智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市的概念辨析与演变逻辑.pdf

社会发展智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市的概念辨析与演变逻辑张 桦摘 要 随着 的不断发展无论是城市研究还是城市建设均层出不穷地产生了各种概念 智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市概念受到各界广泛关注和应用但部分对城市研究的学者和城市的建设者给这些概念赋予不同的解释和内涵以至于因这些概念不够明晰而导致人们常混淆使用这些概念 人们缺乏对这些概念的梳理和边界界定更缺乏对这些概念内在演变关系的研究 因此有必要通过对智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市等概念进行梳理、比较和分析剖析其间的关系和演变逻辑界定这些概念的边界以便为各地的学者和建设者提供更明确的研究和发展方面的参考关键词智慧城市 智能城市 数字城市 数字孪生城市中国图书分类号.文献标识码 文章编号 ()随着信息()与通信()技术()(以下简称)的不断发展无论是城市研究还是城市建设均不断产生各种概念这些概念集中表现为针对传统城市的各种弊病基于 及其产业将城市建设为更实时响应、更数字化、更可控管理、更智能、更环保的宜居城市 其中最具代表性的智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市等概念不断地被提到城市建设新的日程一方面尽管智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市的概念受到各界广泛关注和应用但部分对城市研究的学者和城市的建设者给这些概念赋予不同的解释和内涵以至于因这些概念不够明晰而导致人们常混淆使用这些概念 和 在研究智慧城市与数字城市二十年术语的演变中指出缺乏对智慧城市和数字城市的明确定义会影响城市发展的战略定义、绩效衡量和成果取得缺乏明确的概念边界会导致城市发展难以维持 另一方面自智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市等概念产生以来人们缺乏对这些概念的梳理和边界界定更缺乏对这些概念内在演变关系的研究 因此有必要通过对智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市等概念进行梳理、比较和分析剖析其间的关系和演变逻辑界定这些概念的边界以便为各地的学者和建设者提供更明确的研究和发展方面的参考一、概念梳理(一)智慧城市对于“智慧城市”的起源学者们给出了各自的观点 例如 认为其最早出现在 年 等人描述的科技城现象中 和 在研究 年到 年间城市的情况时指出智慧城市的概念产生于 年等认为智慧城市一词首次出现于 年 的新疆社科论坛 年第 期 .基金项目本文系 年中共广东省委党校(行政学院)系统哲学社会科学规划课题“粤港澳大湾区智慧城市群产业比特融合研究”(项目编号:)的阶段性研究成果 作者简介 张桦中共广州市委党校高级信息系统项目管理师研究中并直到 年才越来越多地研究和使用智慧城市一词 王广斌等认为智慧城市的概念最早源于 世纪 年代后期的“新城市主义”和“精明增长”运动 周向红、常燕军辨析了数字城市、智能城市和智慧城市概念并认为 年以来美国就制定了一系列智慧城市建设方面的规划 朱桂龙、樊霞认为 年在美国圣弗朗西斯科召开的以“智慧城市()、快速系统()、全球网络()”为主题的国际会议是智慧城市这一概念最早提出的标志 虽然学界普遍认为“智慧城市”的概念产生于 世纪 年代但“智慧城市”概念广泛进入大众视野则是 年 公司提出“智慧地球”建设蓝图后引发了全球智慧城市的建设热潮国内外对于智慧城市的研究成果普遍集中于 年后起初的研究注重智慧城市的技术概念、功能表达和实现 