智慧城市，大數(shù)據(jù)和城市政策：以數(shù)字化基礎設施與智慧交通建設等為例

　　大數(shù)據(jù)分析開啟了城市研究、規(guī)劃和政策的新時代。高頻數(shù)據(jù)中的實時數(shù)據(jù)挖掘和模式檢測現(xiàn)在可以大規(guī)模進行。作為更循證的城市主義的一部分，新的分析實踐可以幫助智慧城市更順暢地做出決策。在本文中，我們討論了大數(shù)據(jù)對長期城市政策和規(guī)劃的價值和局限性。我們首先建立了一個關于城市分析的理論視角，將其作為一種實踐，作為新智慧城市主義的一部分。我們確定了高頻數(shù)據(jù)的暫時性和城市面臨的長期結構性挑戰(zhàn)的矛盾。利用使用大城市數(shù)據(jù)的實證研究，我們強調了基于戰(zhàn)略目的的高頻數(shù)據(jù)分析所帶來的認識論和實踐挑戰(zhàn)，并就城市分析如何為長期城市政策提供信息提出了建議。
 

　　大數(shù)據(jù)和數(shù)字技術在智慧城市系統(tǒng)的應用中十分重要。數(shù)字技術和城市物理結構的結合，使大數(shù)據(jù)分析有望在實時預測、提升效率和居民行動便捷度等方面發(fā)揮顯著作用。通過物聯(lián)網(wǎng)連接到傳感設備并組合處理不間斷的數(shù)據(jù)流，城市系統(tǒng)有望實現(xiàn)新的決策方式：即在某些情況下，這些決策可以在很少人為干預的情況下實現(xiàn)自動化。
 

　　然而，大數(shù)據(jù)對城市智慧城市的戰(zhàn)略價值的研究涉及到了時間跨度矛盾：即快速動態(tài)的高頻數(shù)據(jù)處理與政策和城市結構的緩慢長期動態(tài)的矛盾。為了解決這一問題，我們需要對大數(shù)據(jù)的條件進行進一步的研究。一方面是高頻數(shù)據(jù)和實時反饋的對比，一方面是長期結構性動態(tài)研究產生了的認識論上的挑戰(zhàn)。以智能交通管理為例，分析驅動的智能交通管理可能會使日常出行更加順暢，從而進一步鼓勵居民出行——這種現(xiàn)象被稱為交通規(guī)劃中的“誘導需求(induce demand)”或流動性。更便捷的交通鼓勵居民更改住房規(guī)劃，從而影響城市的晝夜和住房情況。大數(shù)據(jù)針對特定目標輸出的政策結果會影響居民的下一步行動，而這一行動是難以被預測的。這種認識論的問題需要學者對大數(shù)據(jù)的快速時間尺度和城市空間組織的緩慢動態(tài)之間的協(xié)調進行批判性討論。因此，學者需要批判性地衡量大數(shù)據(jù)價值，特別是城市系統(tǒng)中的時間性和因果關系問題。
 

　　本文的研究目標是找到城市分析在哪些條件下可以為長期城市政策提供有效信息。我們總結了過去學者關于智慧城市的辯論，然后利用當代社會科學理論來繪制城市分析的起源，并將其時間概念化。隨后，我們闡述了城市分析的特征并找到長期城市政策的動態(tài)分析中產生的實際的、認識論問題。最后，我們開發(fā)了6個命題，以確定城市分析可以有效地為戰(zhàn)略、長期城市政策提供信息的條件，并對調查和擴展這些命題的研究提出了建議。
 

　　▍智慧城市和城市分析
 

　　智慧城市計劃如今受到了廣泛的學術辯論。在許多文獻中，智慧城市被視為建立在城市活動和人類進步基礎上的技術解決方案，體現(xiàn)了城市該如何組織、設計和管理的共識。另一種觀點認為，智慧城市主要是公民對未來城市的想象推動了當代城市建設的方法。智慧城市概念由企業(yè)家、專家、智庫和科學家組成的關系網(wǎng)絡發(fā)起、調研并實踐，使智慧城市概念作為一種規(guī)劃和管理新方式逐漸成熟。
 

