智慧可持续城市的国际学术前沿动态综述

■ 闵 睿 MIN Rui 孙彤宇 SUN Tongyu

0 引言

城镇化的快速发展、信息通信技术的兴起及可持续理念的深入人心，对经济、环境、社会、知识等城市要素产生了深远影响。向城市聚集的大量人口加剧了环境污染、能源短缺、交通拥堵、贫富分化、粮食安全等城市问题，给可持续目标带来诸多挑战；信息革命则促进城市与技术融合共生，深刻改变了人们的生活方式与社会组织。定位与传感技术、普适计算与增强现实等新兴技术的出现，支持着城市交通、能源、水利等设施服务体系的智慧发展，提高城市的宜居性、可持续性、生产力与治理力。信息技术的兴起与普及，使我们对城市的解读更趋动态。田园城市、带型城市、分区规划等传统城市模型理论往往受限于技术，将城市视作静态系统；而智慧技术的运用，实现了对城市各系统宏大信息流的捕捉、筛选与分析，使信息数据反作用于城市规划与城市设计，优化系统运行。

智慧可持续城市是一个相对新兴的城市发展概念、模型与策略。我国一直重视城市的智慧可持续发展，《国家新型城镇化规划（2014—2020 年）》也明确提出“加快推进绿色、智慧、人文城市建设，促进城镇化从速度型向质量型转变”，智慧可持续城市的概念恰与之精神契合。本文将对相关研究动态进行梳理，以期为我国城市实现智慧可持续发展提供参考。

1 智慧可持续城市概念缘起

信息时代，利用信息通信技术（ICT）实现城市可持续发展的可行性与必要性日益彰显，智慧城市技术是实现可持续目标的有效路径与强大支撑。理想的可持续城市具有可持续的自然资源以满足其发展需求，具有可持续的安全保障以应对环境危害、保证安全发展，并向市民提供平衡协调的福祉，促进代内与代际公平。智慧技术则从经济、治理、环境、人力资源、机动性与生活等6 个维度[1]优化资源分配，促进知识经济与创新活动，保障市民权利，推动城市有序绿色发展。

智慧愿景与可持续愿景紧密相连。智慧城市的发展目标是可持续城市，而可持续城市的发展需要借助智慧城市的技术体系。生态城市、绿色城市、低碳城市、韧性城市等可持续研究与信息城市、知识城市、数字城市等智慧研究呈现交织态势，智慧技术正成为城市可持续发展的主要推动力。有学者关注到智慧性与生态可持续性的关联，在2013 年提出智慧生态城市（Smart-ecological City）的概念，融合智慧与生态核心特征，从能力、结构、系统、关系、环境、心理艺术与美学、美德等方面构建以人类与自然和谐共生境界为目标的发展模式和城市类型[2]。之后，又出现了许多致力于可持续目标的智慧城市实践与强调智慧性的可持续城市实践，“可持续性与智慧性将是未来城市的兼有属性”这一认识渐成共识。

在此背景下，智慧可持续城市（Smart Sustainable Cities）的概念开始兴起。一些学者在研究中提议使用“智慧可持续城市”综合概念而非单一的智慧城市或可持续城市概念（图1），并以此作为当前城市发展的理想目标[3]。国际电信联盟（ITU）于2014 年提出智慧可持续城市是利用信息通信技术和其他方式改善居民生活质量，提高城市运行和服务效率，增强竞争力，同时满足当前和未来几代人在经济、社会、环境和文化方面需求的创新型城市[4]。联合国于2016 年正式发布《共建智慧可持续城市倡议》（the United for Smart Sustainable Cities，U4SSC），号召各联合国机构、政府、工业界与学术界等利益相关群体使用信息通信技术催化城市向智慧可持续目标转变，建设更为包容、安全、韧性与可持续的城市[5]。国际电信联盟智慧可持续城市重点小组（ITU-T FG-SSC）、国际标准化组织（ISO）、美国国家标准学会（ANSI）及欧洲标准化组织CEN、CENELCE 与ETSI 等机构积极投入智慧可持续城市评价体系研究，制定并发布了一系列面向不同目标侧重与区域层级、使用关键绩效指标（KPI）的评价标准（表1）。