例如 等在智慧城市的愿景中指出智慧城市旨在监测和整合城市所有关键基础设施(包括道路、桥梁、隧道、铁路、地铁、机场、海港、通信、水、电力及主要建筑物)的状况用优化城市的功能服务和安全检测以“可感知”“传感”的界定代表了最初阶段的智慧城市概念 此后 等则将智慧城市概念扩展到包括经济、人、治理、流动性、环境和生活在内的六个维度旨在为智慧城市构建一个自觉、独立和有意识公民的禀赋和活动巧妙结合的图景 智慧城市的概念在“可感知”基础上拓展到了独立、自主、智慧的自治系统边界 国内学者在这个概念上又进行了“变革性”视角的界定 例如巫细波等认为智慧城市的核心是以一种更智慧的方法通过利用以物联网、云计算等为核心的新一代信息技术来改变政府、企业和人们相互交往的方式对于包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出快速、智能的响应提高城市运行效率为居民创造更美好的城市生活 随着其他城市概念的提出和新技术的发展智慧城市的概念呈现出与其他城市概念关联的界定方法 例如李德仁等认为智慧城市是建立在数字城市的基础框架上通过无所不在的传感网将其与现实城市关联起来将海量数据存储、计算、分析和决策交由云计算平台处理并按照分析决策结果对各种设施进行自动化控制的城市 年之后国际上对于智慧城市的概念逐渐被转移到注重社会服务层面 例如英国标准协会将智慧城市定义为物理、数字和人类系统在建筑环境中的有效整合为其居民提供可持续、繁荣和包容的服务及城市未来 联合国人居署将智慧城市定义为使用 通过提供更高效的服务(包括加强安全、减少环境影响、增加社会包容性、改善治理、促进经济发展、促进创新和鼓励社会参与等)来改善居民生活质量的城市随着智慧城市的不断发展和影响国内学者将智慧城市概念拓展到了智慧城市“治”“理”的制度生态层面 例如方卫华等认为智慧城市不是传统制度框架与信息技术的简单结合更不是单纯的信息技术产物而是信息技术的“万物变数据”“数据变知识”“知识变权力”优势搭配一个理想的制度框架实现城市“融合之治”“整体智治”“协同共治”的一种“以人民为中心”的城市生态在智慧城市三十多年的发展历程中随着社会和技术的发展国内外学者从“可感知”“自治系统”“变革性”“与其他城市概念关联”“为市民提供智慧的社会服务”“建立城市智慧的社会治理生态”等边界进行了界定 这些说明“智慧城市”概念是不断动态发展的概念基本代表了智慧城市建设的各种维度成为各地智慧城市建设的逻辑阐释(二)智能城市根据 的说法“智能城市”一词最早由 在他的著作作为后工业社会的信息社会中使用其认为智能城市是一座利用信息技术改造其社会经济结构的城市 而建筑工程界认为智能城市研究起始于 世纪 年代的智能建筑研究智能建筑之后才相继有国家制定了智能化的城市建设计划自 在 年提出智能城市概念以来智能城市很少作为一个单独的概念而引起各界的关注其常常被智慧城市概念同化甚至很多时候被当作智慧城市概念的代名词 例如黄天航、吴志强无差别使用了智能城市表述了智慧城市 直到 年后智能城市作为正式的城市概念在学界引起关注相关的学者也给予了智能城市不同的定义例如史文勇等从“智能体”界定了智能城市概念其认为智能城市是城市发展的新阶段其核心思想是基于时空一体化模型以网格化的传感器网络作新疆社科论坛 年第 期 .为其神经末梢形成自组织、自适应并具有进化能力的智能生命体 则从功能“自主”上界定了智能城市其认为智能城市作为一个单独的概念应是数字空间与物理空间的结合旨在打造创新生态环境提高人的认知和学习技能及组织的知识和创新能力其关键是实现城市实时反馈(刺激反应)的数字神经网络和自主决策系统 陈如明则重在“智能”上对城市功能进行界定其认为智能城市首先体现于智能互联互通、智能感知分析、智能协同决策、智能融合服务、智能云化支撑及智能可持续创新发展等六大方面的重要作用 随后吴志强等基于“优化”“可持续性发展”对智能城市进行了界定其认为智能城市是通过系统和全生命周期的发展理念运用大数据、人工智能、移动互联网、云平台等信息技术实现消耗资源最小化的永续发展 显然智能城市概念提出的时间相对智慧城市概念更早但发展缓慢并常与智慧城市的概念混淆在有些语境下智能与智慧几乎难以有实质性分辨 但这些定义从范畴上更像是智慧城市在智能、智慧面的表达(三)数字城市毕治方认为.