智慧城市研究演进路径、热点及前沿的可视化分析*——基于 Web of Science数据库的文献计量

钱应苗 王孟钧 袁瑞佳

（中南大学土木工程学院，长沙410075）

1 引言

2010年，世界城市人口首度超过总人口的一半，预计到 2050年，占比将高达 70%［1］，随着城市化进程的不断推进，城市发展也将面临前所未有的挑战，资源与能耗压力、政府公共服务效率、城市管理水平等问题都需要解决。如何改变城市生活、生产方式，创新城市发展模式，已成为各国处理城市化挑战的首要问题，各国纷纷从战略角度进行智慧城市的顶层设计，美国“智慧地球”、新加坡“智慧国”计划、韩国“智能首尔”战略、荷兰阿姆斯特丹“智慧城市计划”，瑞典斯德哥尔摩“智慧城市建设”等智慧城市发展计划相继出台。其中，阿姆斯特丹主要通过家庭节能减排、智能楼宇与街道建设等手段，推动智慧城市建设；斯德哥尔摩基于智能基础设施与交通建设，提升城市创新能力，引领智慧城市发展。我国也于2012年发布《关于开展国家智慧城市试点工作通知》，拉开智慧城市建设的序幕，并在2016年4月全国网信工作会议上首次提出新型智慧城市概念，计划“建设真正以人民为中心，实现民生服务便捷、社会治理精准、社会经济绿色、城乡发展一体、网络安全可控的智慧城市”。显然，智慧城市对科学、合理解决城市发展中的系列挑战有显著价值，国内外学术界对此的关注度也不断提高，涌现出大量的研究成果。鉴于此，本文通过揭示智慧城市研究演进路径、跟踪研究热点及前沿动态，为我国智慧城市发展、建设与研究提供理论借鉴和实践指导。

2 数据来源与研究方法

在WoS核心合集数据库中，以标题=（smart cit*OR intelligent cit*），文献类型 =（PROCEEDINGS PAPER OR ARTICLE OR REVIEW）为检索条件，不限时间跨度进行检索。检索时间2017年12月30日。经过筛选，共得到2311篇文献。然后，以定量研究为主，辅以定性研究，采用科学知识图谱等方式对所选文献数据进行绘制与展现。

智慧城市研究的时空分布如图1所示。由时间分布可知，相关研究的发文量总体呈现上升态势，2011年以前相关研究较少且增长缓慢，之后则增长趋势明显，这与智慧城市发展的国际背景相吻合。同时，国家分布统计数据表明，主要发文国家集中在西欧、北美、东亚地区。东亚地区的文献又主要集中在中、日、韩及印度四国。

图1 智慧城市研究的时空分布Fig.1 Temporal and spatial distribution of smart city research

3 研究演进路径可视化探测

在 HistCite软件中［2］，用 LCS（Local Citation Score）值排序锁定最重要的 30篇文献。由于2016—2017间的文献排名在 30外，故生成的引文编年图只涉及1999—2015年的文献（图2）。通过引文编年图，可观察到智慧城市研究领域主题发展的历史脉络和继承关系，从而得出智慧城市研究演进路径的三个阶段：探索期、初步成长期和深入发展期。

图2 引文编年图：1999—2015年间智慧城市研究重要文献总览Fig.2 Chronicle of citation：an overview of important documents on smart cities from 1999 to 2015

1）研究探索期（1999—2006）

该时期仅出现2篇经典文献，即结点1［3］和结点33［4］。20世纪 90年代末，“智慧城市”作为应对城市人口增长和破解城市化进程中产生的经济社会发展、城市基础建设、居民生活质量、环境生态等相关问题的战略手段被提出［3］。新加坡“智慧岛”项目是这一时期的智慧城市建设典型代表，强调依托现代先进信息技术，整合与管理城市重要基础设施，实现城市公共资源优化、安全监控与风险预警等功能［4］。

