三標度層次分析法下的智慧城市指標體系裁剪方法

韓慧妍,侯德建,熊風光

(1.中北大學 計算機科學與技術學院,山西 太原 030051;2.機器視覺與虛擬現實山西省重點實驗室,山西 太原 030051;3.山西省視覺信息處理及智能機器人工程研究中心,山西 太原 030051)

0 引 言

“智慧城市”概念于2008年被提出[1],旨在解決城市所面臨的挑戰,以信息技術和數據管理有效整合的方式進行解決[2]。在智慧城市成為城市建設發展的浪潮之后,雖然國內對智慧城市的研究相對于國外起步較晚且研究成果滯后,但國內利用“后發優勢”,在智慧城市方面實現了快速發展。據住建部的數據顯示,截至2020年4月地,國內已經啟動了749個智慧城市試點項目[3]。然而,由于缺乏因地制宜的建設措施,大多城市在其建設過程中患上了“千城一面”“重復建設”“貪大求全”等通病[4]。如何引導和規范、監督和監管、探索和推進各地智慧城市系統性建設,成為現階段必須回答的問題。為此,國內外研究機構對智慧城市評價工作進行廣泛探索,并取得了顯著的成果。

在國外,IBM于2008年制定了一套智慧城市評估指標體系,其指標體系測評的重點主要放在技術和建設層面。該指標體系主要衡量城市服務的質量和效率,市民的需求和利益,商業的發展和創新,以及交通、通訊、水電氣等方面的設施狀況。不過,該框架缺乏對公民主觀體驗方面的評估[5]。《信息技術 智慧城市信息通訊技術評價指標》是由國際標準化組織制定,用于評估城市信息通信技術建設水平和質量。該標準使用57個二級指標分項來評估城市信息通信建設的6個一級指標和19個細化的二級指標。該標準可幫助城市制定和實施信息化建設計劃,提高城市的數字化水平和智慧化程度[6]。另外,2019年EasyPark公司發布了智慧城市指數排名,對全球119個城市進行評估,綜合考量了交通、可持續、治理、經濟、居民的生活質量水平等方面。與以往不同的是,此次評估特別考慮了區塊鏈生態圈以及政府數字化,總共涉及24個因素[7]。自2012年以來,國內的學者和相關研究機構一直在積極探索智慧城市評價策略方法,以幫助城市發現問題并制定相應發展戰略。例如,崔璐等人以智慧城市建設效率為研究出發點,將投入和產出要素轉換效率作為考核標準。為此,將城市建設3個投入要素和4個產出要素進行組合,確定出7個一級指標,同時進一步將其細化為26個二級指標和175個三級指標,形成了一個包含多個測評細則指標的智慧城市建設效率評估指標體系[8]。2018年,國家發展改革委在2016版評價指標體系的基礎上做出了調整、替換、刪除以及調整權重等操作,制定了《新型智慧城市評價指標(2018)》。與2016版相比,其一級指標數量基本不變,仍為8項,二級指標由21項增加至24項,同時對冗余的三級指標進行了調整,由55項減少至52項,針對“網絡安全”指標,調整為扣分項而非權重占比的評分項制度[9]。2022年,中國電子技術標準化研究院牽頭聯合多家研究所和高校,共同制定了《新型智慧城市評價指標(2022)》標準,該標準也是在2016版基礎上進行的調整和優化。該新型智慧城市評價指標體系可用于開展市級以上城市的測評工作。經過修訂后,該指標體系的一級指標的數量從先前的8個增加到9個,二級指標從21個增加到29個,三級指標從55個增加到62個。指標數量的增加意味著測評覆蓋范圍更廣,測評內容更加細致全面。除此之外,還提供了可供縣級市測評參考的標準,以填補中小城市測評參考依據的空缺[10]。