在 年提出了数字城市的概念引发城市数字化的浪潮 根据 在 年的说法“数字城市”的最早来源是美国在线()创建的在线网络服务实例 在 年指出数字城市一词最早由 于 年在他的虚拟社区一书中使用他在书中描述了一个基于计算机中介通信的虚拟社区 从“数字形态空间”表达了数字城市概念其认为数字城市是计算机支撑的城市空间是用数字信息扩充物理空间的表达 此后学者们针对数字城市的概念提出了许多定义 例如李琦等基于“信息化”角度对数字城市进行了界定其认为数字城市是从信息化角度对信息时代及准信息时代城市状态的形象刻画表征在城市文明基础之上的人居环境舒适的良性城市状态 从“增强现实”的角度将数字城市简单的定义为一个使用 来增强其物理基础设施和服务的城市 李德仁等从“虚实两空间”角度对数字城市进行了界定其认为数字城市是存在于网络空间中虚拟的数字城市与现实的物理城市相互映射是现实生活的物理城市在网络世界中的一个数字再现 姬德强等则基于“数字变革”深化了数字城市的定义其认为数字城市已从数字足迹到基因孢子“数字支付”已成为传统城市向无现金状态过渡的重要手段地理数据已经被用来监测并评估一个城市的活力城市数字基础设施也会对物理空间造成伤害其总结的数字城市的理论与实践突出了数字城市新的深度和实践使得数字城市概念随着城市的发展也呈现出从工具层面走向制度层面的趋势 与此同时有些学者根据时代的变化在对比中把握数字城市的概念 例如 在 年提出将“数字城市”看作对网络空间的探索更确切其认为将“智慧城市”看作是对物理空间的开发更有意义同时认为数字城市的特点是基于网络服务的活动而智慧城市则侧重展示感官服务 显然在 的观点中数字城市与智慧城市相关的概念是城市的一体两面(四)数字孪生城市数字孪生城市是一个较新的概念 等认为数字孪生城市一词于 年首次被 用作其城市绩效工具的一部分其旨在创建城市的虚拟模型来模拟和优化生产系统 从这一时期开始关于数字孪生城市的概念不断被提出 例如田颖等指出我国“数字孪生城市”的概念最早出现在 年的河北雄安新区规划纲要中强调将“数字孪生”应用到城市的治理中 关于数字孪生城市的定义学者们从不同的角度进行了界定 从“虚拟模型”角度指出数字孪生城市是模拟和优化城市性能的虚拟城市模型 等从“城市副本”角度界定了数字孪生城市并认为数字孪生城市是融合多源数据、多尺度模型支持城市规划、设计、运营、评估的城市动态实时数字复制 等从“数字孪生特征”界定了数字孪生城市的概念并认为数字孪生城市与其他数字孪生系统具有共同特征如自感知、自决策、自组织、自执行、自适应等 它们由基础设施建设、城市大脑平台和新应用组成 仇保兴等从“城市架构”阐释了数字孪生城市的含义并认为数字孪生城市是由许多模块组成的城市其总体框架包括智能化基础设施、数字化处理以及智能应用服务三个层次学者们在界定智慧城市、智能城市、数字城市及数字孪生城市的概念上既存在关联交叉又有细微差异新疆社科论坛 年第 期 .二、概念辨析随着 的发展及 与社会结合发展情况智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市不断被赋予新的含义 有的城市概念直接建立在另一个城市概念之上 例如李德仁对智慧城市的定义将智慧城市建立在数字城市基础之上 有的则相互代指 例如吴志强认为的智能城市概念与智慧城市概念为辨析这些概念提供了启发(一)内涵与目标尽管从当前的有关智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市等概念的梳理中发现智能城市、数字城市和数字孪生城市与智慧城市息息相关 无论是在某些情况下的相互代指还是一体两面的多维表现这些概念从不同的方面代表了当前城市建设新趋势 虽然这些概念随着 的发展和应用被不断赋予新内涵呈现出不断的动态发展以适应城市不断变化的环境和功能需求但从这些界定逻辑中不难发现他们有各自的目标 表 归纳了抽取这部分学者对相关城市定义的内涵与目标(二)共同特征智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市在城市发展目标、数据、模型和优化等方面有诸多的相似之处主要表现在以下四个方面.