图1 作为综合概念的智慧可持续城市

表1 主要智慧可持续城市评价体系概况

2 智慧可持续城市研究维度

智慧可持续城市以信息通信技术为核心驱动手段服务城市可持续发展，宏观具有社会、经济、环境、治理四大核心主题，中观继承了智慧城市的经济、环境、生活、治理、机动性、人力资源的城市维度，微观包含自然环境、建成环境、水资源与废物处理、交通、能源、经济、教育文化科学与创新、福利健康与安全、城市治理与公众参与等城市子系统（图2、3）。

图2 智慧可持续城市的主题、维度与系统

2.1 智慧可持续经济维度

信息通信技术令交易对象不再局限于实物，电子商务与线上经济活跃，并通过优化信息与实体资源配置，促进知识经济、共享经济、循环经济，提高城市创新力与竞争力。信息技术迭代优化互联网平台的用户界面、服务性能、活动种类与安全规范，正向提升知识技能型共享平台活跃度，刺激知识共享经济蓬勃发展[6]。区块链货币、分布式账本、智能合约与风险识别机制等区块链技术发挥技术优势，解决传统经济在运营成本、数据安全、信用体系与行业监管方面的问题，成为共享经济领域重要的基础设施[7]。技术发展创造新兴的住房市场模式，人们通过应用程序按需申请的临时短期住房，线上收取、缴纳房租，共享住宅，共同居住；平台为智慧经济带来的高流动性就业人群提供便捷服务，提高闲置住房利用率，促进共享经济繁荣[8]。智慧技术优化循环经济提升资源效率与生产力；智慧循环系统建立联系数字技术与资源管理的阶层结构、跨信息系统和循环经济领域的通用语言，指导生产企业更加智慧地制定、评估与改进循环战略[9]。

图3 信息通信技术驱动的智慧可持续城市子系统

2.2 智慧可持续环境维度

智慧技术促使城市管理者能够精确获取源数据，实时掌握系统全貌，动态制定可持续环境策略，深刻转变能源管理、环境保护与水废处理的工作方式。欧盟智慧发展课题构建“家社”两级智慧能源管理系统：家庭系统实时监控能源消耗并由虚拟顾问提供用能建议；社区系统机动处理建筑能耗、智慧电表与气候数据，调节能源使用，一些社区改造后总能耗可降低60%[10]。智慧建筑能源管理系统可根据用户输入的绿色能源接受度实时计算，并决策购买可再生能源与非可再生能源的数量及储能设备的充放电量，相比传统能源可至少降低55.7%的碳排放[11]。智慧废弃物处理系统通过传感器与自动系统，按特性对垃圾进行逐级分类，优选可持续处理技术及可视化处理状态，实现高效无害的废弃物处理[12]。优化多目标混合算法的垃圾分类处理系统实时监控垃圾箱装填状态，优化垃圾车路线与工作量分配，进一步减少运输过程产生的碳排放[13]。

2.3 智慧可持续生活维度

人们获得养老、健康、安全等城市领域精准优质、便捷易得的公共服务，智慧性的设施与服务提高生活品质与城市福祉。老年人可通过虚拟平台联系子女、社区与服务人员，获得及时的居家养老服务。大数据驱动的新型养老模式依托“端—网—云”架构，即智能家居、可穿戴设备等智能终端、预处理数据的分布式网络平台与云服务推荐系统，推动精准养老[14]。医院业务与社区终端智慧相联，方便居民访问查询健康档案、预约挂号、医生多方处理医疗数据、安全存储医疗记录与隐私。3D 打印可个性化定制不同尺寸、剂量、外观和给药频率的药物，节约病人配药取药的时间，满足多样复杂的病情需求[15]。疫情期间，城市管理者可通过基于目标识别模型的视屏监控设备，实时检测与跟踪个体间社交距离，以视听警报警告距离过近的人群，减缓疫情传播[16]。司机使用基于GPS 的智能手机程序可在驾驶途中获取实时安全诊断、交通事故多发地段警示、休息区与停车区提示与全改进建议，有效减少超速违规与事故发生[17]。