通過以上研究可以發現,這些模型從不同角度對城市進行了衡量,其測評結果于城市的發展具有一定的參考意義。然而,以上研究均使用統一標準進行城市評分或排名,部分城市為了滿足評估要求,通常采用“模板式”建設方式,導致城市發展陷入“模式化”的僵局,使得城市在發展規劃中難以突出自身特點[11]。此外,就評估城市未來的發展前景而言,其測評結果往往無法突出城市特色,例如人文、旅游、教育等方面,以致無法科學詮釋城市真實智慧程度,進而導致決策者無法針對城市優勢或短板,制定貼近城市需求的未來規劃。該文立足于突出城市發展特色和充分利用現有評價體系研究和實踐成果,提出一種面向主題的指標體系裁剪方法:通過單繼承的方式構建主題評價體系的初步框架,并將框架中各指標視為獨立組件,利用以三標度層次分析法為核心的指標裁剪算法,增大與主題相關的指標權重,同時對于主題關聯程度過低的指標進行去除,從而靈活構建貼近城市發展以及凸顯城市特色的主題指標體系。

1 面向主題的指標體系裁剪方法

在現有指標體系研究成果的基礎上,結合測評城市自身發展特色和建設目標,進行主題指標體系[12]的構建。一方面,可將原有分層分類的智慧城市評價指標體系應用于其他場景的評估,從而增加其靈活性與可調整性。另一方面,主題指標體系的測評結果能夠同時考慮城市共性和差異性,準確反映出城市的特色和優劣勢。這些數據和信息可以為各級地方政府提供定量支撐,制定針對性更強、可操作性更強的新型智慧城市發展戰略和規劃,以便更好地促進城市向集約、高效、可持續方向發展,實現經濟、社會、環境等多重目標的協同推進。其具體構建方法如圖1所示。

圖1 主題指標體系構建方法

首先,匯總各種指標,建立指標總庫,依靠指標項管理工具實現對各級以及各類指標項的全生命周期的動態管理;其次,在指標體系編輯器中采用松耦合、組件化的分析框架與集成技術對指標體系進行圖形化管理,以達到動態反饋與持續更新的效果;然后,根據地方政策和現有智慧城市評價指標體系,通過指標裁剪工具以單繼承的方式構建主題評價體系的初步框架;最后,使用以三標度為核心的指標裁剪算法對主題評價體系進行固化操作,在確定出各級指標權重的同時,根據設定的裁剪系數去除與主題無關的指標,從而形成主題評價指標體系。

1.1 指標項管理

智慧城市評價指標體系是否科學全面,這往往取決于指標的設定策略及其涵蓋領域。因智慧城市建設所處的階段不同,造成智慧城市評價模型所要表達的內容具有差異性,其評價指標內涵也發生了改變或延伸。然而這決定了指標除了具有科學性和特色性以外,還必須具備時效性和動態性。參考國內外智慧城市評價研究成果,通過指標管理工具,將具有可借鑒意義的指標匯總到指標總庫中并分級分類。此外,通過增、刪、改、查等操作,實現指標在指標總庫中全生命周期的動態管理,為指標配置和指標體系的生成提供基礎。

1.2 指標體系構建

針對傳統文本信息管理方式呈現指標關系不清晰、體系全貌不明了的問題,提出了基于圖形化的指標體系管理方法。該方法采用松耦合、組件化的分析框架技術,將指標體系進行圖形化渲染,從而實現對指標體系的層次化、組件化、樹狀化管理,以及動態反饋與持續更新。具體而言,該方法通過可視化手段清晰地展示指標之間的關系,以幫助工作人員更加直觀地理解和使用指標體系,此外,該方法還支持組件化操作指標體系,并允許在指標總庫中搜索和利用指標,從而對指標體系進行動態操作,以滿足不同領域和應用場景的評估需求。

