智慧城市复杂巨系统分析

唐怀坤 刘德平

智慧城市是一个复杂巨系统，它具有复杂系统的共同特征：复杂性、随机性、结构性、自组织性；在建设智慧城市的过程中，需要对其进行降维分析，找出关键的维度和各维度分類，在智慧城市复杂、无序、熵增、非线性中找到“复杂吸引子”，并找到以数字孪生实施的显性化载体，从时间维度、空间维度、服务对象维度关注智慧城市的长期演进的方向。

一、引言

城市创造了巨大的经济价值，建设好智慧城市是发展数字经济的基础与重要任务，面对新基建大潮，在智慧城市建设中，传统的线性、平面的信息化思维要向复杂巨系统思维转变才能升级智慧城市的顶层设计版本。

二、传统的智慧城市理论困境

《国家新型城镇化规划（2014—2020年）》中详细注明了中国城镇化的目标： 常住人口城镇化率达到60%左右，如果按照14亿人计算，有8.4亿人在2020年将生活在城市，随着城市的基础设施建设投资逐年增加，城市的“熵”也在不断增加：环境污染问题、医疗与养老问题、交通问题、信息数据管理问题、财政赤字问题、产业转型升级问题等需要提升，由于城市要素中的个体在不断增加，城市的无序程度正在增加。对于“智慧城市”这个概念来说，已经提出来有10余年，这其中也表现出了各种不同的观点，有观点认为发展智慧城市就是把信息化工作做好；有观点认为是做好大数据治理；还有观点认为智慧城市就是物联网技术的应用，等等。这些观点总体来说服务的对象没有变化：城市管理者、城市企事业、城市居民；发展的目标没有变化：城市的可持续发展。城市管理者就像企业的运营管理人员，企业要有正收益，要城市各种友好指标的向上；企业能够获得发展的良好投资环境、政商环境；个人能够融入城市中，找到归属感、生活便利。以上这些观点都是智慧城市发展的一部分，社会发展是一个非常复杂的系统，城市要素也同样非常复杂，也不可能从一个分类维度完全覆盖。以至于对于智慧城市的顶层设计这一项任务只能是从多个维度泛泛而谈，然后每年抓住一些关键的信息化项目即称之为“智慧城市”。历史上，从来还没有哪那个系统像城市这样复杂，从顶层来说，关于自然、社会、科学、技术、教育、哲学、政治、文化、经济、管理，几乎无所不包。因此要发展好智慧城市、做好智慧城市的顶层规划就要从系统的角度去考虑，才能从宏观到微观、从平面到立体、从静态到动态去把握和推动智慧城市的发展。

三、智慧城市的复杂管理科学系统特征

复杂系统理论是一门不断发展的科学，它尝试以系统的角度去理解这个世界、探索世界、改变世界、推动发展，相继发展出了系统论、信息论、控制论、耗散结构理论、协同学、超循环理论、复杂科学管理等，其中又有多种分析模型，如多智能体、元胞自动机、蚁群计算、神经网络、无尺度网络等。城市管理属于公共管理范畴，基于复杂系统演进的复杂科学管理是认识和管理组织、群体行为一种理论体系和实用工具。

（一）复杂性

社会层面上的复杂系统是具有思维能力的人介入其中的复杂系统；智慧城市的介入主要是城市管理者、城市企事业单位、城市居民，各方的利益诉求不尽相同；一个大型城市涉及到了几百种产业、行业互相影响；上千万件基础硬件设施、软件设施；价值多元化，生活质量价值、安全价值、文化价值、城市品质、财政收入价值、税收价值、生态价值、产业价值、土地价值、地区带动价值等多种价值复杂交叉；政策、风俗习惯、地方条例、规范、城市展阶段等各种要素互相影响；同时城市的复杂系统不是孤立的，承接了党的思想路线、国家政策法律、上级管理的指导意见和规划等，与自然环境、相邻地区不断交换着能量和资源，这些复杂性是都是智慧城市巨系统要面临的挑战。复杂性决定了智慧城市需要有先降维再升维的思路解决智慧城市的建设问题。

（二）随机性

城市系统中的所有个体，管理者、企事业单位、民间团体组织、家庭、自然人个体行为均具有随机性、不确定性和非线性；个体之间相互影响、不断进化；系统本身及其组成部分受环境影响，即随环境的变化而变化；反过来，系统又影响环境。在这个数字经济时代，信息传播速度是秒级的，城市每天发生的事件都在互联网会被快速传播、放大。城市中所有自动化的软、硬件设施可靠性也不是100%的，无论是5个9还是6个9，总有差错概率，这些都是随机性的源头。并且随机性发生的范围、时间、地点不可知，智慧城市要面对的是如何将这种随机性的影响降低到最小。城市管理的越有序，这种随机的事件发生的概率、等级就会越小，使无序到有序的过程就是智慧城市的生产力。舆论事件、安全事件、污染事件、故障事件、交通事故等等都可以通过城市管理水平的提高而减少。城市内要素发展的随机性决定了城市要具备容错机制。

（三）结构性

复杂系统具有多层次结构，城市也是如此，经济结构、产业结构、空间结构、地区规划结构、发展次序结构、管理结构、城市大数据分布结构等，每一种结构从内部看都有一定的线性关系，但是放在复杂系统又变成非线性关系；每个结构层次的经济利益通常并不一致，需要协调。城市中有主导产业和支撑产业；城市企业有发展差异、居民有贫富差距；有繁华地带也有落后的郊区；教育资源的不均衡，有学区房也有非学区房；有现代化的开发区也有破旧待升级的老城区；城市结构特点决定了城市管理需要高度协同。