2.4 智慧可持续治理维度

信息平台应用拓展了城市治理与公众参与的形式与内容。线上公众参与表达的赞成度、信任度、责任感等数据被收集分析，作为指标衡量较难测度的平等、包容等社会可持续性表现。基于城市信息模型的管理平台集成3DGIS 与BIM、储存与更新城市信息、数字化管理城市空间，促进政府主导、企业推动、居民参与的三方合作，减少无效的重复建设[18]。智慧移动终端的众包项目也积极促进治理的可持续性。通过基于地图的交互移动平台，市民可及时报告路面损坏、非法停车等日常问题，多级、多部门政府机构线上共同处理问题并给予公示，提高了复杂城市问题解决率与公共服务质量[19]。通过智能手机端基于网络的规划支持系统，城中村居民可上传图片、指出问题、提出建议，规划部门公开更新规划、获取反馈，从而促进城镇化进程中的及时沟通合作与社会公平[20]。数据共享与信息技术支撑众多众规项目，扩大了公众参与的广度与深度。

2.5 智慧可持续机动性维度

一些研究探索智慧交通系统与可持续流动性之间的平衡，以信息通信技术促进环境友好、以人为本的可达性，应用智能技术协同治理交通运输与环境风险。荷兰的一些项目与信息技术、能源、交通多部门合作，融合共享、电力、自动驾驶多重概念创新交通模式，减少使用车辆数、里程数与碳排放，促进车辆更广泛的可持续能源使用，扩大环境效益[21]。基于实时信息的交通信号动态管理系统在提高车辆通行效率的同时，需关注行人的需求，优化时可通过减少交通信号周期与延长行人通行时间来保证行人安全过街，让智慧技术不仅仅服务于物[22]。通过建设，城市具备了获取与监控信息数据的技术能力、连贯的交通路网设施、透明协作环境，以智慧方案引导出行者转变行为模式，从而减少能源消耗。激励导向的智能手机游戏应用充分发挥人的主观能动性，玩家可以看到选择低碳交通如自行车所能减少的碳排放量，以获取积分兑换物质奖励，且单纯的精神激励也能促进玩家绿色出行，培养可持续出行习惯[23]。数据驱动下，道路交通设施、车辆设备、通行方式自下而上创新，回应环境保护与人的需求。

2.6 智慧可持续人力资源维度

信息通信技术重塑学习与社交空间，以在线化与个性化的方式培养学习型高素质创新人才，人际交往更为便捷、互动与开放。居民使用智慧阅读平台可高度共享数字资源，享受个性化精准对位的阅读服务，满足再学习的精神文化需要，推动智慧社区教育。学生从慕课（MOOC）随时随地接受线上教育，便捷的知识获得、储存与应用显著促进感知有用性，而知识共享进一步促进感知易用性[24]。老年人通过线上社交平台开展社交网络活动，突破时空限制、延伸社交关系，增强家庭、邻里的社会支持，提升社区的生活质量与满意度[25]。富有创造力的技术移民在城市社交媒体上关注并传播信息技术、可再生能源、循环经济、社会创新等议题，并成为新的意见领袖，推动智慧可持续的城市议程与方案，提升创新能力[26]。人是智慧可持续城市中最为活跃的要素，人才的质量与交往的品质影响着发展的活力与动力。

智慧可持续城市中，信息通信技术作为技术手段协调城市各系统，为市民提供更优质的生活、更高效的资源利用与更繁荣的经济发展。城市的经济、文化、生态、社会、设施等发展表现出全新形式，本章对不同城市维度的梳理，便于城市规划者、建设者与管理者较为快速地了解当前智慧可持续城市研究的新兴热点。