2）研究初步成长期（2007—2011）

此阶段共有 5篇关键文献，即结点 96［5］、98［6］、99［7］、109［8］、111［9］。其中，结点 99［7］是图中最大结点，在核心文献中被引排名第一，其研究内容对往后的智慧城市研究有着深厚影响；结点111［9］虽被引频次较多，但在图中并没有引用或被引关系，通过阅读文献发现智慧城市不是其研究重点。

2007年以来，欧洲智慧城市组织、美国 IBM公司、自然资源保护委员会等研究机构在不断探索性研究智慧城市的过程中，对其内涵有了更深入的认识，逐渐形成国际上较为认可的定义：智慧城市是指充分利用智慧计算技术使得IT基础设施、社会基础设施和商业基础设施之间深度融合、互通互联、产生集体智慧的城市［5］。并指出信息与通信技术（ICTs）是智慧城市发展的核心驱动力，将意识融合与智慧技术两个层面有机结合是加强智慧城市建设的关键思路［7］。这一时期，从信息技术的视角研究智慧城市得到学术界重视，学者们纷纷基于ICTs对智慧城市的技术支持层面展开研究，侧重于如何通过云计算、社会化网络与商务智能、第四代移动通信技术（4G）等技术创新实现城市建设与管理智慧化。

3）研究与实践深入发展期（2012以后）

本阶段中新的研究成果层出不穷，仅2012—2015年3年时间的重要文献高产量就达23篇。其 中，高 被 引 文 献 有 159［10］、466［11］、478［12］、480［13］、848［14］等，通 过 对这些 文 献 内 容 的 剖 析，发现随着计算机技术进步，基于计算机科学的智慧城市研究仍持续受到关注，同时，从管理学、城市规划学［14］、生态环境学等其他领域对智慧城市研究与发现也层出不穷，逐渐形成以多学科交叉、多领域知识融合、跨行业合作的智慧城市知识网络［12］。智慧城市研究重心开始由信息网络技术创新与技术应用［11］转移至智慧城市经济、社会、文化、生态环境、能源资源利用整体框架研究［14］，并从重视城市基础设施的硬件投资，到侧重于人力资本和社会资本的软件投资［10］，智慧城市理论研究逐步完善。

4 研究热点可视化及多维尺度分析

4.1 基于关键词的热点可视化分析

利用Citespace软件［15］得到由关键词所生成的智慧城市研究热点网络图谱（图3），以及关键词出现频次不少于24的热点术语19个（表1）。由图表可知，频次最高关键词为 “Smart city（智慧城市）”，达1029频次，且其中心度值 为0.33，位居首位。其后依次为物联网、大数据、智能电网、创新、可持续、云计算等。深刻剖析这些高频热点术语，可将智慧城市研究总结归纳成如下三大方向。

1）建设目标与发展策略研究方向

国际上，众多学者对智慧城市建设目标进行研究，强调智慧城市建设应当以人为本、关注绿色，实现城市经济、社会、环境可持续发展的愿景［16］，其建设目标可归纳为城市产业发展、城市运行效率、城市科技创新和城市生活休闲4类。基于此目标，当前发展策略研究热点主要有：（1）挖掘智慧城市发展创新驱动力，深化数字技术集成与融合，探索城市发展新理念与新模式；（2）研制智慧城市顶层设计与阶段性行动计划，完善智慧城市评价标准与规范；（3）探究政府部门职能与社会管理模式的转变，在政策制定与城市治理过程中重视电子民主、多部门沟通协作，以“智慧视野”思考政府、企业、学术界、社区之间的关系，构建以政府为主导、多参与主体、多学科、多专业的智慧城市协同建设机制。

