面向主題的智慧城市指標體系裁剪方法

熊風光，韓 燮，況立群，韓慧妍，劉 磊，侯德建，陳 霖，宋寧棟，謝帥康

(中北大學 大數(shù)據(jù)學院，山西 太原 030051)

0 引 言

近年來，隨著城市規(guī)模和城市化水平的不斷提升，交通擁堵、環(huán)境污染、教育不公和醫(yī)療保障不全、看病貴就醫(yī)難、城市服務滯后、經(jīng)濟發(fā)展不平衡等一系列“城市病”日益嚴重，人們對“城市管理者如何利用5G、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新一代信息技術(shù)建設(shè)智慧城市”的呼聲也愈發(fā)強烈，冀望于依托最新信息技術(shù)的智慧城市能給城市治理帶來新的技術(shù)路徑和治理方案，使城市管理更科學，使市民生活更美好，使經(jīng)濟發(fā)展更具競爭力，使城市發(fā)展更加可持續(xù)[1]。

為響應國家的號召、契合智慧城市的發(fā)展需要，各級政府在國家各部委的支持下開展了側(cè)重點不同的智慧城市試點工作，進行了有益的探索，取得了一些可喜的成績。但是，伴隨著智慧城市如火如荼的建設(shè)，智慧城市的評價指標體系建設(shè)或研究也在進行中，人們迫切地需要一套指標體系來衡量或評測城市的智慧程度，并以此標準來指導智慧城市的建設(shè)和發(fā)展。國內(nèi)外的研究機構(gòu)為此展開了一系列研究工作。

在國外，國際標準化組織城市可持續(xù)發(fā)展技術(shù)委員會提出并制定了《城市可持續(xù)發(fā)展 智慧城市指標》[2]，以可持續(xù)發(fā)展作為總體原則，涵蓋了經(jīng)濟、教育、能源、政務、醫(yī)療、住房等19個主題，涉及80項具體指標，分別映射到聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展的17個目標中；國際標準化組織國際電工委員會的第一聯(lián)合技術(shù)委員會提出并制定了《信息技術(shù) 智慧城市信息通訊技術(shù)評價指標》[3]，該指標體系針對智慧城市信息通訊技術(shù)基礎(chǔ)支撐能力、信息通訊技術(shù)應用服務水平而制定，共設(shè)置6個一級指標、19個二級指標、57個指標分項，以用于評估城市智慧化建設(shè)水平和質(zhì)量；維也納理工大學區(qū)域科學中心團隊就歐盟28個國家內(nèi)人口超過10萬的468個城市進行了智慧化的深入調(diào)研，確定了智慧城市發(fā)展的3大元素以及6個一級指標、31個二級指標和74個三級指標[4]。在國內(nèi)，2016年國家發(fā)展改革委和中央網(wǎng)信辦制定了《新型智慧城市評價指標》[5]國家標準，該指標體系以“以人為本、惠民便民、績效導向、客觀量化”為原則，分客觀指標、主觀指標、自選指標三部分，共涉及8個一級指標、21個二級指標和54個二級指標分項；2018年，國家發(fā)展改革委和中央網(wǎng)信辦對原指標體系進行了調(diào)整，形成了《新型智慧城市評價指標(2018)》[6]，共涉及8個一級指標、24個二級指標和52個三級指標的體系，其中“網(wǎng)絡安全”不再占有權(quán)重，改為扣分指標；中國標準化研究院、新加坡公共事務對外合作局和ISO國際專家組成聯(lián)合團隊共同制定了《中新天津生態(tài)城智慧城市指標體系》[1,7]，該指標體系按照“統(tǒng)一共享、面向應用”的原則，具體設(shè)定“基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)服務、智慧環(huán)境、智慧治理、智慧經(jīng)濟、智慧民生”等6類一級指標，根據(jù)先行示范、效果導向、突出特色、數(shù)據(jù)綜合等要求，確定了30項二級指標。