3 智慧可持续城市技术与应用

大数据、物联网、云计算、人工智能、5G 技术、无线传感器网络等是支撑智慧可持续城市的重要信息技术（图4），使城市科学、建筑科学与信息科学联系更为紧密。不断优化更新的智慧技术用于解决城市实践某一问题，形成繁多的跨学科研究成果网络，城市研究者需要适当了解智慧技术在其他学科领域的研究与可实现的新兴应用方向。

图4 智慧可持续城市支撑技术

3.1 物联网与感知计算

物联网（the Internet of Things）与感知计算（Sentient Computing）是普适计算（Pervasive Computing）环境中广泛使用的技术。普适计算是指计算机高度分散互联并嵌入于城市设备与物理空间中，为市民提供无所不在的计算与服务。

物联网是一种将日常用品与信息处理结合的计算增强环境，包括各类智能传感器如RFID、NFC、GPS、红外传感器，等等，普遍的传感器网络为其他计算与应用提供设施基础。除生活应用外，物联网已参与到工农业生产的各环节。农业方面应用于生产环境监测，如基于ZigBee 与模糊控制的智能大棚监控系统[27]；病虫害防治，如基于GPRS 的虫害防治监测系统[28]；替代人力参与生产，如一体化智能灌溉系统[29]、远程遥控联合收割机与产量监测系统[30]。工业方面应用于生产优化、环境监测、安全管理，如以联动模型控制生产系统在动态干扰下实现最优态[31]。运用物联网技术可进一步解放生产力，推动可持续产业变革。

感知计算指应用程序与外界交互时，通过传感设备采集数据并对此做出分析、感知与回应，如利用上下文环境信息的情景感知计算（Context Aware Computing）、研究社会行为的社会感知计算（Socially Aware Computing）。社会感知计算分析人的活动规律与情绪感受，例如：基于微博数据分析游客在不同感知区域的位置关联与客流转移[32]；基于社交媒体转发数据与地理信息数据，研究人群应对突发安全危机与信息传播的时空规律[33]。这些研究反馈于城市规划，可促进科学人本的决策制定。

3.2 大数据

大数据指大量结构化与非结构化的数据集合。数据自身的数量、速度、多样性等特性使其难以使用传统数据库与程序技术进行管理与运算。智慧可持续城市语境中，大数据分析依托有高运算能力的机器、软件与系统，将大量数据处理为有用知识，回答城市问题。

大数据克服传统研究界定模糊、数据静态、采集困难的问题，应用于人口流动、生态保护、监控管理等热点领域。多源城市大数据可用于监控预测颗粒物空气污染，评估预警流域水环境风险，智能识别场地污染、溯源诊断与修复治理，分析物种宏观分布与生物多样性，等等。基于位置大数据，分析城市间人口流动的网络特征、空间格局与影响因素，引导人口合理流动，促进区域协调发展[34]。从经济、人口、创新、中心能级、文化环境大数据分析城市竞争力，精细认识城市的优势与不足[35]。遥感图像、社交媒体数据、众包数据、GIS 等大数据用于预警系统、紧急疏散、救灾分配等城市灾害管理，提高城市韧性与协同共治，如基于大数据与遥感数据集，实时监测区域冲突与地缘政治变化中的危机发展与难民流动[36]。物联网、无线传感器产生的海量大数据为运用智慧技术提供了数据基础，让动态跟踪、分析城市复杂与巨型现象成为可能。