城市发展的目标和动力方面智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市都表现为应对快速城市化带来的挑战而生 如共同面对人口增长、资源消耗、环境染污、交通拥堵、社会不平等问题除城市规划的传统解决思路外试图用数字技术来创造新的方案或机遇来解决问题成为新型的城市建设模式 如利用大数据、云计算、物联网、人工智能等 来提升城市的可持续发展能力和改善城市环境和居民的生活质量等等.城市数据的收集和利用方面智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市都存在一定程度地对城市进行数字化改造的过程化描述 如共同需要城市空间、社会、经济、环境等信息以及利用各种传感器、网络和平台来实现城市数据的采集、传输、存储和分析从而成为城市的规划、建设和运营提供支持.城市虚拟模型的构建和展示方面智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市的内涵中都存在依赖地理信息系统、三维建模、可视化等技术来构建一个与物理城市相对应的虚拟城市模型从而能够在数字空间中展示城市的结构、状态、功能和行为表 智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市的内涵与目标概念内涵目标智慧城市基于数字城市、物联网和云计算等 支撑的物理世界和数字世界整合的智慧服务和管理提高城市的管理水 平、服 务质 量 和 创 新能力智能城市利用信息技术和人工智能等 对城市进行数据收集、分析和优化以达到城市智能和自主实现城市人和物的智能控制和智能服务数字城市利用地理信息系统、互联网和移动通信等 对城市进行数字化建模、存储和展示形成一个虚拟的城市副本通过将城市人和物 数 字 化来优化城市数字孪生城市通过 实现精确映射、虚实融合和智能反馈完成物理城市和数字城市之间的双向动态交互通过在虚拟空间重构现实城市从 而 重 新观察、认知、理解、控制、改变和发展城市 .城市虚实融合的实现和优化方面智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市都需要一定程度的物理城市和 所构建的虚拟空间城市之间的连接和虚实交互从而达到能够实时反映城市的变化提供智能服务和决策支持以及优化城市的发展、服务和效果(三)逻辑边界这些城市内涵中还包含各自不同的侧重点突出了它们的区别与边界主要表现在以下四个方面.虚实融合的程度及方向方面数字城市侧重于强调将物理城市映射到数字空间形成一个静态或动态的虚拟副本 智能城市和智慧城市则侧重于将数字空间的数据和服务反馈到物理空间形成一个单向或双向的动态交互城市数字孪生城市则侧重于将物理空间和数字空间完全融合形成一个双向且实时的动态交互城市相比智能城市或智慧城市更强调实时的事务性响应 .城市数据的类型和质量方面数字城市侧重于利用结构化数据如地图数据、统计数据等来反映城市的基本特征 智能城市和新疆社科论坛 年第 期 .智慧城市则更多地侧重于利用多源异构数据如传感器数据、社交媒体数据等来挖掘城市复杂现象背后的本质着重于智能、自主和知识发现 数字孪生城市则侧重于利用高精度高实时性数据如卫星遥感数据、无人机航拍数据等来描述城市的精细细节重在刻画城市的虚实相生.