分析以上研究不難發(fā)現(xiàn)：目前智慧城市評價指標體系皆為全方位的衡量城市的智慧程度，故而指標項面面俱到、類別繁多，沒能做到在大而全的指標體系中兼顧突出某類主題，如文明、商業(yè)、教育等等，以致測評的結(jié)果并不能全面反映具體智慧城市的內(nèi)涵，進而無法針對城市的特點、特色或者缺陷，為后續(xù)的智慧城市建設(shè)的策略-充分發(fā)揮城市的特長或者補足城市發(fā)展短板-提供支撐，甚至無法支持城市后續(xù)的智慧城市建設(shè)[8-9]。

該文面向主題的指標體系裁剪方法的原則是：體現(xiàn)主題，兼顧總體。兼顧總體體現(xiàn)為面向主題的指標體系是以現(xiàn)有國內(nèi)外指標體系為提前的，一一繼承了指標體系中的指標項；體現(xiàn)主題表現(xiàn)為面向主題的指標體系中的指標項的權(quán)重會做出調(diào)整，與主題相關(guān)的指標項權(quán)重會增大，相反則會減少，同時權(quán)重過低的指標項還會從指標體系中裁減掉，此即為指標項的裁剪。具體過程為：結(jié)合國內(nèi)外智慧城市評價指標體系，生成面向主題的指標體系，并通過層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP[10-12])調(diào)整指標項權(quán)重，實現(xiàn)指標項的自動裁剪，最終構(gòu)建出面向主題的智慧城市指標體系。

1 指標體系和主題庫的構(gòu)建與城市屬性管理

面向主題的指標體系是建立在現(xiàn)有國內(nèi)外指標體系的基礎(chǔ)上，故而構(gòu)建主題需要先創(chuàng)建指標體系并存于數(shù)據(jù)庫表中；同時，為了驗證經(jīng)由裁剪生成的面向主題的指標體系的合理性，需要實際機構(gòu)(城市)的信息，故而也需要管理機構(gòu)的相關(guān)屬性。

1.1 指標體系的構(gòu)建

針對國內(nèi)外智慧城市指標體系的指標項的結(jié)構(gòu)深度不固定(一般為二級或者三級結(jié)構(gòu))的問題，該文定義指標體系中指標項的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：ID、Name、Sort、PID和Note。其中，ID為該指標項/指標體系的編號，其值具有唯一性，且不可為空；Name為該指標項/指標體系的名稱；Sort的值則分為兩種情況：如果當前數(shù)據(jù)為指標體系，則其值為空，反之如為指標項，則為同一父節(jié)點下的同級指標項的排序序號；PID的值分為兩種情況：如果當前節(jié)點為指標體系則PID為空，反之如為指標項，其值則為父節(jié)點的編號；Note為該指標項/指標體系的備注。依據(jù)如此方式構(gòu)建的單個指標體系為樹結(jié)構(gòu)，可以通過層次化、組件化進行管理，其可視化的結(jié)果如圖1所示。

圖1 指標體系可視化界面

1.2 主題庫構(gòu)建

主題庫為存放著用戶構(gòu)建的若干基于主題的指標體系，每個主題的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：ID，Name，IndexID，Desc和CreatTime。其中ID為主題編號，Name為主題名稱，IndexID為該主題所關(guān)聯(lián)的指標體系編號(通過該編號可以獲取到指標體系的名稱)，Desc為該主題的描述性文字，CreatTime為該主題創(chuàng)建的時間。主題庫管理界面如圖2所示。

圖2 主題庫界面

1.3 機構(gòu)屬性管理

機構(gòu)屬性主要管理著全國測評市、縣和區(qū)的信息，每個機構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：Jgid，Jgmc，F(xiàn)jgmc，municipality、provincial_capital和sub_provincial_level。其中Jgid為機構(gòu)編號，Jgmc為機構(gòu)名稱，F(xiàn)jgmc為父級機構(gòu)名稱，municipality為是否為直轄市，provincial_capital為是否為省會城市，sub_provincial_level為是否為副省級。機構(gòu)屬性管理界面如圖3所示。

圖3 城市屬性管理界面

2 面向主題的指標體系裁剪

2.1 數(shù)據(jù)來源

該文所需實驗數(shù)據(jù)來源于國家新型智慧城市建設(shè)部際協(xié)調(diào)工作組發(fā)布的《新型智慧城市發(fā)展報告2017》，該報告中給出了2016年新型智慧城市評價分領(lǐng)域和總分前130名城市評價數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源真實可靠，最大程度上保證該文后期實例驗證的可靠性和科學性。同時，從專家?guī)熘羞x擇八名專家對指標進行重要性標度，專家們分別來自政府、高校、研究所和企業(yè)，均直接參與智慧城市建設(shè)管理或智慧城市評價研究，理解智慧城市的內(nèi)涵，對指標項標度的可靠性更高。

