在数据和技术大爆发的当下，如何顺应时代趋势构建未来智慧城市，是所有城市共同面临的机遇和挑战。巴塞罗那作为西班牙第二大城市，在“用数据和技术塑造未来城市”的探索中走在了前沿。通过技术创新和数字化转型等方式，巴塞罗那将城市基础设施和公共服务等各个方面纳入智能化范畴，把城市打造得更为智慧、宜居。现如今，巴塞罗那将城市未来寄托于数字孪生，在数字孪生中集成城市海量数据和先进技术，以期实现更智慧、更高效的城市建设。
巴塞罗那：智慧城市的先行者
位于地中海畔的巴塞罗那一直以来都是人们眼中的历史文化名城和旅游胜地。然而在优美的风景之下，巴塞罗那的智慧城市建设也同样引人注目。作为智慧城市的先行者和倡导者，巴塞罗那自2011年以来持续推广并举办全球智慧城市大会，为世界各地提供一个关于智慧城市建设的最大的主题展会和交流平台。在2023年世界智慧城市大会上，巴塞罗那以“塑造城市未来，走进明日之城”为目标，展示了其在城市转型、数字创新等多方面的探索。
巴塞罗那通过积极推进城市物联网建设和数字化转型等举措，成功实现了从智慧城市1.0到智慧城市3.0的转变。在剑桥大学、延世大学联合出版的《智慧城市指数报告2022》（Smart City Index Report 2022）中，巴塞罗那排名第三。此外，2023年，在瞻博网络（Juniper Research）的欧洲智慧城市评选中巴塞罗那位列第三，仅次于柏林和伦敦。
巴塞罗那智慧城市发展历程，来源：笔者自绘
巴塞罗那智慧城市建设经历了3个阶段，展现了不同时期智慧城市的典型特征，完整地反映了智慧城市建设演变历程。在多年的智慧城市探索过程中，巴塞罗那完成了大量设施建设、数据积累和技术创新，并将其融入城市的方方面面，为智慧城市建设奠定了坚实的基础。
智慧城市1.0：企业技术创新奠定技术基础
在21世纪初，巴塞罗那就已经意识到了“潜在的商机”，利用技术创新进行城市转型，用于服务高效的市政管理和经济发展。然而，巴塞罗那政府并不清楚智慧城市的概念及其所能提供的功能，尚未明确智慧城市发展框架，只能在探索中慢慢突破。此时，智慧城市建设主要以企业为主导进行技术创新。例如，IBM公司于2004年推动建设了巴塞罗那超级计算中心；法国工程集团阿尔斯通在巴塞罗那建立全球清洁能源研究基地等。尽管缺乏明确的战略规划，但企业积极参与巴塞罗那智慧城市建设，点燃了创新的火种，为其后续发展提供了宝贵经验和技术支持。
智慧城市2.0：信息和通信技术助力城市数据驱动
2011年，巴塞罗那政府发布信息和通信技术战略，包含移动性、电子政务和智慧城市等多个方面，旨在协调经济、环境、社会可持续发展。此时，巴塞罗那以信息通信技术为重要依托和主要建设内容，将自身定位为数据驱动、传感智能的城市，其智慧城市建设迈入政府主导的2.0阶段。
巴塞罗那智慧城市战略构想，来源：《MESSI：巴塞罗那市政府的信息和通信技术战略》
在这一阶段，巴塞罗那大力推进物联网技术，通过物联网有效管理城市的能源、市政、交通等系统，为智慧城市建立了坚定的设施和数据基础。例如，巴塞罗那在建筑物中安装智能电表和传感器来监控和优化能源消耗；使用智能灌溉系统监测湿度、温度等实时数据，从而优化灌溉时间，节省水资源；采用交互式数字公交车站、传感器引导停车等设施用于减少车辆拥堵、降低废气排放。通过物联网技术，巴塞罗那城市管理者实时获取城市交通流量、环境质量等各项数据，通过精细化管理和智能化决策提升城市运行效率。
与此同时，面对大量的传感器数据，巴塞罗那政府建立Sentilo（西班牙语，意为传感器）平台并向公众开放。通过Sentilo平台，使用者可以查看巴塞罗那全市的传感器网络，了解城市各维度数据，包括巴塞罗那道路的人流量、车流量，环境噪声，温度、湿度和空气质量等。
Sentilo平台中各类传感器数据信息，来源：connecta.bcn.cat
智慧城市3.0：公民科技赋能实现数字城市创新
