基于复杂性科学的智慧城市建设方法研究

吴德华 杨冰

摘要：信息与通信技术的飞速发展，为城市智慧化奠定了基础。本文通过分析现代城市的复杂性特征，提出在面对城市这样的复杂巨系统时，需要利用复杂性科学方法——综合集成方法以人机结合、以人为主的形式加以解决，最终实现城市经济、社会、生态等诸多方面的全面发展。

关键词：复杂性科学;智慧城市;综合集成方法;ICT

中图分类号：TP3-05 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）33-0237-02

随着中国城市化的快速发展，城市管理、城市规划、城市安全、城市的可持续发展等方面都面临着严峻的挑战。面对这些挑战，迫切需要新的方法来实现城市的协调可持续发展。近年来，物联网、云计算、大数据、普适计算等信息与通信技术（Infor-marion and communication technologies，IcT）得到飞速发展，使得社会具有广泛的感知和强大的计算能力，促进了各行各业的智能化发展，为由数字城市向智慧城市转变奠定了基础。智慧城市是在城市全面数字化基础之上建立的可视、可量测、可感知、可分析、可控制的智能化城市管理与运营机制，包括城市的网络、传感器、计算资源等基础设施，以及在此基础上通过对实时信息和数据的分析而建立的城市信息管理与综合决策支撑等平台。智慧城市建设的目标是要推动城市在经济、社会、生态等诸多方面的全面发展，增进城市整体宜居度嘲。然而，现代城市是一个由物理系统、社会系统和信息技术系统耦合而成的开放式复杂巨系统，需要用复杂性科学思想指导解决智慧城市建设问题。

1现代城市的复杂性特征

现代城市是一个区域政治、经济、文化、教育、科技和信息中心，是劳动力、资本、各类经济、生活基础设施高度聚集，人流、资金流、物资流、能量流、信息流高度交汇，子系统繁多、结构繁复、其间关联关系高度繁杂的开放的复杂巨系统，具有整体、层次、动态、开放、非线性等特征。

城市系统是由区域政治、经济、文化、教育、科技、信息等若干要素形成具有一定新功能的有机整体，這个整体系统所具备的某些性质和功能是单个要素所没有的，整体系统的功能大于各单个要素功能的总和。因此，在智慧城市建设的过程中，需要以整体观来指导处理不同要素之间的关系和矛盾。

城市是一个由物理系统、社会系统和信息技术系统等子系统耦合而成的多层系统，每个子系统又包括种类繁多的大量子系统，如社会系统又包括经济系统、生活系统等子系统，这些子系统在城市系统中的地位、作用、功能和结构等方面具有不同的等级性，且同层之间或不同层级之间都是相互关联的。

随时间条件不同，城市发展也是不断变化的，具有动态性，城市系统中的子系统都可能受到任一子系统变化的影响。因此，城市系统的协调发展受到其本身条件和相关系统的制约和影响。

城市系统内部要素之间存在着人流、资金流、物资流、能量流、信息流的交换，在经济、社会、环境等方面既有竞争，又有合作，同时城市系统对外开放，与其他国家、地区存在竞争与合作，参与全球范围内的资源优化及配置，系统开放为城市系统协调稳定发展提供了条件。

城市系统通过对物质、能量的合理利用使资源配置效益得以提高，但跨地区的产业竞争，不断更新的技术，使城市发展不受地方政府的控制。城市发展态势同时受到本地策略和外地市场竞争的影响。知识、技术、管理的长期积累，以及与外界环境存在的开放性和强耦合性使城市系统具有明显的非线性特征。

2智慧城市复杂系统方法论

城市系统是一个多层次、多组分、开放的复杂巨系统，仅用传统的还原论方法不能解决这样的复杂巨系统问题，需要利用复杂性科学的方法加以解决。我国著名科学家钱学森主张在研究复杂系统时，在整体的观照下对系统进行分解，基于分解后的研究对系统进行综合集成，实现1+1>2的涌现，即综合集成方法，为研究智慧城市建设问题提供了借鉴。

综合集成方法的特点是人机结合、以人为主，将专家体系、数据和信息体系、计算机体系形成一个人机结合系统，综合集成不同层次、领域的信息和知识，从整体上研究并解决问题，实现对系统整体的定性认识到定量认识的转变。利用综合集成方法研究智慧城市建设问题分为三个阶段，首先对智慧城市进行定性综合集成，将不同学科和领域的专家及城市职能部门组成智慧城市建设的专家体系，针对智慧城市建设中的问题，结合不同领域专家的经验知识和智慧，进行全面是交叉研究、实现对智慧城市复杂系统的全面认识，并在此基础上形成经验性假设和定性判断。然后进行智慧城市的定性定量相结合的综合集成，在掌握系统相关的资料、数据的基础上，构建系统信息体系、指标体系和模型体系，以经验知识为指导，以信息体系、指标体系、模型体系为基础，构建系统模型，运用人工智能、大数据、虚拟仿真等技术对上阶段形成的经验性判断在计算机上进行系统仿真和实验，以证明其正确性，并给出智慧城市的定量描述，实现对智慧城市的整体分析和综合研究。最后进行智慧城市的从定性到定量的综合集成，通过专家体系对系统仿真和实验的结果进行综合集成，得到增加的新的定量信息，专家们在加入新的定量信息后进行研讨，获得对智慧城市的定量描述，采用人机交互、逐次逼近、反复比较等方式，直到综合集成定量结果达到专家们都认可的可信程度，最终将智慧城市的经验性的定性认识转化为科学的定量认识。

3智慧城市建设的启示

通过对城市复杂性特征和综合集成方法的分析，对智慧城市建设具有一定的启示意义。

（1）成立由地区政府主管领导牵头，发改委、经信委、国土资源局、规划局等相关部门负责人参与的智慧城市领导小组，负责智慧城市的顶层设计，研究解决城市发展和生态环境中出现的重大问题，加强城市交通、通信、宜居度、人才吸引力等改善经济发展基础环境的宏观指导，有效整合不同职能部门，实现信息共享，科学有序地推进城市智慧化建设。

（2）智慧城市建设是一个以自组织形式进行的、动态持续多系统协调发展的过程，涉及政府部门、企事业单位、居民大众等多方面的相关主体，需考虑各方的利益协调，同时城市的可持续发展是建立在自然环境的承载力上，需要考虑城市系统与自然环境的协调发展，因此智慧城市的建设需要复杂性科学的指导。

（3）智慧城市建设不仅要注重ICT基础设施、平台和各类信息系统构建，还要重视城市创造与创新能力的培养，促进人工智能、生理智能、社会智能的协同发展。

（4）城市是一个由水、电、道路、通信等众多相对独立的系统构成的复杂巨系统，这些子系统又是通过ICT基础设施、平台和各类信息系统进行连接并综合集成，因此智慧城市建设可从各子系统的智慧化建设人手，从整体上对各子系统的智慧化建设进行协调与整合，促进智慧城市的可持续发展。

4结论

新一代信息技术以及各行各业智能化的发展为智慧城市建设奠定了基础，但城市发展是动态、开放、非线性的，传统还原论方法不能解决智慧城市建设中存在的诸多问题，由于现代城市内在的复杂性特征，智慧城市建设需要复杂性科学思想的指导，复杂性科学方法在智慧城市建设中的实践，又将进一步丰富复杂性科学理论。