开封市智慧城市评价与空间优化路径探索

张 超

（开封大学 土木建筑工程学院，河南 开封 475004）

0 引言

自IBM提出智慧地球和智慧城市解决方案（2008—2009）之后[1－3]，“智慧城市”开始进入大众视野，并迅速得到各国政府、企业和民众的关注。我国高度重视智慧城市建设，重视绿色发展、环境治理、生态文明建设，强调可持续发展，智慧城市建设已上升为我国的国家战略。国家出台了关于智慧城市评价的一系列标准，在此基础上，部分地市也制定了各自的标准。截至目前，我国95%的副省级城市、76%的地级市，总计超过500座城市明确提出了构建智慧城市的方案。国家层面的评价标准涵盖机制保障、基础设施、社会管理、生态宜居四个方面[4－8]。智慧城市的很多典型应用已经在一些西方国家实现[9－10]。不同等级的城市如何通过空间优化来实现智能化发展是亟待回答的问题。本文拟从“人本”视角出发探讨这一问题，首先构建一个“人本”导向的智慧城市评价指标体系，然后以河南省开封市为例，评估开封市智慧城市发展水平，探寻开封市智慧城市建设的优化路径。

1 评价指标体系

1．1 智慧城市系统

智慧城市旨在通过对基础设施（交通和信息通信技术）以及人力和社会资本进行投资的参与式治理，提高公民的生活质量，促进经济增长，并加强对自然资源的管理。这一概念确定了智慧城市的六个基本要素：智慧生活（生活质量）、智慧经济、智慧环境（自然资源）、智慧治理（参与）、智慧移动（交通和信息通信技术）和智慧人 （人力和社会资本）。基于此定义，引入国家智慧城市研究中心提出的以人为本、城市系统和资源流（PSF）模型来描述智慧城市系统。基于PSF模型，可以将智慧城市系统进一步划分为三层：输入层、应用层和目标层。

1．1．1 输入层

输入层保证资源交换，包括智能基础设施、人力和社会资本。计算技术（设备、网络和软件）的组合可以将基础设施与许多领域中的服务连接起来，这样，城市利用个人电脑、智能手机、相机、互联网、物联网等工具，运用机器学习、人工智能（AI）、大数据和云计算等技术，通过数据采集、数据传输、数据分析，可以实时监控关键基础设施，迅速应对城市挑战，从而有助于城市服务的优化。目前，智能城市处于技术创新的中心，全球智能城市对技术的依赖越来越大，没有技术，城市在未来将无法应对越来越大的挑战。

1．1．2 应用层

应用层主要与经济、环境和治理相关。在不同领域中应用各种先进技术可以有效促进城市发展，这使得通过数据的收集、转移和分析来处理经济、环境和治理问题成为可能。例如，通过提高生产率可以促进经济发展，通过提高能源效率可以提高环境质量，通过增加透明度可以提高治理质量，对人力资本和社会资本的投资可以促进经济增长，提高环境意识，使公民更多地参与公共问题。

1．1．3 目标层

智慧城市的最终目标是通过解决城市问题和提高城市系统的效率来提高公民的生活质量。目标层涉及实现一个更开放的社会，并在公共安全、医疗保健、住房、文化、教育、旅游和社会凝聚力等方面提高居民的生活质量。

1．2 评价指标

根据要素特征，可以将智慧城市划分为投入和产出两个维度。投入包括智能基础设施、人力和社会资本，而产出包括经济、环境和社会效益。智慧城市包含两个层级：输入层和输出层（应用层、目标层）。因此，本研究的投入包括智能基础设施和人力社会资本，产出包括智能经济和智能环境。本研究采用的城市智慧指数（Y）如表1所示。

表1 智慧城市评价指标体系

2 数据与方法

在开封市智慧城市评价指标体系中，以河南省17个地市2005～2018年间的数据作为数据输入，包括11项参数（见表1），238个样本（14年，17个单元），形成238＊11的矩阵。首先利用熵值法计算各参数的权重值，再采用与理想解相似的排序偏好技术（TOPSIS）对城市智慧指数（Y、X1～X15）进行评价。