　　從以上角度看，有一些有影響力的團體推動了智能城市主義的形成，從分享思路、資源、主觀傾向到越來越多的關注學術部分(如機器學習)，學術的地位顯著提高。我們可以說，城市分析并不是一套定義明確的技術方法，而是由一套在社會、政治和學術背景下進行的綜合實踐。在我們更為密切地研究城市分析在城市決策的作用前，我們首先闡述導致城市系統(tǒng)中廣泛嵌入傳感技術和處理技術這一社會趨勢。
 

　　▍交通工具和城市大數(shù)據(jù)
 

　　在長期以來關于數(shù)字技術及其對城市的影響的爭論中，交通工具提供了一個基于實踐的視角，通過它可以將數(shù)字技術在城市的嵌入概念化——交通、信息和通訊技術與社會空間共同進化，導致社會互動愈加廣泛。例如，由于交通和通訊技術的存在，人們得以在更大的距離下維持社會關系，進一步的社會功能性對更遠距離的交通和數(shù)據(jù)通訊提出了要求，這依賴于捆綁在日益復雜的基礎設施中的TICT。這種基礎設施包括鐵路網(wǎng)絡、汽車、移動電話網(wǎng)絡等。在這個共同進化的流動性的循環(huán)中，進一步擴大的時空距離為移動系統(tǒng)的數(shù)字化技術提了更高的要求，數(shù)字技術更廣泛地嵌入到物理環(huán)境中，隨后，由數(shù)字輸入和控制的TICT又進一步推動了數(shù)字化和專家知識。在這一不可逆轉的過程中，我們認為，在處理物理-數(shù)字移動系統(tǒng)產生的數(shù)據(jù)時，城市分析是一種實踐。
 

　　交通的這一現(xiàn)象為智慧城市主義興起過程提供了社會解釋。同樣，計算機社會科學的出現(xiàn)也可以被看作是這一流動性的結果。遠程處理和云計算技術下的學界和商界的頻繁合作，進一步推動了數(shù)字移動技術，從而反過來促進了二者的進一步的聯(lián)合。
 

　　我們期待未來城市分析足以預測并處理這一流動性現(xiàn)象，尤其是技術參與后引發(fā)的連鎖反應——雖然這超越了大數(shù)據(jù)分析過程中對某一特定需求的滿足。當然，無論這一技術對社會目標的潛在貢獻如何，城市分析都會受到一定利益聯(lián)盟的積極推動，這些聯(lián)盟在廣泛意義上推動了智能城市主義。但是此外，學者們還發(fā)現(xiàn)了一個問題，智慧城市主義特征具有實時性：大數(shù)據(jù)在城市運營中會優(yōu)先考慮實時性，而不是規(guī)劃長期戰(zhàn)略，且這一趨勢可能會進一步擴大。
 

　　對城市分析和政策制定的關系，學者針對時間性問題提出了兩個認識論問題。1. 快速動態(tài)的分析促進了對城市什么樣的理解，并在多大程度上適用于城市政策通常關注的一般和深層次的因果動態(tài)？2. 城市分析通過算法改變、同步或規(guī)范城市行為體的實踐來研究和理解城市，這影響了我們通過數(shù)據(jù)了解行為體進一步動作能力。因此，我們觀察到的任何模式是人類和技術運行相互影響下的結果；在不斷變化的人與制度的相互作用背景下，改變大數(shù)據(jù)的固有誤差的本質是尋求城市系統(tǒng)中復雜的因果關系。我們將在下文探討這兩個問題。
 

　　▍城市分析的意義
 

　　為了確認城市分析的顯著特征，我們以交通卡為例。交通卡自動在公共交通系統(tǒng)上收費，從而產生與絕大多數(shù)乘客有關的旅行記錄。其優(yōu)勢在于覆蓋面廣、樣本量大和準確性高。
 

　　4.1 刻畫日常運動中的快速城市動態(tài)
 

