[12]408提出，將技術、人文與空間結合起來，運用人文思想去促進技術整合與協(xié)調是智慧城市規(guī)劃與建設的核心所在。林浩嘉等[13]28基于三元維度的認識，以廣東為例，從交通建設、信息化和創(chuàng)新力3個方面對城市三元維度的發(fā)展水平特征及耦合關系進行研究與評價。

在城市規(guī)劃方面，龍瀛等[38-40]針對技術發(fā)展與城市空間變化進行研究，總結技術、生活方式與城市空間相互影響的演進歷程，并在城市設計、公共空間創(chuàng)新和城市更新改造等方面進行嘗試探索；王鵬等[41]研究信息空間作用于物理空間和社會空間的方式，提出未來城市體系構建的方法；伍蕾等[42]總結了新興技術、人與城市空間的關系，探索技術與人本理念下未來城市的空間發(fā)展模式；劉泉[6]48基于相關研究提出，智慧城市在空間上將表現為三元融合的社區(qū)化結構（見圖2）；甄峰等[36]47將智慧城市規(guī)劃框架總結為“人—技術—空間”一體的模式；吳志強等[43]提出空間、技術與規(guī)劃的三元提升螺旋模型。

圖2 智慧城市的三元融合演變Fig.2 Cyber-physical-social integration evolution of smart city

在城市設計與社區(qū)規(guī)劃建設方面，袁烽[15]基于對人、自然和技術三元世界的認識，探索具有融合特征的參數化設計方法；張恩嘉等[16]6嘗試將數字創(chuàng)新手段與傳統(tǒng)空間設計相融合；劉泓志[17]基于三元融合的視角，探討空間場所和場景的設計方法，并以上海大創(chuàng)智—五角場區(qū)域為對象進行設計實踐。在社區(qū)規(guī)劃實踐中，浙江未來社區(qū)9大場景包含了生態(tài)化、人本化和數字化3個基礎[44]。新加坡未來社區(qū)的建設則強調空間、技術和行為3大要素缺一不可[45]。劉泉等[46-47]認為智慧城市場景設計與TOD規(guī)劃也存在三元融合的特征。

在交通規(guī)劃及防災規(guī)劃領域，葛天任等[20]23借鑒楊東援[19]2在城市交通領域的“三元空間”論述，提出結合智慧技術，構建跨學科的城市交通治理體系，重視區(qū)域交通一體化、技術創(chuàng)新、未來交通發(fā)展模式、風險應急管理、公平治理等未來城市交通治理的5大核心議題。夏陳紅等[48]在基于智慧技術的綜合防災規(guī)劃體系框架研究中，提出從信息化建設、規(guī)劃建設和制度規(guī)范3個方面構建總體框架。

基于上述梳理可以發(fā)現，智慧城市規(guī)劃呈現以下特點：一是智慧城市三元融合的發(fā)展理念與趨勢已體現在城市規(guī)劃不同領域的探索中；二是城市物質空間及相關系統(tǒng)作為容納技術創(chuàng)新與社會變化的容器，如何變化越來越受到重視；三是基于上述變化，規(guī)劃方法的創(chuàng)新探索成為體現三元融合價值的重要方向，但不同研究中，對三元維度的具體內容和方向存在一定的理解差異。

3 智慧城市三元融合趨勢的認識

關于為什么三元融合趨勢在智慧城市建設中影響如此廣泛，主要原因在于以下兩個方面：一是這一趨勢反映了技術哲學中“我—技術—世界”的基本關系；二是城市規(guī)劃建設始終處于“空間—技術—社會”相互作用的維度中，而智慧城市三元融合趨勢是城市發(fā)展演變的新階段，符合城市規(guī)劃理論的發(fā)展規(guī)律，能夠在規(guī)劃歷史脈絡中得到解釋。

3.1 三元融合趨勢反映了技術哲學中“我—技術—世界”基本關系

智慧城市三元融合的趨勢得到不同領域的廣泛認同，并非是某種巧合，而是反映了技術哲學的本質論述，即社會、技術和空間的三元關系是“我—技術—世界”基本關系的一種表現[18]97。技術哲學的視角認為，在人類社會中，人并不是直接與客觀世界發(fā)生關系，而是依托技術形成人與客觀世界的聯系[49]。人類社會本身即社會、技術和空間相互影響的三元結構，世界以文化、技術和物質3種形式表現出來。劉易斯·芒福德[50]提出技術是創(chuàng)造性的推動力量，是介于自然和人類藝術之間的第3種狀態(tài)。