該文使用AntV G6圖引擎[13]實現指標體系編輯器,旨在為用戶提供可視化管理的功能,主要包括三個步驟:數據轉換、視覺映射和視圖。這些步驟將評價模型數據庫中的源數據轉換為圖數據,并將視覺屬性與數據特性建立映射關系,以提升關系圖的信息傳達效果并降低用戶認知成本。具體實現流程如下:首先,服務器發出查詢請求并將數據轉化為JSON格式。在頁面獲取到數據后開始進行頁面初始化操作并創建container容器。然后,使用注冊的生態樹布局算法計算指標節點的分布位置,并將位置數據與屬性數據進行匹配合并,并裝配到保存節點信息的數組中。邊的連接信息則獨立裝配到保存邊信息的數組中。使用G6的Graph類的render方法進行指標節點和邊的渲染,并呈現在用戶界面中。對于用戶對評價模型可視化后進行的交互操作,則是將交互操作的多元數組中的數據回傳給服務器,并通過保存指令將數據保存到評價模型庫中,以實現評價模型的交互操作。

指標體系編輯器工具根據指標體系的ID對評價模型庫中的數據進行匯聚、轉換和集成,以拓撲圖的形式展示指標體系。除了展示功能外,該工具還可設置指標權重、完善指標屬性、查找、刪除單個指標或指標體系、修改指標節點屬性,以及新建指標體系。實現分析模型可視化動態管理,有助于提升智慧城市評價指標體系的靈活性和可操作性,甚至對指標體系更替演變有著重要意義。其指標體系編輯器主頁面和指標體系編輯頁面如圖2所示。

圖2 指標編輯器編輯頁面

1.3 構建主題評價體系的初步框架

使用統一的評價指標體系去評估城市的建設進程,可能會忽略城市獨特的發展特點[14]。因此,結合城市的實際情況,該文采用了指標裁剪工具對原有指標系統進行精簡和優化,以構建一個更符合實際情況的主題指標體系。這種方法不僅解決了“一成不變”的評價標準在所有城市中的適用問題,還具有普遍適用性,可應用于其他評估場景。同時,它也提高了原有指標的靈活性和可調整性,從而避免了“單一標準”在評價過程中的影響。在指標裁剪工具中點擊創建按鈕,隨后,在產生的對話框中根據新建主題的立意,錄入指標體系名稱,選擇所要繼承評價指標體系,并對主題細節進行描述。完成以上操作,即可完成主題指標體系的創建。

1.4 三標度層次分析法下的指標體系裁剪方法

層次分析法(AHP)作為解決多目標決策問題的一個重要方法,不但實現了定性與定量相結合,而且將問題劃分為多層次結構以獲取決策方案[15]。三標度層次分析法與傳統的九標度層次分析法相比,就標度而言,三標度層次分析法使用0～2這3個標度來刻畫因素之間的重要性程度,從而避免了因傳統九標度層次分析法標度太過于細化導致專家決策難與決策結果主觀性太強的問題。同時利用擬優一致矩陣省去了傳統九標度層次分析法一致性檢驗的繁瑣步驟。因此,采用三標度層次分析法對面向城市特點的主題指標體系進行裁剪具有極大的可行性和科學性。以下是基于三標度層次分析法對主題指標體系裁剪的具體步驟。

(1)建立層次結構模型。

在初始階段,根據主題指標體系的評價目標建立層次結構的決策樹。其決策樹大致可劃分為三個層次,層次結構如圖3所示。

圖3 決策樹結構

該文對主題指標體系初步框架進行裁剪時,使用分群組的方式建立決策樹,將一級指標構建為一個決策樹,二級指標按照與一級指標的子屬關系構建決策樹,三級指標按照與二級指標的子屬關系構建決策樹。然后根據不同的決策樹,分別對其構建判斷矩陣。

