发布时间：2020-03-10所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 摘 要 大数据、人工智能、移动网络、云计算等新技术的发展，正在引发一场全球新一轮的技术革命。智能技术的发展不仅成为国家经济、社会发展的创新动力，而且也对城市的运作和发展产生了深刻的影响。智慧城市在这样的大背景下，正以比我们想象得更快的速度在
摘 要 大数据、人工智能、移动网络、云计算等新技术的发展，正在引发一场全球新一轮的技术革命。智能技术的发展不仅成为国家经济、社会发展的创新动力，而且也对城市的运作和发展产生了深刻的影响。智慧城市在这样的大背景下，正以比我们想象得更快的速度在城市的各个领域展开，如智慧交通、智慧能源、智能通讯、智慧政务、智慧医疗等等几乎涉及了城市运作的各个层面和各个方面，这些智慧技术的应用已经对城市生活产生了巨大影响，那么它将对未来城市空间格局产生什么影响，对城市设计带来怎么样的机遇和挑战，或者反过来说，我们可以利用智慧技术在城市设计领域做些什么，值得我们进一步思考。本文将通过对国内外智慧城市研究领域前沿研究的分析，揭示智慧城市技术对城市各个方面产生的影响和潜在机遇，并提出未来城市设计利用智慧技术将面临的新的课题和值得关注的研究方向。
关键词 智慧城市;城市设计;空间格局;资源配置
0 引 言
当人们谈论起“智慧城市”，无不联想到移动网络、大数据、云计算、人工智能等新兴科技对城市生活方方面面的影响，我们都亲身感受到移动支付、共享单车、智能政务等等带来的便利，在过去的二十年中，智慧城市的概念改变了城市生活的各个方面，涉及到交通、安全、卫生、医疗、能源和教育等部门。各国政府、各大城市已开始采纳智慧城市的理念，以提高市民的生活品质。智慧城市的各类应用正在改变城市经济、社会的各个部门，例如城市中的监视和监测可以实时跟踪交通和犯罪情况、可以及早发现关键基础设施的受损情况，以便城市职能部门能够对紧急情况作出及时反应等等。
在城市规划和城市设计领域，智慧城市的传感器、大数据、网络、社交媒体信息等技术手段已经在城市的流动性和出行行为研究、城市土地利用模型、跨城市领域综合数据库建立、参与性城市治理和规划结构、空间绩效评估、运输和经济互动、城市能源结构优化、水资源管理、废弃物管理、城市智能决策等等方面产生了积极的作用[1]。智慧城市的这些智能技术还在不断地改变着我们的生活以及我们生活的环境。我们需要思考的是如何认识智慧城市，如何认识新兴技术对城市生活和城市空间带来的影响，如何将新兴技术带来的潜在机遇在城市设计的过程中，通过空间和资源的高效率配置，实现未来宜居生态的可持续城市环境。
1 智慧城市的概念及框架
一般认为“智慧城市”概念是2008年由IBM提出“智慧地球”，进而结合2010上海世博会“城市让生活更美好”的主题而提出，自“智慧城市”概念诞生以来，智慧城市已深入人心，相关的各个方面的研究和实践也在蓬勃开展。学界普遍认为智慧城市(Smart City)的特征是广泛而智能地使用数字技术，使信息得到有效利用，并通过参与性治理，在人力和社会资本以及现代信息通信技术基础设施方面的投资推动可持续经济发展和高质量的生活，并对自然资源进行智慧的管理[2]。使用智能计算技术使城市的关键基础设施和服务(包括城市管理、教育、医疗、公共安全、房地产、交通和公用事业等)更智能、更互联、更高效。