2015年后，巴塞罗那在前期智慧城市建设的基础上，转向寻求公民科技赋能的城市治理模式。《巴塞罗那数字城市计划（2015―2019）》（Barcelona Digital City Plan 2015-2019）中明确提出“技术应该为人类服务，而不是人类为技术服务”。巴塞罗那重点推动数字化转型、数字创新以及公民共同参与的智慧城市建设，智慧城市进入3.0阶段。
案例一：“下水道社会学”助力水资源数字创新
2019年，为减少污水问题，改善公众健康，巴塞罗那启动SCOREwater项目。该项目为期4年，通过对下水道污水进行研究，分析获取巴塞罗那不同社区的生活习惯信息，研判可能造成的问题，并提供相应的解决方案，从而实现供水服务的数字创新。这一开创性的方法被称为“下水道社会学”（Sewer sociology）。
在SCOREwater项目中，巴塞罗那选取了高、中、低3个不同社会经济水平的社区进行实验，通过传感器网络实时监测下水道污水的水流和各类物质浓度，并采用人工智能算法分析监测数据得出居民生活习惯信息。目前SCOREwater项目通过监测咖啡因、油和脂肪、尼古丁等15种物质，分析了不同社区在健康、饮食习惯等方面的差异，如低经济水平社区的非处方抗生素使用量比中、高经济水平社区的高。
污水监测流程，来源：根据《使用在线监测站分析城市内集水区的污水特征》改绘
基于分析结果，巴塞罗那采取了相应的措施，如通过展览、出版物等方式开展公共宣传，开发“城市水循环严肃游戏”为小学生科普城市污水相关知识等。巴塞罗那通过传感器数据和人工智能技术提取生活中难以获取的隐性信息，对提升生活污水管理和公民健康习惯养成、水资源保护等有重要意义。
案例二：城市清洁和垃圾回收服务的数字化转型
自2021年10月起，为了加强和改善城市街道、广场和公园的清洁和维护，巴塞罗那实施“让我们照顾巴塞罗那”（Cuidem Barcelona）项目，提出了市民共同参与的城市清洁维护和垃圾回收解决方案。首先，市民可以通过项目网站查看全市垃圾处理和回收的地点和时间，以了解所在社区垃圾清理情况，更好地处理各类生活垃圾。其次，市民可以在网站上反馈城市中需要被清洁的地方，以便城市管理人员及时获取信息并处理。最后，市民可以查看所在社区的清洁管理计划，并提出改进建议。此外，针对2022―2023年度的城市维护项目，巴塞罗那市民亦可通过地图查看器查看具体项目的进展及实施情况。
“让我们照顾巴塞罗那”城市维护项目，来源：www.barcelona.cat
“让我们照顾巴塞罗那”项目的开展实现了城市清洁和垃圾回收的数字创新，同时打破了只有政府负责打扫公共空间的传统理念，使市民成为了城市清洁维护的积极参与者。据统计，2023年巴塞罗那市议会收到的与清洁和垃圾回收有关的事件、投诉和建议的数量下降了23%。
案例三：Decidim——公民共同参与城市建设
为了促进公民参与数字城市建设，巴塞罗那积极鼓励利用信息技术加大公民与政府之间的沟通。其中最具代表性的成功案例就是“我们决定”（Decidim）平台的开发和应用。
Decidim是巴塞罗那政府面向公众开放的数字化平台，于2016年2月发布。在这个平台上，每个市民都有机会提出政策建议、参与辩论（包括提出新提案、评论现有提案等），并能够跟踪提案的进展，查看最终决策文件。截至2023年6月15日，巴塞罗那公民在Decidim平台上共提出了3万余项提案，其中有14425项提案已成为公共政策，被转化为5688个项目。
通过Decidim平台，巴塞罗那增强了政府和公民之间的沟通和信任，提高了城市治理的效率和质量。同时，巴塞罗那将Decidim的架构和代码公开发布并推广，目前已在全球30多个国家的450多个实例中运行，包括纽约、赫尔辛基等城市的政府及社会组织。
数字孪生实现城市数据与技术集成
随着智慧城市3.0建设的不断推进，巴塞罗那在多个领域实现了数字化转型和数字创新。现如今，巴塞罗那将城市的未来寄托于数字孪生，通过数字孪生集成巴塞罗那的海量数据和先进技术，实现巴塞罗那整个城市的虚拟化和数字化。2022年7月8日，巴塞罗那市长阿达•科劳、博洛尼亚市长马泰奥•勒波雷和巴塞罗那超级计算中心等相关组织签署了一份谅解备忘录，希望通过城市数字孪生实现基于证据和影响评估的决策和公共政策制定模式，进而成为城市数字治理领域的标杆。