城市虚拟模型的精度和规模方面数字城市重在构建一个宏观或中观层面的虚拟模型如二维或三维地图、建筑模型等 智能城市和智慧城市则是构建一个微观或中观层面的虚拟模型如人口模型、交通模型等利用算法体现知识和智能 数字孪生城市则重点在构建一个全尺度全要素的虚拟模型如物理模型、功能模型等.城市智能服务的类型和范围方面数字城市表现为提供一些基础的信息服务如地理查询、导航路线等 智能城市和智慧城市则是提供一些高级的分析服务如预测分析、优化分析等知识发现而数字孪生城市则是提供一些创新的交互服务如仿真演练、协同决策等(四)概念层次王国平在总结智慧城市概念沿革中将智慧城市建设划分为 个阶段即智慧城市.、智慧城市.和智慧城市.王国平认为智慧城市.是由 公司提出的利用各种信息技术或创新意念集成城市的组成系统和服务智慧城市.是智能城市智慧城市.是以新基建为路径的新型智慧城市 马双认为“智能城市”的概念是基于知识社会和数字城市提出的 智能城市运用信息技术改造工作和生活“智能”意味着城市具备促进学习、发展和创新的能力 可见数字城市是智能城市的基础、智能城市又是智慧城市的基础 同时智慧城市相比智能城市、数字城市和数字孪生城市显得综合性更强 智能城市、数字城市和数字孪生城市更像是城市建设中不同阶段或不同侧重点的描述即城市实践的延展层次从数字城市走向数字孪生城市、智能城市和智慧城市三、演变逻辑智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市概念之间具有明显的演进、继承、补充、协作的演变关系在时间和地域上呈现出特征明显的演变逻辑(一)演变关系在演进和继承关系上智能城市最早被明确描述出来之后是智慧城市、数字城市和数字孪生城市 研究智慧城市的学者们将数字城市、数字孪生城市和智能城市视为智慧城市的数字化平台和资源基础 例如朱桂龙、樊霞认为智慧城市是数字城市、智能城市发展到一定阶段的必然结果 李德仁将智慧城市用易于理解的简单公式表达即“智慧城市 数字城市 物联网 云计算”这便是此种演进和继承关系的高度概括在补充和协作关系上数字城市、智能城市、智慧城市和数字孪生城市并不相互排斥或取代而是相互补充和协作 其为了实现城市的可持续发展和解决城市发展中存在的问题从不同的方面或侧重点提供解决方案为城市居民提供幸福生活而服务 它们通过数据共享、平台集成、标准制定等在不同的层面、尺度、领域和场景中发挥各自的优势和功能而达到城市建设的共存、协同效应 正如 和 在智慧城市和数字城市的对比研究中指出的尽管智慧城市和数字城市有相当部分的重叠但智慧城市和数字城市定义了城市不同的发展路径它们使用的工具不同实现的目标也不同它们之间相互协作提高城市的生活质量数字城市、数字孪生城市、智能城市和智慧城市都可以在智慧城市大框架内通过国际合作进行交流、借鉴共同推动全球范围内的城市发展(二)时间和地域上的演变在时间演变上智能城市最先被提出来其次是智慧城市和数字城市 但随着 特别是新一代信息技术的发展以数字城市为代表的城市建设发展最快 数字城市利用地理信息系统和互联网技术对城市的空间信息进行数字化建模和展示形成一个虚拟的城市副本为城市规划和管理提供支持成为城市建设的新宠 而智能城市和智慧城市主要是随着城市数字积累和发展特别是物联网、云计算、人工智能等 的快速跟进对城市的各种信息进行数据收集、分析和优化提高城市的管理水平、服务质量和创新能力的支撑增强从而促进智能城市和智慧城市的快速发展 最新出现的数字孪生城市概念则基于新一代/技术的快速发展能够支撑利用精确映射、虚实融合和智能反馈等技术实现物理城市和数字城市之间的双向动态交互从而能够观察、认知、理解、控制和改变物理世界从而促新疆社科论坛 年第 期 .