智慧城市的技术核心是智能计算(Smart Computing)，智能计算具有串联各个行业的可能，例如城市管理、教育、医疗、交通和公用事业等，而城市是所有行业交叉的载体，因而，智能计算将是智慧城市的技术源头，将影响到城市运作的各个方面，包括市政、建筑、交通、能源、环境和服务等，涵盖面非常广泛，至今对智慧城市还没有一个非常精确的定义，也没有明确的评价体系和评价标准，在不同的语境中有不同的含义。但大量的研究表明，对于智慧城市的认识是在不断演进的，最初智慧城市被用来描绘一个数字城市，随着智慧城市概念的深入人心和在更宽泛的城市范畴内不断演变，人们意识到智慧城市实质上是通过智慧地应用信息和通讯技术以及人工智能等新兴技术手段来提供更好的生活品质以及更加高效地利用各类资源，实现可持续城市发展的目标。在文献中出现的关于智慧城市的相关定义可以见表1。
尽管对于智慧城市的定义各有侧 重 ，但 在 实 际 操 作 中 普 遍 认 同 维 也纳 工 大 鲁 道 夫·吉 芬 格 教 授 2 0 0 7 年 提出的“ 智 慧 城 市 六 个 维 度 ”，分 别 是 ：智 慧 经 济(S m a r t E c o n o m y)、智 慧 治理(Smart Governance)、智慧环境(Smart E n v i r o n m e n t)、智慧 人 力资源(S m a r t People)、智慧机动性(Smart Mobility)、智慧生活(Smart Living)[11]。其中：智慧经济主要包括创新精神、创业精神、经济形象与商标、产业效率、劳动市场的灵活性、国际网络嵌入程度、科技转化能力;智慧治理主要包括决策参与、公共和社会服务、治理的透明性、政治策略与视角;智慧环境包括减少对自然环境的污染、环境保护、可持续资源管理;智慧人力资源包括受教育程度、终身学习的亲和力、社会和族裔的多元性、灵活性、创造力、开放性、公共生活参与性;智慧机动性包括本地辅助功能、(国家间)无障碍交流环境、通信技术基础设施的可用性、可持续、创新和安全、交 通运输系统;智慧生活(生活品质)包括文化设施、健康状况、个人安全、居住品质、教育设施、旅游吸引力、社会和谐。
这六个维度全面地涵盖了城市发展的各个领域，尤其是除了城市的物质性要素以外，还将社会和人的要素纳入其中，并将高品质生活和环境可持续作为重要的目标。也就是说，要让城市更智慧，关键在于如何利用信息通信技术创造美好的城市生活和环境的可持续，实现的途径包括提升经济、改善环境、强化完善城市治理，跟城市空间相关的是提升交通(机动性)的效率，核心问题是社会和人力资源的智能化。智慧城市的六个维度为智慧城市建设确定了基本框架。
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2 智慧城市的模块及发展动态
从大量的关于智慧城市的研究文献来看，总体而言分为五大类型：智慧城市理论、智慧城市技术(物联网、大数据、云计算、智能通讯技术等)、智慧基础设施(智慧交通、智慧物流、智慧能源管理、智慧电网、智慧水资源管理、智慧废弃物管理、智慧生态系统等)、智慧城市管理(智慧城市治理、智慧城市运营、城市安全智能系统、智慧政府、智慧社区)、智慧服务(智慧政 务、智慧医疗、智慧健 康、智慧养老等)当然在其他相关行业的智能化也可以算是智慧城市的组成部分，如智能制造、智能建造、智能建筑、智能家居等。从智慧城市建设和发展模式来看，其基本要素主要包括智能技术、智能产业、智能服务、智能管理和智能生活等，智慧城市的组成模块(smart city components)包括城市发展的各个方面(图1)。
在 智能 技 术领域，最 为重 要的可能就是物联网技术(IoT-Internet of Things)了，物联网技术可谓是智慧城市的核心，也有学者甚至认为智慧城市就是物联网的具体应用。物联网概念最早由凯文·埃斯顿(Kevin Ashton)[12]提出，而物联网之父罗伯·范·克兰伯格(Rob Van Kranenburg) 则定义物联网为“在我们的日常用品和小工具中嵌入某种简单的通信技术，使它们能够在本地网络中相互连接，并最终连接到更广泛的网络-互联网”[13]。物联网的概念是将异构的各类物件联系在一起，通过运行智能计算，以实现互联互动和系统运作的高效率。