2.2 基于層次分析法的指標裁剪方法

層次分析法是一種解決多目標的復雜問題的定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，其將與決策相關(guān)的指標分解為目標層、準則層和方案層，并構(gòu)造兩兩指標重要性對比的判斷矩陣，由此分析各項指標項的權(quán)重，將其作為決策的基礎(chǔ)[13]?；趯哟畏治龇ǖ闹笜瞬眉舴椒ǖ牟襟E如下：

(1)根據(jù)專家的建議并參照重要性標度定義表(見表1)，得到同一層次中各個指標的相對重要性賦值，構(gòu)造各層次的判斷矩陣A。I_i與I_j分別表示同一層次中的兩個指標，aij和aji分別表示I_i與I_j的重要性標度值，是判斷矩陣A中一個元素。判斷矩陣A如式(1)所示。

表1 重要性標度定義

(1)

(2)計算判斷矩陣的最大特征值和及其所對應的特征向量，該特征向量歸一化后即為同層各指標的權(quán)重向量W，并根據(jù)式(2)和式(3)進行一致性檢驗。其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值，n為同層指標項的個數(shù)，CI為一致性指標，RI為平均隨機一致性指標，其值見表2，CR為滿意一致性比例。如果CR≤0.1，則轉(zhuǎn)向步驟(4)，否則轉(zhuǎn)向步驟(3)調(diào)整判斷矩陣A。

表2 RI取值一覽

(2)

(3)

(3)當滿意一致性比例CR大于0.1時，調(diào)整判斷性矩陣。其主要是通過擾動矩陣[14]的概念，按照從大到小的順序?qū)ε袛嗑仃囍械脑豠ij進行調(diào)整，直至CR達到要求為止。其具體步驟如下所示：

(i)構(gòu)造一致性矩陣M，如式(4)所示，其中wi為權(quán)重W中的元素。

(4)

(ii)構(gòu)造擾動矩陣D，如式(5)所示，其中aij為判斷矩陣A中的元素。

D=A-M=

(5)

(v)調(diào)整后的判斷矩陣記為Ak(k為調(diào)整的次數(shù))，轉(zhuǎn)向步驟(2)。

(4)基于同層指標項的權(quán)重向量W的值對對應指標項進行裁剪，其具體步驟如下所示:

(i)對W的元素按照從小到大的順序重新排序，排序后的權(quán)重向量記為W'。

(iv)如果W'中所有的元素均被訪問，則裁剪結(jié)束，否則調(diào)到步驟(ii)。

基于以上步驟，借助于AHP方法，在實現(xiàn)對每層指標項權(quán)重分配的同時，也完成了對指標項的裁剪工作。

3 實例驗證

該文創(chuàng)建主題：智慧旅游，通過該主題來對2016年的新型智慧城市指標體系(如圖4所示，簡稱智慧城市指標體系)進行指標裁剪，并通過具體城市在該主題下的測評數(shù)據(jù)，來驗證所提出的指標體系裁剪方法的可行性。

圖4 新型智慧城市評價指標體系(2016)

智慧旅游是基于5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息通信技術(shù)，與移動終端等相關(guān)物理設(shè)備進行集成和融合，將新興科學技術(shù)應用于旅游場景中，為游客的出行、住宿、飲食、安全提供便利化和精確化的服務，通過智能終端設(shè)備實施監(jiān)控景區(qū)狀況，控制景區(qū)人流量，對旅游人群數(shù)據(jù)分析處理[15]。根據(jù)《中國智慧旅游城市及城鎮(zhèn)建設(shè)指標體系》(簡稱旅游指標體系)，結(jié)合八位領(lǐng)域?qū)＜业慕ㄗh，針對智慧城市指標體系中8個一級評價指標與旅游指標體系中的5個一級評價指標(平安、誠信、服務、智能和宜游)的相關(guān)性，確定出智慧城市指標體系中8個一級評價指標的重要性(越相關(guān)則越重要)。例如，智慧城市指標體系中8個一級評價指標中的惠民服務和精準治理，其與游指標體系中的5個一級評價指標(平安、誠信、服務、智能和宜游)的相關(guān)性對比中，精準治理相較于惠民服務要更重要，二者的重要性對比為1∶2；同理，也可以給出精準治理相較于生態(tài)宜居、智能設(shè)施、信息資源、網(wǎng)絡安全、改革開放和市民體驗的重要性對比，并最終得到對比矩陣A，如式(6)所示。