进数字孪生城市的发展 因此在时间上这些城市概念与 的突破和发展密切相关 中的技术发展或突破的程度决定了以此种技术为基础的城市概念快速发展在地域演变上数字城市、智能城市、智慧城市和数字孪生城市在不同的国家和地区有不同的发展水平、模式和案例这与各地的经济发展、社会需求、政策支持、技术创新等因素有关 例如在欧洲智慧城市表现为兼顾欧盟各成员国不同的国情、城市情况智慧城市主要是以市民为中心注重多方参与、社会参与和环境保护如荷兰的阿姆斯特丹、西班牙的巴塞罗那等在美国由于其绝对的科技霸权和科技实力智慧城市主要是以技术为驱动注重创新创业和竞争优势如纽约、圣弗朗西斯科等在亚洲由于近代以来的西方列强掠夺而相对落后发展成为主导其表现在智慧城市建设方面主要特征是以政府为引导注重基础设施建设和服务效率提升如中国、新加坡、韩国等国家的城市 而数字孪生城市则是一种新兴的概念目前还没有一个统一的标准或范例但已经有一些探索性的实践如中国杭州、日本东京、英国伦敦等 尽管这些城市概念不同各地提出的背景和实际情况不同但能够为各地的城市建设提供丰富的参考和支撑四、结语通过对智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市概念的辨析与演变分析不仅理清了各个城市概念的发展而且给城市理论和实践也带来影响第一通过抽取概念界定和辨析为城市理论提供新的视角和范式 数字城市、智能城市、智慧城市和数字孪生城市是基于 及其发展的创新应用它们为城市理论提供了新的视角和范式如城市信息化、城市智能化、城市服务化、城市泛在化等从而拓展了城市理论的研究内容、方法和范围 第二为城市实践提供新的工具和平台 智慧城市、智能城市、数字城市和数字孪生城市是基于 及其发展的创新应用为城市实践提供了新的工具和平台 如利用地理信息系统、物联网、云计算、人工智能等技术从而提高了城市实践的效率、质量和效果 智能城市、数字城市和数字孪生城市等不断动态发展的城市概念其内在逻辑与智慧城市并不重叠和冲突相反他们既是智慧城市发展的不同阶段又是城市发展的不同侧重方面的有益补充 这些城市概念之间有很强的关联性、协作性和借鉴性这无疑可为新时代城市建设明确建设目标和步骤提供借鉴和参考推进新时代城市化建设高质量发展注 释:.:():年 月第 页 :年第 期第 页 :年第 期第 页王广斌张雷刘洪磊:国内外智慧城市理论研究与实践思考科技进步与对策 年第 期第 页周向红常燕军:智慧城市发展脉络与基本规则论略河南社会科学 年第 期第 页朱桂龙樊霞:智慧城市建设理论与实践北京:科学出版社 年第 页.:.()年 月第 页 :.:()年第 期第 页巫细波杨再高:智慧城市理念与未来城市发展城市发展研究 年第 期第 页李德仁姚远邵振峰:智慧城市中的大数据武汉大学学报(信息科学版)年第 期第 页方卫华绪宗刚:智慧城市:内涵重构、主要困境及优化思路东南学术 年第 期第 页:年第 期第 页:年第 页牛伟蕊王彬武:国内外建筑业发展情况比较研究建筑 年第 期第 页黄天航刘瑞霖党安荣:欧洲智能城市发展研究新疆社科论坛 年第 期 .住区 年第 期第 页:年第 页史文勇李琦:数字城市:智能城市的初级阶段地学前缘 年第 期第 页陈如明:智能城市及智慧城市的概念、内涵与务实发展策略数字通信 年第 期第 页吴志强李翔周新刚等:基于智能城市评价指标体系的城市诊断城市规划学刊 年第 期第 页毕治方孙斌王路路等:国内外智慧城市群研究与实践述评科技和产业 年第 期第 页.(.):年第 页:年第 期第 页李琦刘纯波承继成:数字城市若干理论问题探讨地理与地理信息科学 年第 期第 页:.:年 月第 页李德仁邵振峰杨小敏:从数字城市到智慧城市的理论与实践地理空间信息 年第 期第 页姬德强蒋效妹朱泓宇:数字城市的内里与实践新闻与写作 年第 期第 页:年 月 第 页 :年第 期第 页/:/./.田颖高淑敏:浅析数字孪生城市的尺度观/国际城市规划 年第 期第 页 :年第 期第 页仇保兴陈蒙:数字孪生城市及其应用城市发展研究 年第 期第 页曹丽媛王昊张敬焱:习近平关于城市规划和建设重要论述的逻辑理路新疆社科论坛 年第 期第 页王国平:人工智能 城市发展新引擎城市开发 年第 期第 页马双:智慧城市:内涵、维度、评价与实践国外社会科学前沿 年第 期第 页责任编辑:郭 嘉 :.:新疆社科论坛 年第 期 .