新的物联网(IoT)应用正在推动全球范围内的智慧城市计划。它提供了远程监控、管理和控制设备的能力，以及从大量实时数据流中创建新的洞察力和可操作信息的能力。在物联网的技术支持下，智慧城市通过仪器化、互联和智能化三个方面的建设，在物联网发展的高级阶段通过集成所有这些智能功能而不断完善[14]。物联网的通用架构提供了无处不在的媒体，透明、无缝地整合了大量不同且异构的终端系统和传感器，以提供使用非常复杂任务的服务。因此，它已经成为数字时代最广泛应用的技术之一，推动了从智能电网到互联健康等行业的重大变革[15](图2-3)。
在智慧基础设施领域，最受关注的是智慧能源和智慧交通，其他如智慧水资源管理、智慧废弃物管理、智慧生态系统等也随着智慧城市对于可持续的不断追求而逐渐受到关注。智慧能源研究领域，有学者已开始关注土地利用与能源一体化模式，并尝试模拟未来智慧城市下，土地利用与能源供应的耦合关系[16]。一些研究则通过建模和仿真来评估智能能源解决方案的技术和政策影响，并探索实现智慧城市能源供应的最佳方式，提出在智慧城市背景下 优化能源模式的方法[17]。使用多分辨率分析(MRA)对城市能源需求的动态高分辨率数据集进行分析，通过深入了解城市能源需求，提出如何利用这样的分析来指导智慧城市的能源需求管理[18]。对城市多样化能源使用需求进行建模分析，并优化能效实现智慧城市的能效综合设计[19]。另外一些研究则关注建筑在智慧城市能源体系中的节能作用，如将信息通信技术的分类与家居所有需要能源的活动的分类结合起来，以全生命周期的家庭用能量分析并结合在信息通信技术上的投资，实现城市中减少能源使用的机会[20]。也有学者关注在城市更新中历史建筑的能耗优化问题，通过物联网实现对能耗的智能化控制。[21]以及建立智慧城市对家庭能源消费影响的概念模型，用以实现以智能手段达到能源供应的优化布局[22]。
智慧交通系统的发展除了应对快速城市化和日益增长的交通拥堵的挑战外，近年来也引起了人们的极大关注，黛比纳等人根据智慧交通实际案例的分析，提出了评估智慧交通的详细评估标准及计算模型，有助于进行城市间的比较分析，促进相互学习、提高完善[23]。在智慧交通领域的研究涉及广泛的主题，有关于智慧城市中的自动化交通[24]、在智慧城市中使用大数据分析定义交通系统行为[25]、智慧城市中的交通流量监测系统研究，以及使用新的监控和跟踪系统研究智慧城市的实际交通和移动场景[26];在自动驾驶汽车的场景下探索范式转换对城市交通的影响，为自主车辆在智慧城市中的应用提供基本框架[27];探索智慧城市作为可持续交通和交通脱碳的工具[28]、智慧城市在道路交通管理中的优化方法[29];有些研究则将交通作为数据采集的来源，认为汽车是智慧城市的主要 ICT资源[30]、也有将路灯灯杆作为交通监控及城市安全监控的数据采集点[31];关于新型能源汽车在智慧城市中的应用也备受关注，如通过德国电动共享汽车car2go项目的评估，探索智慧城市浮动电动共享汽车系统的可能性[32]、针对电动汽车的用电需求、位置和并网周期，提出一种估计电动汽车可能状态的框架和方法，提出了支持智能电网的运营决策[33]、探索分布式能源与住宅用能和电动汽车用能需求之间的协同效应，实现一定城区内能源供需的优化匹配，达到提高能效和节能的目标[34]等等，智慧交通的各项研究为未来城市交通展开了一幅充满想象和潜力的图景。