表1 高频关键词统计Tab.1 High frequency keyword statistics

2）管理与应用研究方向

目前，国际上已对交通、医疗、环境、教育、生活、公共安全、公共管理等众多社会领域智慧化发展进行研究。如：Agirre［17］利用智慧城市 ICT平台实现环境监测。Leacock［18］构建测量智慧城市建设中能量使用情况的技术信息监控模型。Toppeta［19］研究智慧城市基础设施，注重其在物理、信息技术、社会和商业的连接方式。未来的智慧城市管理仍然植根于信息化建设基础之上，以传感器网络技术为核心，着力建设城市基础设施、城市环境、城市公共安全、建筑等领域的数据感知、监测与共享平台，推动各行业领域内智慧服务的发展与完善。

图3 智慧城市研究热点网络图谱Fig.3 Smart city research hot spot network map

3）技术支撑研究方向

在城市的智慧化发展与自动化进程中，先进信息系统发挥着主导作用，而要实现智慧城市管理信息的全面整合与感知、广泛互联互通、高效分析及智能化处理，必须依靠信息与通信技术、互联网应用以及移动通信等领域关键技术的支持。目前，物联网（internet of thing）、无线传感器网络（sensor network）、云计算（cloud computing）等技术是智慧城市研究热点。通过技术集成，可从感知层、网络支持结构层、数据集成与分析层及管理与应用层4个层面出发，构建智慧城市管理框架，实现城市“人 -社会 -自然”一体化，使城市服务（如智能停车、维修等服务）和监测（如交通网络、旅游景区景点、环境污染、天气状况等监控）更加全面、高效，并实现互动［20］。21世纪初，随着信息技术和数字经济的发展，“大数据”备受关注，且比以往的信息处理与分析模式更能适用海量、高增长率和多样化的现代城市信息发展需求，具有针对性提升对城市管理不同领域内动态变化的分析、决策与预测能力［21］。

4.2 基于多维尺度的研究热点区域划分

利用SATI3.2软件［22］和SPSS进行多维尺度分析（信度 Stress=0.09126，效果估计值 RSQ=0.90376，表明此分析过程可信，且效果显著），最终生成智慧城市研究领域的高频关键词多维尺度分析图（图4）。

基于多维尺度图谱分析发现，除“Smart city（智慧城市）”本身外，智慧城市领域研究热点划分为三大区域：1）建设目标与发展策略研究，由可持续性、智慧设计、创新、政策、能源、智慧城市未来等6个热点关键词构成；2）管理与应用研究，包括优化、基础设施、传感器网络、智慧城市环境、智慧城市安全、智慧建筑、智慧服务，共计7个热点关键词；3）技术支撑研究，主要有信息与通信技术、物联网、云计算、大数据、智能电网等5个主题关键词。这也进一步验证了基于关键词的热点可视化分析中提炼的三大研究方向。

图4 智慧城市研究领域的高频关键词多维尺度图Fig.4 Multi-dimensional scale map of high-frequency keywords in the field of smart city research

5 研究前沿方向可视化追踪

从浩瀚的文献数据中挖掘、探索及追踪研究前沿是智慧城市研究可视化分析的关键内容之一［23］。智慧城市研究前沿（research frontier）代表智慧城市领域中突然涌现或最具发展潜力的研究新主题及新趋势，把握智慧城市研究前沿，有助于掌握智慧城市研究现状及未来发展方向。

陈超美［24］指出研究前沿强调学科发展新趋势及突变特征，因而借助“突现主题术语（surged topical terms）”比“高频主题词（title words）”更适合追踪学科研究前沿［25］。利用 Citespace软件，在术语词类型中设置“突显术语（Brust Terms）”，节点类型中选择“主题词（Terms）”。运行CiteSpace软件，得到智慧城市研究前沿的知识图谱，如图5所示，并探测得到7个突现词，见表2所示。

表2 智慧城市研究领域中突现词统计表Tab.2 Statistical tables of emergent words in the field of smart cities