在智慧城市的宏觀層面，三元融合趨勢即“我—技術—世界”關系在城市尺度上的反映，如甘中學[32]45對人、機、物協(xié)同的三元群智社會的認知等；龍瀛等[40]63對“新興技術、人和城市空間”關系的描述。在微觀層面，皮埃羅·斯加魯菲等[51]認為在人與客觀世界之間，科技發(fā)揮了重要而具體的作用，包括消長、延伸和倒置等方面。技術要素可以理解為在人與客觀世界中促進三元融合的重要媒介。在以往城市發(fā)展過程中，三元維度關系表現為物理空間與社會生活之間依靠傳統(tǒng)技術形成的直接聯系。而在智慧城市階段，智慧城市利用信息技術使物理空間與社會生活之間的聯系更加高效，功能混合和空間優(yōu)化等目標更易實現，城市也能夠對復雜而個性化的社會需求做出更加充分和迅速的回應（見圖3）。

圖3 信息環(huán)境在智慧城市中的作用Fig.3 The function of intelligent environment in smart city

3.2 智慧城市三元融合趨勢是城市“社會—技術—空間”維度結構的新階段

從城市規(guī)劃建設歷史來看，對理想城市模型的探索大多會依托新技術的支撐，描繪在新技術條件下未來城市理想的發(fā)展方式及生活場景，并將這種聯系落實在城市空間規(guī)劃模式上（見圖4）。規(guī)劃領域本身就強調技術、社會與空間3個維度相互作用對城市空間變化的復合影響。技術發(fā)展對于城市空間的演化至關重要，不同時期的技術發(fā)展帶來社會變革，促進生產生活方式變化，從而使城市空間發(fā)展出新的形態(tài)。

圖4 城市規(guī)劃建設歷史進程中的三元維度Fig.4 Cyber-physical-social dimension in urban planning and construction history

然而，以往的“技術”位于“我”與“世界”之間。而在智慧城市建設階段，“信息維度”的發(fā)展越來越重要，從“社會維度”和“空間維度”的二元結構中脫離出來，成為新的維度，然后又與這兩個維度融為一體，構成三元融合的新趨勢。總體上，技術發(fā)展進入信息通信技術主導的新階段，社會發(fā)展走向創(chuàng)新型社會和智慧社會的新趨勢。相對地，城市發(fā)展進入智慧城市階段。當前的三元融合智慧城市包含低碳生態(tài)城市、TOD、新城市主義等以往諸多城市規(guī)劃建設理念，結合智慧技術形成趨同的共性價值觀。

4 三元融合視角下智慧城市規(guī)劃的總體框架思考

近年來，三元融合趨勢對智能制造領域產生很大影響。在技術機理上，智能制造領域利用信息通信技術的發(fā)展，建立了“人—智慧技術—制造系統(tǒng)”的三元融合關系，“HCPS揭示了智能制造的技術機理，也構成了智能制造的技術體系”[28]624。借鑒智能制造領域的方法，在總體城市規(guī)劃層面探討三元融合視角下智慧城市規(guī)劃的總體框架。這一框架并非狹義上智慧城市信息系統(tǒng)的總體框架，而是基于城市規(guī)劃視角借鑒智能制造領域研究“實現架構”[28]632而形成更加復合的工作框架，包括技術維、操作維和空間維3個向量。

在智慧技術應用背景下，智慧城市規(guī)劃的技術維具有從依賴于空間規(guī)劃設計與建造技術的本體技術形成的本體結構（“規(guī)劃操作—城市空間”）向賦能技術與本體技術結合的賦能結構（“規(guī)劃操作—智慧技術—城市空間”）發(fā)展的趨勢；操作維具有從終極藍圖式的規(guī)劃設計方案向時間、財力和組織綜合考慮的目標謀劃、路徑策劃、空間規(guī)劃和行動計劃相結合，并進一步融合智慧技術服務的空間規(guī)劃建設頂層設計模式發(fā)展的趨勢；空間維具有從中心化結構與功能分區(qū)向去中心化的復雜系統(tǒng)與功能混合的單元化結構發(fā)展的趨勢（見圖5）。

圖5 智慧城市規(guī)劃的總體框架Fig.5 The framework of smart city planning

4.1 技術維

智慧城市規(guī)劃將向賦能技術與本體技術結合的賦能結構發(fā)展，這需要不同專業(yè)領域的相互協(xié)作。CPS與CPSS或HCPS的差異在于區(qū)分人是在系統(tǒng)內還是系統(tǒng)外，而三元融合論述的核心是以人為中心。這一點既體現在智能制造領域[28]624，也反映在智能社會領域[31]。三元融合趨勢由信息通信技術領域的專家提出恰恰說明了在智慧城市階段，信息技術、城市規(guī)劃和社會科學等不同專業(yè)領域具有相互結合滲透的趨勢特征。不同專業(yè)領域的相互協(xié)作將推動智慧城市規(guī)劃建設的有效實施。未來城市將是城市規(guī)劃師、設計師、社會工作者和跨國計算巨頭的合作[1]30。智慧城市規(guī)劃將不再局限于空間規(guī)劃設計的單一領域，而需要不同背景技術主體的統(tǒng)籌協(xié)調和融合發(fā)展，才能真正實現城市智慧發(fā)展建設目標（見圖6）。