人们越来越认识到智慧城市需要面对环境的挑战，借助先进的信息通信技术和物联网技术，对城市环境相关的问题进行了广泛的探索。在城市气候方面，有研究者从地理基础、连接方式、功能和活动探索城市间气候变化行动网络，为智慧城市的生态系统提供决策基础[35];有关于智慧城市如何服务于生态系统的框架性分析[36]，有智慧城市生态系统数据驱动创新与价值创造分析模型的建立[37]，以及关于智慧城市如何基于生态系统来考虑减少灾害风险方法[38]等等。另外还有针对智慧城市综合水资源管理[39-40]以及智慧城市低碳综合废弃物管理决策支持系统等相关研究[41]。当然如何用智能技术使城市环境、城市生态系统更加可持续仍然是一个具有巨大挑战的研究领域，需要多学科交叉融合，并针对具体的重要问题进行深入的探索。
总体而言，有关智慧城市的组成模块的各个方面都有较多的研究，但相对比较分散、不分巨细，主要还是以总体理念、系统框架和技术手段为主，很少有涉及智慧城市技术与城市空间形态之间关系的讨论。也许这将是城市设计学科在智慧城市框架下面临的挑战和潜在的研究方向。
3 智慧城市与可持续城市发展趋势
智慧城市的发展，最终目的是为了建设更加高品质城市生活和更加可持续的城市环境，在众多的关于智慧城市研究的议题中，可持续城市的主题越来越受到广泛关注。自1990年代初以来，可持续性和可持续发展的概念一直被应用于城市规划和城市设计[42]，从而出现了城市可持续性和可持续城市发展的概念。城市可持续性是指城市发展的进程能够在与环境保护一体化、经济发展与再生、城市内部社会公平与正义之间实现平衡的一种理想状态。因此，可持续的城市发展寻求以最低的资源需求(能源、物质等)创造健康、宜居和繁荣的人类环境，以及对环境的最小影响。尽管实现城市可持续发展的这些长期目标之间存在一定程度的冲突，对当代城市规划和城市决策而言是一项巨大挑战，但面对全球城市化的飞速增长、资源短缺的压力、环境变化的挑战，可持续城市发展自然地成为城市发展的长期目标，而智慧城市则在可持续发展领域体现出十分显著的作用，“智慧可持续城市”的概念成为当前和未来城市发展的理想目标。
智慧可持续城市(Smart Sustainable Cities)的主 题已经引起当代城市学者、规划者和决策者的极大关注，它作为一种话 语和社会实践的插入、运作和演变，越来越多地受到新兴信息通信技术产业联盟、合作研究机构、政策网络和“大学-产业-政府关系的三重螺旋”(Etzkowitz & Leydesdorff，2000)[43]在技术-城市创新方面的影响。考虑到现有的可持续城市模式对可持续发展的贡献方面尚未解决的问题，加上智慧城市现有方法与城市可持续性相关的不足，智慧可持续城市这一研究领域成为城市规划、城市设计和城市发展中的一项潜在热点研究领域。
到目前为止，有关智慧可持续城市的研究内容主要来自于与智慧城市和可持续城市相关的理论、分析和总体观点。一些研究倾向于将现有的可持续城市模型和智慧城市方法的各个方面结合起来，以克服可持续性目标的相互冲突问题，要将 生态 城 市、知 识 城 市和 数 字城 市的系统进行整合，作为迈向可持续发展的解决方 案，最 终形成一种 智慧 城市规 划方 法 (Murray, 2011) [44]。这种整合的方法有可能应对城市可持续性的挑战，今后在这方面的研究工作将为实现智慧可持续城市的目标提供规范性的方案，并制定相关的评估框架(Batagan，2011年)[45]。国际电讯联盟(International Telecommunications Union)也为制定这一框架提供了基础标准(图4)(ITU, 2014)[46]。
国际电信联盟智慧可持续城市重点小组(ITU-T FG-SSC) 对这一概念提出了新的定义，“智慧可持续城市是利用信息通信技术(ICT)及其他手段提高生活质量、提高城市运营和服务效率以及竞争力的创新型城市;同时确保在经济、社会、文化和环境方面满足当代人和子孙后代的需要。”同时，吉芬格(Giffinger)教授的智慧城市六维度仍然被继承为智慧可持续城市(SSC)的六个维度(图5)，而信息通信技术则作为连接智慧可持续城市六个维度的跨部门推动因素[47]。
SCI SSCI AHCI