　　智能卡記錄的覆蓋范圍和準確性使記錄出行特征，提取大量樣本成為可能。為了研究這種高頻數(shù)據(jù)集可以在多大程度上為政策提供信息，我們調用了倫敦交通卡信息。交通卡支付方式在涵蓋了倫敦地鐵85%的支付，包括乘客500萬人次，11條地鐵線和270個車站，乘客必須在旅程的始終點刷卡。這些數(shù)據(jù)除了出入時間和地點、支付狀態(tài)，以及乘客身份外，沒有其他屬性。由此，我們得到關于起點(O)和目的地(D)的數(shù)據(jù)，并使用Dijkstra標準算法，通過確認最短路線來推斷乘坐路線。這些數(shù)據(jù)有助于在分鐘水平上捕捉和描述出行習慣，并從給定時間段的重復出行的時空特征中推斷出人們的日常出行情況。
 

　　通過檢查，我們發(fā)現(xiàn)，在分析角度所能接受的最短時間內(如1，2，5，10分鐘)，受試者在工作日的概況存在很大的異質性，這意味著超過一半的乘客沒有固定的日常活動。這一特征在綜合數(shù)據(jù)中難以發(fā)現(xiàn)，只能通過在個體樣本上挖掘高頻數(shù)據(jù)來識別。為了探索規(guī)律，我們進行跨站分析，并根據(jù)每對軌跡之間的相似性對它們進行分析。我們選擇任意兩個時間段，并計算每個站點的出行量之間的相似性。簡而言之，這種比較是在任意兩個時間點之間，以24小時內每20分鐘為間隔，就所有270個車站在每個時間點的出行量進行比較。
 

　　圖1顯示了任何一對時間段的概況。圖1(A)顯示了任何一對時間段與所有站點的行程量之間的相關密度。在這里，我們根據(jù)交通量的等級重新排列了這些剖面，然后將其作為每個時間段車站的每對排序剖面之間的歸一化差異進行比較，如圖1(B)。在圖1(C)中，我們計算了相似性的集。從圖1(A)中看出，第一組(早高峰：7:00-9:00)存在高相關性，即所有站點的運量與每個站點的相關性都相當高。第二組(10:00-15:30) 存在類似時段，但總行程和總數(shù)量大幅度減少，矩陣仍然在時間模式上而不是在總體體量上顯示出相似性。第三組(晚高峰: 16:00-19:00)也出現(xiàn)了相似但更清晰的模式。
 

　　為了提供旅行概況的詳細解釋，我們需要對出行的性質和地點及環(huán)境概況做出假設，包括城市在工作周的旅行分布結構、不同城市活動相關需求高峰。我們需要提取數(shù)據(jù)結構，然后進行可視化數(shù)據(jù)的方式處理。因此，可視化、識別和解釋模式是一個循環(huán)的過程，它依賴于關于城市系統(tǒng)如何運行的外部數(shù)據(jù)、信息和理論，這種依賴隨著高頻數(shù)據(jù)分析技術進步將進一步增加。
 

　　4.2 長期框架下的高頻數(shù)據(jù)處理

 

　　本研究的研究核心是因果關系。過去，在超過幾個月的時間框架內處理智能卡數(shù)據(jù)的研究很少見，許多開拓性研究的重點在于刻畫不同層次的趨勢，而不是系統(tǒng)性的解釋。為了探究長期框架下的因果關系，Kandt和Leak(2019)研究了伯明翰地區(qū)2011-2016年66歲及以上乘客進行的3億筆智能卡交易數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn), 六年以來乘客人數(shù)明顯下降。為了從因果關系的角度解釋該結果，我們利用低頻背景數(shù)據(jù)、UK人口普查社區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和年中人口估計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在對免費公交車依賴程度通常更高的較貧窮社區(qū)，乘車人數(shù)下降尤為明顯。由此，我們能夠得到與政策相關的因果假設(表1)，最后通過三角互證衡量假設的合理性。
 