（四）自组织性

自组织是指系统中许多独立的个体在没有任何人为的策划、组织、控制下，进行的相互作用、相互影响、自然演化的自适应过程。自适应性是指复杂系统应对变化的环境所进行的自我调整，包括制定的法律、法规、规章制度、团标标准、社会群体、有影响力公众人物、具有社会责任感的企业等等。自组织性决定了智慧城市的建设需要采用众包、公共资源采购、PPP、BOT等多种社会化建设与参与模式，通过市场化规则让智慧城市建设这一项活动更加有生命力和可持续性。

四、智慧城市的复杂系统结构

（一）多维价值关系

前文提到，智慧城市具有复杂系统特点，因此需要降維，找出关键的维度和各维度分类。总体来说，城市首先要以人为本，满足三类人群的需求：城市管者、企业法人、自然人；在时间序列上满足工业经济时代、数字经济时代、智能经济时代的可持续发展；空间要素上满足地下空间、地面空间、上层空间的发展诉求；数据要素上满足采集层、平台层、数据层、应用层四层结构。集中体现为生活价值、生产价值、文化价值、财政价值、产业价值、辐射价值，如表1所示。

（二）复杂“吸引子”

“吸引子”是微积分和系统科学论中的一个概念。一个系统有朝某个稳态发展的趋势，这个稳态就叫做吸引子。吸引子分为平庸吸引子和奇异吸引子。对智慧城市来说，这个复杂巨系统实际上也就像混沌，复杂、无序、熵增、非线性。对于城市来说，一个世界500强的企业、一个国家级开发区、一个核心商圈就像混沌系统中的奇异吸引子。而新型智慧城市主要是以人为本的价值回归，城市管理者关注的是财税收入与决策执行；企业法人关注的是营商环境和产业集聚；自然人关注的是城市服务和生活品质；由此形成一定的吸引子和决定要素，分别形成不同的智慧城市系统重要组成部分：城市管理系统、产业系统、生活系统，互相协同形成整体的智慧城市巨系统。当前“城市大脑”、“智能城市”做的是城市管理系统，以交通管理为主；“智慧城市”主要以各个局、处、办公室信息互通和分析为主；“市民一卡通”等主要是服务于生活系统；对于产业系统很少涉及；但是从复杂科学吸引子的角度来说，大型企业集团、产业集群更能带动城市的发展，因为它们是最强吸引子，带动地方财政收入、居民就业、交通等一系列价值的增值。

（三）未来10年城市发展路径：在数字空间再造一个城市

在人工智能城市到来之前，智慧城市属于数字经济范畴，还需要有10年的时间建设智慧城市，依靠数字孪生技术再造一个城市，具体实现路径包括将物理世界的物体进行数字化映射，如BIM、CIM、VR/AR等；将物理世界的活动程序进行数字化映射，包括政务信息化、企业信息化、智慧城市。建立一个数字孪生的世界。在数字世界里的活动将是光速的，它将穿越时间和空间的限制，这与工业经济遵循经典物理世界定律效率已完全不同。如果城市的经济总量是Q，当这个Q在增加时，数字孪生世界的经济总量也在悄然增加，只不过我们只是用“数字经济”这个代称，根据《中国互联网发展报告2019》指出，2018年，中国数字经济规模达31.3万亿元，占GDP比重达34.8%，2020年预计这一指标将超过40%，数字经济不是泡沫经济，它是实实在在的价值，带来的是新的产业、传统产业的更新换代与效率提升。而且对于数字孪生的世界创造的价值目前还没有统计口径，其实它也是经济产出和资本增值的一种形式。

五、智慧城市巨系统框架与机制构建

总体说来，智慧城市系统的复杂性在于技术经济演进、城市价值、主体系统、产业系统、环境系统、政策承接与地区协同相互作用的复杂性，通过降维的思路可以总结为时间维度、价值维度和空间维度。时间维度就是城市演进的方向是从工业化城市、数字孪生城市人工智能城市，价值维度是满足三大主体的需求，空间维度就是城市三层空间的管理，从而形成了三大子系统，它们与复杂多变的环境系统建立约束与适应关系，通过系统管控手段使各子系统达到各自目标，最终实现城市的可持续发展的目标。

围绕智慧城市复杂巨系统需要构建相应的实施机制，虽说是“一城一策”，但是智慧城市的总体发展方向和需求内核是类似的，否则就失去了策略研究、标准化的意义，“一城一策”是权宜之计，基于本质认知的长远设想是城市发展的思想源泉。如果将城市比作为一个大型企业，企业的管理要经历计划、组织、指挥、协调、控制等管理环节，计划层面来说是由智慧城市发展愿景、顶层设计、滚动规划、年度任务组成的；组织层面是由所在城市的最高管理者组建的智慧城市建设指挥中心形成的一把手工程，明确主体责任；指挥层面依靠地方条例、指导意见、年度考核办法等组成；协调依靠的是以建设项目需求为触发点的各个部门之间的政令互通、流程协同、数据共享；控制包括规划评估、智慧城市审计、项目后评估。要总体上要覆盖以上三大系统。

总之，智慧城市复杂巨系统是一个循序渐进发展的过程，掌握了其中的规律才能事半功倍。

作者单位：中通服咨询设计研究院有限公司