(6)

基于判斷矩陣A，執(zhí)行該文提出的基于層次分析法的指標裁剪方法中的步驟(2)～步驟(4)，可得8個一級指標的權(quán)重分別為{0.249 8,0.110 5,0.072 6,0.130 4,0.088 2,0.038 9,0.151 5,0.158 1}；最后依據(jù)步驟(5)的要求，裁剪掉一級指標中的網(wǎng)絡安全，并將其權(quán)重均勻的分配給各個其他指標，故而最終裁剪后的一級指標及其權(quán)重分為：{惠民服務：0.255 4，精準治理：0.116 1，生態(tài)宜居：0.078 2，智能設(shè)施：0.136 0，信息資源：0.093 8，改革開放：0.157 1，市民體驗：0.163 7}。同理可得各個一級指標下裁剪的二級指標及其權(quán)重。該新生成的指標體系即為面向旅游主題的智慧城市指標體系(簡稱智慧旅游)。

將此智慧旅游應用到中國中部六個省會城市進行測評。每個二級指標原始得分情況參考2016版智慧城市評價數(shù)據(jù)，由此原始二級指標得分測評出該主題下一級指標的得分，如表3所示，通過一級指標中各個指標項的得分以及各自權(quán)重，即可算出在主題下各個城市的測評得分。

表3 中部6省會城市智慧旅游評價得分

從表3中可以看出，剔除掉太原，武漢、合肥、南昌、鄭州和長沙等城市在智慧旅游的排名順序與在智慧城市排名順序一致，說明這些城市在進行智慧城市建設(shè)時，也非常重視其自身旅游資源的建設(shè)，排名第一的武漢市還曾經(jīng)榮獲中國智慧旅游城市稱號。太原市雖然在智慧城市中的排名墊底，但是其在智慧旅游排名順序較其在智慧城市中的排名上升了3名，究其原因在于：太原在歷史上是一座具有2500多年建城的古都，自古就有“錦繡太原城”的美譽；氣候上屬溫帶季風性氣候，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季鮮明；同時，近年來市政府一直致力于治山、治水、治氣、治城，傾力打造宜居城市，并且能夠積極響應打造智慧城市的號召，指定統(tǒng)籌、管理和運營機制。因此太原在生態(tài)宜居和改革創(chuàng)新分數(shù)較高，也使其智慧旅游特色較中部的南昌、鄭州和長沙更明顯。

4 結(jié)束語

以層次分析法為核心，提出了面向主題的指標體現(xiàn)裁剪方法，實現(xiàn)指標項動態(tài)裁剪。該方法基于現(xiàn)有的指標體系，結(jié)合主題特色，針對每一級的同層指標項，利用專家賦分，生成判斷矩陣，利用特征分解、一致性比例判斷和判斷矩陣調(diào)整等步驟生成該層指標項中每個指標的權(quán)重，并將權(quán)重低于0.05的指標項從該層指標項中剔除。將該方法應用于2016新型智慧城市指標體系，裁剪后生成面向旅游的指標體系-智慧旅游，并用該指標體系對中部6省會城市進行測評，實驗結(jié)果表明：該指標體系的測評結(jié)果與原指標體系下的測評結(jié)果大致相同；同時，對于與旅游主題特別符合的城市，在該指標體系的測評下表現(xiàn)突出，與在原指標體系的測評結(jié)果會有一定的提升。因此，利用該方法裁剪后的指標體系進行智慧城市測評，可為建設(shè)智慧城市提供輔助支撐，體現(xiàn)城市發(fā)展的特色，并在一定程度上促進智慧城市全面發(fā)展。