　　以上研究表明，從長期高頻數(shù)據(jù)中推導因果結論需要許多要素: 基于理論的解釋、情境化和三角互證檢驗等。這與短期傳統(tǒng)計算方法形成了對比，后者的行為一般是檢測并分析當前數(shù)據(jù)，設計模式使符合采樣標準的乘客改變當前行為。這種自動化方法在實現(xiàn)短期目標方面可能是有效的，但在長期城市規(guī)劃和政策背景下，由于未深究流動性的根本社會原因且未考慮主體和技術之間的相互作用，常常不能有效提供政策依據(jù)。
 

　　那么，我們如何在大數(shù)據(jù)中解釋長期模型呢？社會實踐理論及其支持證據(jù)表明，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)不同，對大數(shù)據(jù)認知的解釋會內在地受到解釋者的主觀因素影響。我們定義兩個數(shù)據(jù)維度：技術(交通、基礎設施)和主體(乘客、時間、路線)并研究數(shù)據(jù)捕獲技術的實施方法、主體的行為影響以及二者在日常生活中的交互。從交通角度對智慧城市主義的推理中可以得出，交通和乘客互相作用的變化可能是由相同的技術原因驅動的，宏觀的社會經濟環(huán)境決定了他們連接關系。智慧城市主義承載了政府、社會機構等團體規(guī)范流動性、降本增效的愿望，以市場為導向的治理風格作為更廣泛的經濟意識形態(tài)的一部分，所有這些同時影響建筑環(huán)境、社會、地理和物質生活條件等社會中的各個方面。
 

　　總而言之，城市分析及其實踐為智慧城市主義假設的提供短期、高頻數(shù)據(jù)反饋，有助于對城市系統(tǒng)的理解，因為它支持快速生成新的假設，這些假設可以使用小的、低頻的數(shù)據(jù)進行理論基礎和情景化。但與此同時，大數(shù)據(jù)并不能有效解決因果問題。
 

　　▍討論：城市分析和規(guī)劃
 

　　城市分析和規(guī)劃需要什么原則？本研究確認以下城市分析的定義和實用特征:
 

　　1.高頻數(shù)據(jù)中快速動態(tài)與城市結構變化的緩慢動態(tài)形成對比；
 

　　2.在解釋圖案時，主觀性程度高；
 

　　3.傳感和計算技術在基礎設施安裝的政治特征；
 

　　4.捕獲數(shù)據(jù)的復合特質。從某種意義上來說，大數(shù)據(jù)是傳感技術工作、數(shù)據(jù)主體活動極其相互作用的符合信號；
 

　　考慮到以上特征，我們就城市分析對戰(zhàn)略政策和規(guī)劃的價值提出了以下主張：
 

　　(1)城市大數(shù)據(jù)系統(tǒng)提供了新的假設
 

　　城市分析很少為城市政策問題提供直接答案，但通過利用以地理時間為背景的城市分析的理論視角，大規(guī)模城市數(shù)據(jù)作為開發(fā)新假設的探索性材料可以間接為城市系統(tǒng)提供新的思路。這意味著，大數(shù)據(jù)給城市研究和政策帶來的主要變化是更快的數(shù)據(jù)處理和分析速度和新的假設生成方式。
 

　　(2)理論更加重要
 

　　隨著數(shù)據(jù)集和模式數(shù)量的增加，理論在解釋模式方面變得更加重要。隱性的結果可以從現(xiàn)有的實證和實踐經驗中衍生出來。但為了透明地識別因果關系，也需要觀測數(shù)據(jù)主體的綜合社會環(huán)境和數(shù)據(jù)收集技術的結合。由于實踐-理論視角將大城市數(shù)據(jù)識別為人類行為、日益感知的環(huán)境及其相互作用的復合信號，這一視角為根據(jù)全面的因果域構建解釋提供了相關的框架。
 