3.3 云计算与近端云计算

云计算（Cloud Computing）建立虚拟化数据服务中心，为多用户提供强劲计算能力与巨大存储空间，用户可通过任一终端随时随需访问云。云计算促进资源服务共享，包括：①共享课程、学术信息等教育资源，如基于Hadoop 云计算平台整合高校教育资源[37]；②共享治疗数据、健康档案等医疗资源用于远程治疗与护理，如云计算平台检测上传的语音样本，为语言混乱的病人联系医生远程诊断，方便偏远地区病人就医，系统诊断帕金森病准确率可达96.6%[38]；③共享城市部门信息提高业务效率与透明度，如基于云计算的政企架构为多公共部门创造统一的ICT 环境。人们像使用公共设施一样共享使用云端计算与服务，提升资源利用率。

后云计算时代，雾计算（Fog Computing）、边缘计算（Edge Computing）、移动边缘计算（Mobile Edge Computing）等近端云计算技术兴起，在云计算中心与设备终端之间加入网络边缘层分布式预处理数据与存储，以减少云计算中心的处理量。近端云计算常用于车联网，如：基于MEC 的蚁群模拟退火缓存策略，可降低响应延迟与传输冗余[39]；基于5G多通路边缘计算的绿波通行系统，可实现车路协同与信号灯协同[40]，提高交通服务质量与运输效率。

3.4 人工智能

人工智能（Artificial intelligence）是由机器模拟人类思维的智能，具有类似人类的自我学习、组织、适应、行动能力。机器学习（Machine Learning）与深度学习（Deep Learning）分别指计算机利用自身经验学习改善性能以及不需要人类参与特征选取的两种学习过程，是人工智能常用技术。

机器学习、深度学习可识别侦测城市空间现象，辅助城市设计与决策。①结合街景数据，可大规模精细化定量测度城市尺度下的建筑色彩与空间品质；②基于卷积神经网络构建图片空间网络模型，研究小尺度城市公共空间的人群活动[41]；③使用多源数据与深度学习，可大规模快速识别土地性质，检测城市空间结构，如结合谷歌地图、街景数据与OpenStreetMap注释可准确描述与预测城市项目的土地使用类别[42]。在交通领域，人工智能模型可研究路径选择、通行时间、通勤特征等交通行为，提高交通规划的可持续性，如基于随机森林算法分类器，可根据出行特征与土地利用特征预测出行目的，优化线网与土地布局[43]；识别道路与交通设施状态，如：借助聚类算法识别和划分共享单车热点区域协助车辆调度[44]，基于卷积神经网络模型处理图片识别道路分岔路、交叉口和人行横道[45]，处理闭路电视小尺寸灰度图像检测交通拥堵[46]，智慧提醒路况，减少拥堵与污染；还可用于预测交通流量、控制交通信号，致力于可持续最优通行。

技术应用并非完全独立，物联网、大数据、云计算、人工智能等热门技术常常组合应用。例如，基于物联网、云计算、大数据与机器学习，开发智慧服装，监测使用者健康状态，结合移动医疗云平台提供健康引导、医疗急救与情感关怀等[47]。环境感知、大数据、云计算、5G 通信、人工智能、高精度地图与定位等技术构成智能网联汽车技术链，推动无人驾驶发展[48]。智慧技术的快速发展，可更为细致地分析、改进与预测城市运行状态，对解读与规划城市的方式产生了极大的变革。

4 结语

智慧可持续城市是近5 年兴起的新兴综合概念，其核心在于计算能力与资源设施的共享。在智慧可持续城市框架下，大量新兴信息通信技术下沉城市各层级，织就细密的血管网络，与城市领域、组织、细胞密切相连（图5），实时分析供需，优化空闲资源的调配与共享，增强经济、社会、治理、环境多方面可持续性。从城市维度与技术应用两个方面对近年研究动态的梳理发现，智慧可持续城市在继承智慧城市、可持续城市精髓的基础上，概念认可度不断提高，创新热点不断涌现，技术应用日益细致。这也要求研究者与规划者跨越城市建筑科学，联系信息科学、认知科学、系统科学等多学科领域，具有更宏观的视角、更全面的知识面，参与信息时代城市发展。

图5 智慧可持续城市中信息通信技术的多层元体系结构