五模块共筑城市数字孪生内容框架
与传统的数据分析和可视化方法不同，数字孪生的特点在于其允许实时集成多个来源的数据，并通过模拟来评估未来的场景，实现多个城市变量的组合，从而提高资源管理的效率。在巴塞罗那的数字孪生系统中，现实世界被分为5个主要模块，包括：社会群体、社交网络，水、物质与能源，环境与自然、建筑与交通网络。这些模块相互关联、相互影响，是现实世界虚拟化的必要因素。同时，这种模块化的构建便于数字孪生的升级和复制。其他城市在未来可以直接套用巴塞罗那数字孪生的模板，像Decidim平台一样被世界各地多个组织使用。
巴塞罗那数字孪生城市结构，来源：《数字孪生：城市规划的未来——巴塞罗那的贡献》
三机构共建城市数字孪生组织体系
巴塞罗那数字孪生系统由3个机构共同负责构建，分别是巴塞罗那市议会下属的市信息技术学院、巴塞罗那地区管理局和巴塞罗那超级计算中心。其中，市信息技术学院负责标准数据的提供；巴塞罗那地区管理局负责进行需求的设计、政策实施效果的测试，并解决城市模拟过程中出现的各种问题，避免发生政策决策失误；巴塞罗那超级计算中心则凭借其强大的超算能力提供数字孪生所需要的基础设备和相关技术。
数字孪生当前进展与应用
巴塞罗那数字孪生以整个城市为依托，整合各种不同来源的数据，监控并将巴塞罗那的各个方面进行可视化，基于海量数据对城市进行动态模拟，进而达到预测的目的。
1.多源数据融合
巴塞罗那数字孪生是对整个城市数据的集成，其强大的数据集也是数字孪生应用的基石。现阶段巴塞罗那根据自身需求已经将人口、房屋、交通、设施等数据进行集成和可视化。例如，为了深入了解爱彼迎（Airbnb）的房源信息及其对周边住房和对社区的影响，巴塞罗那将Airbnb的房源数据与该城市各个社区的学校、公交车站、公民国籍和年龄等数据集成进行可视化分析，以展示城市不同要素之间的关联。
巴塞罗那不同社区爱彼迎房源数量（高度）和宾馆POI（颜色）可视化，来源：streamlit.io
2.决策模拟分析
在辅助决策模拟方面，通过数字孪生，使用者一方面可以针对现有数据进行现状分析，了解城市的实际运营情况和问题所在；另一方面可以在实施政策之前通过模拟分析预测其可能的影响，确保决策的正确性。例如，针对“15分钟城市”（15-minute city）模式和循环城市指数，巴塞罗那的数字孪生团队分别开发了公共设施可达性分析平台和循环城市指数仪表盘。
公共设施可达性分析平台基于现有的公服设施数据，分析地铁站、医院等公共设施的可达性，评估巴塞罗那是否符合“15分钟城市”模式。同时，该平台还可以针对城市中未建的设施进行预测，查看城市设施建成前后的可达性网络变化情况及对城市既有设施的影响。如查看巴塞罗那新建图书馆建成前后的可达性变化、未开通的9号线建成前后站点的可达性变化情况等。
巴塞罗那医院15分钟可达性分析，来源：streamlit.io
图书馆建成前后可达性变化，来源：ajuntament.barcelona.cat
地铁9号线建成前后可达性变化，来源：ajuntament.barcelona.cat
循环城市指数仪表盘通过结合数字化水平、能源和气候、移动性、废物4个指标计算循环城市指数（Circular City Index, CCI），4个指标下又有能源消耗、空气质量等更详细的子指标，进而全面评估城市的循环经济水平，为使用者制定有针对性的措施提供参考。此外，该平台还允许用户自定义不同指标的权重，以调整循环城市指数。
循环城市指数仪表盘，来源：streamlit.io
此外，对于已经实施的政策，数字孪生可通过城市模拟分析实现对政策实施效果的检验。如自2014年以来，巴塞罗那一直在推进“超级街区计划”并认为其是解决空气污染的有效手段。然而，模拟评估的结果表明超级街区在废气排放上并未有显著改善。虽然街区内部空气污染降低，但是由于交通流量的变化，超级街区临近地区的污染也会增大，从而导致废气整体排放并未有较大变化。
巴塞罗那超级街区