(2)兩兩比較,構造三標度判斷矩陣A。

根據構建的決策樹并立足于決策目標,專家進行研討,將同一級別的指標相互比較,以確定它們相對于父指標的重要性,并使用這些量化數值構建判斷矩陣。通俗來講,對同層指標進行兩兩比較就是確定各子指標對其父指標影響占比。對任意兩個指標因素ci和cj,用aij代表ci比cj對其父指標誰更重要,aij使用0,1,2三個值進行刻化,刻化標準參照式1。最終構造出的判斷矩陣A如式2所示。

(1)

(2)

(3)判斷矩陣轉換。

(3)

(4)構造反對稱矩陣C。

基于上述判斷矩陣B,根據式4求出反對稱矩陣C,其中bij表示判斷矩陣B中的元素值。

cij=lgbij,i,j=1,2,…,n

(4)

(5)構造最優傳遞矩陣D。

基于上述反對稱矩陣C,使用式5求出最優傳遞矩陣D,其中cik和cjk為反對稱矩陣C中的元素值。

(5)

(6)構造擬優一致性矩陣E。

基于上述最優傳遞矩陣D,根據式6計算出擬優一致性矩陣E中的各元素值,其中dij為最優傳遞矩陣D的值。

eij=10dij

(6)

(7)指標裁剪。

(i)根據矩陣E,計算出權重w,并以升序的規則進行排列,將其記為wι。

通過以上步驟,借助三標度層次分析法,在確定指標權重的同時,進一步完成了對主題指標體系的裁剪。但需要特別注意的是,在應用裁剪算法對指標進行裁剪時,需留意若其父級指標已被裁剪,則該指標與其子指標將不予參與計算。

2 案例應用與驗證

2.1 數據來源

“新型智慧城市數據采集分析與評價服務平臺”為本課題組承擔的科技部重點研發項目,所需數據均來自政府提供的資料,大大提高了實例驗證部分的可靠性和科學性。同時為確保指標權重的可靠性,邀請了政府、高校和企業三位專家對指標的重要性進行評判。這些專家在智慧城市建設管理或規劃管理方面有豐富的經驗和知識,對智慧城市的內涵有深入理解。他們的參與使得指標權重的評定更加可靠和準確。

2.2 文明城市主題評價案例

以《新型智慧城市評價指標(2016)》指標體系[16]為基礎,建立文明城市主題評價體系初步框架,如圖4所示。借助以三標度層次分析法為核心的指標裁剪算法,對主題評價體系進行固化處理,并將確定下來的主題指標體系應用到具體城市測評當中,來驗證該算法的可行性。

圖4 文明城市主題評價指標體系初步框架

文明城市建設的內涵不僅包括精神文明和生態文明,還包括政治文明和物質文明[17]。其中,精神文明是城市發展的靈魂,需強化公民教育、文化素質和道德水平,創造和諧、守法、文明的社會環境;生態文明是城市發展的可持續性保障,需加強環境保護和推廣綠色可持續發展理念;政治文明是城市穩定發展的保障,需健全法律體系、完善民主制度、保障公民權利自由并提高城市治理效能;物質文明是城市發展的基礎,需完善基礎設施、促進經濟發展和提高物質生活水平。根據文明城市建設主題評價指標體系的初步層次結構,三位專家們經過商榷,確定出指標裁剪系數為0.04,并根據主題立意構建各層次的初始判斷矩陣,以確定每個指標的權重。對于八個一級指標進行重要性標度,如式7所示。

待專家確定完判斷矩陣后,利用冪法對判斷矩陣A1進行計算,并得到其對應的指標權重,詳見表1。

(7)

表1 一級指標的權重

待計算完成后,執行步驟(7)中的指標裁剪方法,裁剪后的結果可能會發生變化。一級指標均大于設定的裁剪系數,無需進行裁剪。按照一級指標與二級指標的子屬關系構建決策樹,進行指標裁剪。在裁剪過程中,發現惠民服務下的社保服務和幫扶服務指標權重小于閾值0.04,被裁剪出文明城市主題指標體系,其權重按比例分配給同層未被裁剪掉的指標。最終生成的指標體系為文明城市主題指標體系(簡稱“文明城市”),詳見表2。