2．1 熵权法

熵权法是一种计算权重的有效方法。智慧城市评价的238个单元11项参数可以用矩阵X表示。

公式中 m＝1，2，…，238；n＝1，2，…，11。

各参数权重矩阵计算方法如下：

步骤1：对所有指标进行数据标准化。

正向指标（X5－X12）按式（2）归一化，负向指标（X13－X15）按式（3）计算。

步骤2：计算熵值。

其中，k=1/ln（m）

步骤3：获得权重值。

2．2 TOPSIS 方法

TOPSIS方法是一种利用优、劣方案对一系列指标进行综合评价的有效方法，可以测度评价目标与理想方案的贴近程度。开封市16项智慧城市相关的指数（Y、X1～X15）计算步骤总结如下：

步骤1：计算每个指标的权重。

步骤2：确定理想与非理想方案。

其中J1代表正向指标，J2代表负向指标。

步骤3：计算每个城市到理想方案和非理想方案的欧氏距离。

步骤4：计算每个城市与理想方案的相对接近度。

Ci值越接近1，表示城市的智慧程度越高。因此，可以根据Ci值对城市智慧程度进行排序。

3 开封市智慧城市水平分析

3．1 总体水平

基于上述表1构建的智慧城市评价指标体系，从空间设施、经济、人力、环境四个方面分析开封市智慧城市发展水平。2005～2018年间，开封市智慧城市发展水平呈现缓步上升的趋势（见图1），城市智慧指数从2005年的0．049增长至2018年的0．139，年均增长9%，但与理想状态（各项指数均为1）还有较大差距。

图1 开封市智慧城市变化特征

智慧设施与智慧人力对开封市智慧发展水平的提高起重要作用。2005～2018年间，开封市智慧设施指数、智慧人力指数的平均值分别为0．13与0．12。智慧设施服务水平2015年的急剧波动造成了智慧城市水平的小幅震动，而智慧人力水平的增长态势比较平稳。

智慧经济对开封市智慧发展水平贡献较小，2005～2018年间开封市智慧经济指数的平均值仅为0．03，严重拉低了开封市智慧发展水平。虽然智慧经济水平增速较高，年均增速高达20%，但是基数相对较小，智慧经济对智慧城市的推动作用有待加强。

智慧环境对智慧城市发展的贡献度较高。开封市智慧指数的平均值为0．07，而其智慧环境指数的平均值为0．16，然而，该指数在2015年之后下降幅度较大，在0.01～0．04之间波动。

3．2 智慧设施

2005～2018年间，开封市智慧设施服务水平在波动中上升（见图1）。智慧设施指数从2005年的0．05增长至2018年的0．25，增长了4倍。2010年之前开封市智慧设施指数相对较低，稳定在0．1左右。2010年之后大幅增长，并且在2015年前后存在较大变化。这主要由两方面原因造成：开封市新能源公共交通的大量引进与高能耗公共汽车的缓慢淘汰造成智慧设施服务水平大幅提升。同时，开封市行政区划调整——撤县（开封县）设区（祥符区），城镇统计人口大幅增长，进而造成智慧设施服务水平又断崖式下降。

智慧设施服务水平的提高主要由手机拥有水平提高造成。手机拥有指数由2005年的0．03增长至2018年的0．26，年均增长率高达14%（见图2）。自2013年之后手机拥有水平均在0．21之上，拥有能力是2013年前的2．5倍以上。

图2 开封市智慧设施变化特征

公共交通供给水平的提高对智慧设施服务水平提高亦起重要作用。公交供给指数从2005年的0．07增长至2018年的0．20（见图2），年均增速高达18%（见图2）。2010年公交车供给指数稳定在0．1左右，之后快速增长。虽然2015年左右存在急剧波动，但总体供给水平有所提高。

宽带拥有水平起点低，增速快。宽带拥有指数从2005年的0．035增长至2018年的0．26，年均增速高达16%（见图2）。特别是2013年之后的宽带拥有水平比较高，平均拥有指数高达0．19，仅次于手机拥有指数。

3．3 智慧人力

2005～2018年间，开封市智慧人力指数变化比较平稳（见图1），从2005年的0．09增长至2018年的0．17，年均增速约为3．5%。这种平稳增长主要源于开封市大中专院校的招收规模基本稳定，大学生指数变化不大。同时，开封市的信息从业者规模较小，从业人员相对稳定。