将若干个相邻的街区（通常为9个）转变为交通流量较低的封闭区域。在街区内部通过速度限制（10公里/时），以及使用城市植被、减速带等方式，减少内部汽车交通，为自行车、行人等提供便利。
（a）正常交通流量
（b）超级街区交通流量
巴塞罗那超级街区交通流量变化示意图，来源：《巴塞罗那实施的交通限制政策能多大程度上改善空气质量？》
数字孪生未来发展方向
下一阶段，巴塞罗那将进一步使用人工智能等先进技术方法来模拟各种场景并预测政策实施的效果，为城市规划提供解决方案。现实中的空气污染、噪声监测、货物分配、交通管理和监测，以及居民的出行方式等内容都是城市数字孪生的一部分，不同的城市模块也将在数字孪生中融合形成统一整体。目前，巴塞罗那的数字孪生团队正在进一步开展研究，如利用超级计算机模拟并快速预测空气质量，进而分析对公民造成的影响；基于城市的真实数据模拟复杂的交通系统及其多种交通方式，使城市规划者能够测试交通系统的不同变化，判断改造城市交通网络带来的影响，并为市民提供最佳解决方案等。
未来，巴塞罗那将依托数字孪生技术，构建城市级数据闭环赋能体系，实现城市在信息纬度上的模拟、监控、诊断、预测和控制，从而指导物理维度实体城市的建设，以期应对城市在建设、管理、运行过程中的不确定性，使政府能够为未来的巴塞罗那进行正确的定位、设计和决策，提高公民的生活质量。
给数据以意义，给技术以平台。巴塞罗那在持续多年的智慧城市建设中奠定了坚实的设施、数据和技术基础，使得这座城市在快速发展的当下仍能紧握时代脉搏，始终处于智慧城市建设前沿。该城市的智慧城市建设也展示了数据和技术在当今社会发展中的重要地位，通过其集成与应用，城市可以实现全面数字化，挖掘以往难以获取的信息并做出预测。同时，巴塞罗那的发展也提醒我们，数据和技术虽然至关重要，但更重要的是如何使用。智慧城市的建设需要政府、公民、数据和技术共同完成，必须充分考虑公民的需求和参与，以及政府的规划和监管，只有这样，智慧城市才能真正实现可持续发展。
参考文献：
- ①Decidim,a Technopolitical Network for Participatory Democracy:Philosophy, Practice and Autonomy of a Collective Platform in the Age of Digital Intelligence,2024.
- ②The Smart City and Urban Governance:the Urban Transformation of Barcelona,2011–2023,2023.
- ③Profiling Wastewater Characteristics in Intra-urban Catchments UsingOnline Monitoring Stations,2024.
- ④Smart City Report 1:The Evolution of Smart City:Case Studies of Barcelona,Spain and Helsinki, Finland,2019.
- ⑤Digital Twin:the Future of Urban Planning Barcelona Contribution,2023.
- ⑥Eurocities Task Force on Digital Twins:“Engaging Twins”,2022.
- ⑦The Evolution of Smart City:Case Studies of Barcelona,Spain and Helsinki,Finland,2019.
- ⑧D4.9 Public Awareness Campaign Guideline,2022.
- ⑨ajuntament.barcelona.cat
来源： “规划上海SUPDRI”公众号 2024-05-31
作者：齐如煜，现为上海市上规院城市规划设计有限公司信息数据部助理数据工程师，从事数据处理和系统平台开发工作。