表2 文明城市主題指標體系及其各級指標權重系數

隨后,將該主題指標體系應用于中部6個省會城市的文明城市建設測評中,并將測評結果與《新型智慧城市評價指標(2016)》指標體系的原始測評結果進行對比,以表3的形式呈現各城市在智慧城市和文明城市指標體系下的評價得分情況。

表3 中部6省會城市在智慧城市及文明城市指標體系下的評價得分

根據表3所示,可以觀察到武漢、合肥和南昌的文明城市排名與智慧城市排名順序相同,然而,這些城市在文明城市評價方面得分稍高于智慧城市評價方面,這表明它們在推進智慧城市建設的同時,也注重城市文明方面的發展,充分彰顯了各自的特色。獨占鰲頭的武漢不但依托獨特的自然資源和文化歷史資源稟賦,而且憑借“一廊兩翼為核心,三區四帶為支撐”的全域發展空間布局才能在智慧城市和文明城市建設中脫穎而出,成為中部城市的翹楚。然而,鄭州、太原和長沙的文明城市排名與智慧城市排名順序發生了明顯的變化。雖然太原市在智慧城市評價排名中處于最后一名,但其在文明城市評價中成績不但得到提升而且排名也超過了在智慧城市評價排名中處于它前面的鄭州與長沙。

究其原因在于:首先,太原是一座歷史悠久、文化精深的城市,被譽為“四塞之要,五原之冠”,其悠久的歷史和豐富的文化積淀已經有2500多年,為文明城市建設提供了寶貴的精神支撐和文化資源;第二,太原地處中部,屬暖溫帶大陸性季風氣候,再加上三面環山、一水中分和九河環繞的地勢特點形成了山光凝翠、川容如畫的景象,為城市的文明建設提供了良好的環境基礎;此外,近年來太原市政府一直努力推進資源轉型升級、城市基礎建設、加強生態保護和城市管理,致力于改革創新,因此太原的生態宜居和改革創新分數較為突出,也使其文明城市特色較于鄭州和長沙更為明顯。

2.3 三標度層次分析法的可行性及實證

為了驗證在智慧城市評價環節中采用三標度層次分析法計算權重的可行性,現將其與九標度層次分析法進行比較。分別使用這兩種方法計算文明城市案例中一級指標的權重,并將計算結果進行比較,結果如表4所示。從中可以看出,除精準治理指標的相對誤差較大外,其余各指標權重的相對誤差均在10%以下,還可以發現三層次分析法和九層次分析法所計算的權重重要性排序順序相同,這也進一步證實了其方法的可行性。

表4 九標度與三標度層次分析法權重對照

3 結束語

為打破“千城一面”的評價弊端,該文提出一種基于三標度層次分析法的指標裁剪算法,旨在根據城市特征動態對指標體系庫中的體系進行裁剪,以實現更加精準的指標評估。首先,為指標體系的生成提供基礎,利用指標項管理工具進行指標全生命周期的動態管理;其次,通過指標體系編輯器動態反饋功能,對指標體系進行管理,為指標裁剪提供多樣性的體系選擇;然后,利用指標裁剪工具,建立起樹狀化主題指標體系初步框架,以幫助更好地理解該指標體系;最后,基于三標度層次分析法實現指標裁剪算法,以用于構建突出城市特點的主題指標體系。在2016版新型智慧城市評價體系裁剪出文明城市建設主題指標體系,并應用于中部6省會城市的評價中,實驗結果表明,對于主題特色鮮明的城市,其評價得分或排名相較于原始評價結果有一定幅度的提升,體現出城市的特色及真實發展水平。因此,利用該方法裁剪后的指標體系應用于城市測評工作中,可為城市發展提供量化的數據,較為貼切地展現出城市發展的真實水平,為各級地方政府設計新型智慧城市的發展戰略和規劃提供有力支撐。