具体而言，大学生指数从2005年的0．07增加至2018年的0．14，年均增速为5%左右，与理想值相距较大（见图3）。信息从业者指数在2005年至2018年间稳定在0．1左右，年均增速不足1%（见图3）。

图3 开封市智慧人力变化特征

图书指数从2005年的0．12增长至2018年的0．29，年均增速为5%左右（见图3）。虽然图书指数亦相对较低，但2015年之后增速较快，年均增速约30%。

开封市智慧城市发展水平与大学生指数、图书馆指数均存在显著的相关性，但与信息从业者指数的相关性的显著程度有所下降。这说明开封市的人力资源建设还比较孱弱，大学生的规模与质量、信息从业者的数量都需要进一步提升。

3．4 智慧经济

2005～2018年间，开封市智慧经济指数相对较低（见图1），从2005年至2018年间该指数平均为0．03，稳定在0．01～0．08左右。虽然该指数增幅比较大，年均增长速度为20%左右，但是智慧经济的基础非常薄弱，建成良好的智慧经济系统还需要较大的投入，特别是研发投入。

人均GDP指数的增长速度较快，从2005年的0．03增长至2018年的0．4，年均增长速度约为20%。但是，人均GDP对智慧城市的支撑作用一定程度上被专利指数抵消。虽然，2005年至2018年间专利指数呈指数增长，但是基数较小，仅为 0．0003，至 2018年该指数仅为 0．05（见图4）。

图4 开封市智慧经济变化特征

开封市智慧城市发展水平与人均GDP指数、专利指数均存在显著的相关性，但与河南省平均水平相比，人均GDP指数、专利指数的相关程度较低。

3．5 智慧环境

2005～2018年间，开封市智慧环境指数急剧下降（见图5），从2005年的0．26下降至2018年的0．02，每年以17%的速度下降。工业废水排放指数从2005年的0．29下降至2018年的0．02，年均下降幅度约为19%。二氧化硫排放指数从2005年的0．11下降至2018年的0．002，年均下降幅度约为6%。烟尘排放指数由2005年的0．28下降至2018年的0．001，年均下降幅度20%。需要特别地指出，开封市智慧城市指数与工业废水排放指数、烟尘排放指数呈显著的负相关。

图5 开封市智慧环境变化特征

4 开封市智慧城市建设优化措施建议

基于上述分析，开封市智慧城市建设应该在以下几个方面进行优化：

（1）提高智慧公共交通服务水平。公共交通供给指数、手机拥有指数与城市建设水平密切相关。随着数字城市向智慧城市发展的不断深入，以物联网和云计算为支撑的智慧型基础设施已经初露端倪。开封市可以智慧型基础设施建设为基础，以智能手机为桥梁，切实提高智慧设施建设水平。

（2）加强智慧人力资源建设。开封市的智慧人力指数常年平稳但水平较低。在新一轮城市扩张过程中，“人才”成为提升城市综合实力的关键，全国大、中城市“抢人”大战此起彼伏。开封可以结合当地大中专院校的优势学科，形成产、学、研结合的人才培养体系与产业运行模式。

（3）增加研发投入与科研产出，促进智慧经济建设。智慧城市是建立在更先进、更全面、更综合、更高效、更便捷、更互通、更智能和更安全的现代技术之上的，其建设会催生一大批新兴产业和促进传统产业升级。开封市应该抓住智慧城市建设的新机遇，除了要与智慧人力资源建设协同外，还要狠抓研发投入与科研产出，进而促进智慧经济建设。

（4）营造更好的智慧环境。开封市智慧环境指数经历了直线式下降的历程。在生态文明建设背景下，开封市可以以智慧经济促进智慧环境建设，通过产业升级与转型、排污／除污技术进步进一步降低污染物排放强度。

（5）开辟功能明确的空间优化路径。智慧设施、智慧人力、智慧经济与智慧环境建设均需落实在地域空间上。开封市应以空间公正为最终目标，以智慧基础设施建设为主要抓手，以科技人员的研发与产出为动力，明确不同地域空间智慧城市的发展路径。