　　(3)小數(shù)據(jù)集更加重要
 

　　小數(shù)據(jù)集不會被取代，反而需要被應用在建立模式的地理時間特征上以完善假設。大規(guī)模數(shù)據(jù)使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源在長期研究、政策規(guī)劃在戰(zhàn)略上變得更加重要，因為受控的、科學的數(shù)據(jù)收集所產生的數(shù)據(jù)精準性在情景化和三角測量上都至關重要。雖然傳統(tǒng)收集數(shù)據(jù)方法逐漸被淘汰，但在大數(shù)據(jù)分析中這類數(shù)據(jù)來源的使用頻率仍在增加。
 

　　(4)戰(zhàn)略洞察力依賴于長期證據(jù)
 

　　對于關注因果關系的城市政策，短期城市分析結果需要被長期情景所框定。從案例研究中發(fā)現(xiàn)，模式只能從長期活動數(shù)據(jù)中產生。迄今為止，由于數(shù)據(jù)傳輸和存儲方面的實際限制以及數(shù)據(jù)共享限制、隱私問題和商業(yè)或政府敏感性等原因，智慧城市進展一直受到阻礙。雖然在城市分析中有大量的數(shù)據(jù)可視化工作，但在長期背景下，具體的挑戰(zhàn)是決定在不斷增長的數(shù)據(jù)量中，應該保留、提取或丟棄哪些數(shù)據(jù)，以便它們成為城市戰(zhàn)略決策的資產。
 

　　(5)大數(shù)據(jù)洞察依賴于環(huán)境分析
 

　　城市感知技術的經驗在環(huán)境分析上的應用在過去研究中較少。城市分析的環(huán)境理論視角可以幫助理解解釋階段，如定量計算需要考慮城市傳感器的部署安排問題，從技術-主體的聯(lián)系出發(fā)，解開兩個維度的相互作用關系。更正式的方法中，我們可能會識別并囊括操作數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，例如公共交通網(wǎng)絡變化的變量。更廣泛的環(huán)境包括私營公司、學界、城市部門等行為者的決定，他們可能積極推動技術的部署以確保持續(xù)性回報。這些與城市機構如何運作、它們如何在基礎設施中安裝傳感器和設備、如何投資和使用城市信息平臺，以及這如何影響長期城市政策所需的因果推理有關。
 

　　▍結束語
 

　　綜合來說，如果通過工具理性制定數(shù)據(jù)驅動的城市政策，自動化的軟件分類將成為組織城市的有效基礎。隨著人們對日益復雜的物理-數(shù)字系統(tǒng)的依賴增加，城市機構可能會重現(xiàn)現(xiàn)有的權力關系，并擴大技術專家的影響力。
 

　　在這種社會背景下，我們確認了分析高頻數(shù)據(jù)的認識論和實踐挑戰(zhàn)，并發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)和城市分析可能以比以前更快的速度產生新的假設。我們認為，在透明的理論基礎和地理時間環(huán)境下，假設的合理性和戰(zhàn)略價值都將得以實現(xiàn)。
 

　　很明顯，在城市分析方面還需要進一步的概念和經驗性工作，以解決在城市政策背景下出現(xiàn)的認識論和規(guī)范性挑戰(zhàn)。在討論我們有關城市分析的六個命題時，我們確定了一些研究需求，這些需求將有助于討論。
 

　　1.更多關注在特定制度環(huán)境下解釋大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的模式所涉及的認知過程。在調查數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)主體提供信息，但是理論推理和情景化步驟在大數(shù)據(jù)分析實踐中有更大作用。
 

　　2.需要對城市分析相關技術在特定地理、社會和時間背景下的投資和安裝方式進行研究。大數(shù)據(jù)的情景敏感性意味著，城市分析應該將重點從單一的“人類”作為數(shù)據(jù)主體，擴大到人和技術的交互，即技術和社會的相互作用。換句話說，城市分析應該放棄其行為主義取向，關注在城市系統(tǒng)作用下的人類行為和監(jiān)管特征等符合信號，為應對城市面臨的長期社會挑戰(zhàn)和政策反饋提供信息。
 

　　3.研究應該推進對城市長期趨勢的全面框架制定，以修正快速動態(tài)信息處理結果。大的城市數(shù)據(jù)需要消除時間規(guī)模的問題以適用長期社會模型。