结合图5和表2可知，突变率最高主题词为“Intelligent city（智慧城市）”，达4.74。除 “intel-ligent city（智慧城市）”以外，还有“Open data（开放 数 据 ）”、“Governance（智 慧 治 理 ）”、“Crowdsourcing（众包服务）”、“Community（智慧社区）”、“Performance（绩效）”、“Energy efficiency（能源效率）”等6个突现词。与建设目标及发展策略研究相关的突现词是“Energy efficiency（能源效率）”和“Community（智慧社区）”，以智慧社区建设为核心，强调能源高效利用的智慧城市建设目标及发展策略是智慧城市领域研究的重要前沿。与管理及应用研究相关的突现词有“Governance（智 慧 治 理 ）”、“Performance（绩 效 ）”、“Crowdsourcing（众包服务）”等，说明近年来智慧城市对智慧治理及绩效研究的重视，也是未来智慧城市管理研究重点，且众包服务将成为未来智慧城市应用研究热点。与技术支撑研究相关的突现词是“Open data（开放数据）”，说明随着信息技术的不断发展，开放数据技术将成为智慧城市未来支撑技术发展趋势。

图5 智慧城市研究前沿知识图谱Fig.5 Smart city research frontier knowledge map

6 结论与展望

1）主要结论

为系统梳理、分析智慧城市领域国际研究成果，基于 Histcite、SATI、Citespace等科学计量软件，对Web of ScienceTM核心集合中1999—2017年发表的2311篇相关文献进行可视化分析，主要结论有：

（1）智慧城市研究演进路径已经历了研究探索期（1999—2006）、初步成长期（2007—2011），2012年，迈入深入发展期。

（2）智慧城市研究热点可分为三个方向。建设目标与发展策略研究方向包括可持续、智慧设计、创新、政策、能源及未来等研究重点；管理与应用研究方向关注基础设施、传感器网络、环境、安全、建筑、优化、服务等研究热点；技术支撑研究方向注重物联网、云计算、大数据、智能电网等核心主题。

（3）智慧城市研究前沿由智慧社区、能源效率、智慧治理、绩效、众包服务、开放数据等方面组成，其中，智慧社区、能源效率属于智慧城市未来建设目标及发展策略研究的核心；智慧治理、绩效、众包服务是智慧城市未来管理及应用研究的重点；开放数据技术是智慧城市未来支撑技术研究趋势。

2）研究局限与展望

本文通过研究数据的合理获得与研究方法的科学分析基本已达预期目标，但因研究条件与能力限制，仍存在一定局限性。如在2311份有效样本获取过程中，仅分析1999—2017年间会议与期刊论文的研究成果，2018由于未能获得全年数据，较其他年份的成果没有可比性，故未选用，以致2018年智慧城市大脑等最新成果未能在结论中体现。

随着我国城市信息基础设施建设的日渐成熟，新型城市智慧化的需求不断增长，未来的研究热点趋向于建设目标与发展策略、管理与应用、技术支撑等多方向研究的交叉与互动。因此，我国智慧城市建设需因地制宜，制定科学有效的顶层设计与规划，将智慧城市建设视作一项综合管理系统，坚持以人为本的建设理念，通过顶层设计进行整体规划，积极调动政府、企业、团体及大众等各方力量支持智慧城市建设；坚持市场需求驱动，理好政府导向与市场需求关系，充分发挥资源市场配置作用，现实顶层设计“有形之手”和市场需求“无形之手”相互结合；加强智慧城市建设技术创新，基于物联网、云计算、大数据等技术发展创建弹性云计算与大数据处理平台，结合机器视觉、大规模拓扑网络计算、认知反演、交通流分析等跨学科领域的研究和应用，在互联网级开放平台上不断探索城市海量多源数据的收集、实时处理与智能计算，为智慧城市的管理提供科学决策。同时，从智能交通管理出发，进一步向医疗、城管、环境、旅游、城规、平安、民生等七大领域全面拓展城市大脑，通过整个城市人工智能中枢向全面开放的AI平台发展，实现城市管理的可视化。