圖6 智慧城市規(guī)劃的專業(yè)技術融合Fig.6 The professional technology integration of smart city planning

4.2 操作維

當前的城市規(guī)劃理論正在從以往的靜態(tài)藍圖式規(guī)劃向動態(tài)規(guī)劃、更新規(guī)劃和行動規(guī)劃的理念和方法轉變。王富海[52]提出的行動規(guī)劃是在傳統(tǒng)城市空間規(guī)劃點、線、面的空間三維基礎上，增加了時間、財力和組織的操作三維，從而提出目標謀劃、路徑策劃、空間規(guī)劃和行動計劃的內容體系。智慧城市規(guī)劃總體框架更多是以“信息化架構設計”為主，忽視了城市規(guī)劃在智慧城市發(fā)展過程中的引領作用[53]。智慧城市不是一個具體的信息化工程項目，應該是技術創(chuàng)新與城市發(fā)展深度融合的過程[54]。在智慧城市階段，結合智慧技術的變化和需求，行動規(guī)劃的方法也將出現新的變化。城市規(guī)劃領域的智慧城市頂層設計更多是指利用智慧技術，使城市規(guī)劃建設更加廣義的工作組織和行動安排變得更加智慧高效。如大數據的應用和智慧城市管理運行系統(tǒng)將使對城市時間、財力和組織的操作三維評價更加精確；空間診斷與評估的方法將使城市規(guī)劃建設在目標謀劃、路徑策劃、空間規(guī)劃和行動計劃不同階段得到更加精確的數據評價支持（見圖7）。

圖7 智慧城市規(guī)劃的操作組織Fig.7 The operation and organization of smart city planning

4.3 空間維

智慧城市規(guī)劃將向去中心化的復雜系統(tǒng)與功能混合的單元化結構發(fā)展。智慧城市具有開放性復雜系統(tǒng)特征，結合智慧城市空間演化的研究論述，智慧城市應該具有三元維度融合的社區(qū)化和單元化結構[6]47。在三元融合趨勢的共同論述上，智慧制造與智慧城市的技術機理是相通的。借鑒智能制造領域的相關研究[28]633，智慧城市可以分為系統(tǒng)級三元融合空間結構和單元級三元融合空間結構兩個層次。智慧社區(qū)單元甚至更小的智慧街區(qū)單元成為構建智慧城市的基本空間單元，是單元級三元融合空間結構，成為實現三元融合模式的基礎，是實驗智慧服務、體現架構迭代的重要空間單元載體；智慧城市整體則是系統(tǒng)級三元融合空間結構，是融合智慧物流、智慧交通、智慧公共服務等系統(tǒng)融合的空間系統(tǒng)。人、智慧社區(qū)與智慧城市通過云平臺實現交互，并與各類研發(fā)創(chuàng)新形成交互反饋，構成智慧城市整體空間模式（見圖8）②原圖來源于參考文獻[28]633針對三元融合的智能制造體系插圖。智能制造領域對三元融合趨勢的認識更加清晰，這種認識借鑒進入城市規(guī)劃領域，具有較為重要的啟發(fā)。。

圖8 智慧城市規(guī)劃的空間結構Fig.8 The spatial structure of smart city planning

5 結語

智慧城市的信息維度、社會維度和物理維度三元融合趨勢最先于信息通信技術領域提出。雖然相比于社會維度和物理維度，信息維度是一個新鮮事物，但回到城市規(guī)劃發(fā)展和人類社會演變的歷史來看，技術發(fā)展、社會變革和空間演化三者相互影響，共同推動城市建設發(fā)展則是一個長期存在的關系。三元維度融合結構并沒有超出歷史發(fā)展所提供的已知經驗范疇，而可以看作是技術哲學中“我—技術—世界”基本關系的一種表現。這一結構符合城市規(guī)劃理論的發(fā)展規(guī)律，信息維度的形成即技術發(fā)展在智慧城市時期的階段變化。

三元維度融合智慧城市所描繪的發(fā)展愿景也與城市規(guī)劃領域一直努力想要達成的理想目標相一致，如功能混合、人性空間、緊湊開發(fā)、低碳生態(tài)等目標，在智慧技術的應用基礎上，將更有條件達成。可以說，信息技術的迅速發(fā)展并沒有從根本上挑戰(zhàn)城市規(guī)劃理論的論述，而是為城市規(guī)劃進一步趨向理想發(fā)展模式提供了智慧化的新工具和新手段，從而推動城市進一步向智慧化發(fā)展演變。