随着移动设备功能日益强大，人们与城市环境互动时会留下足迹。因此，城市计算和智慧城市等新兴研究领域，致力于通过理解城市动态来提升城市环境中的生活质量。传统上，城市分析使用通过调查获得的数据。然而，随着传统技术面临重大局限，新的数据来源（包括 GPS、Wi-Fi 热点、带地理标记的社交网络等）变得愈发重要。这些局限主要包括：（1）采集调查数据的复杂性和成本；（2）数据具有静态性，只能代表特定时刻的情况快照；（3）人们越来越不愿意提供（他们认为属于）个人信息。手机记录是城市环境研究的一项重要新数据来源，因为其中包含范围广泛的人类动态信息（从出行到社会背景和社交网络），可用于刻画个人或地理区域。
在 Telefónica I+D，我们一直在开展三项应用研究，利用手机网络基础设施提供的数据，展示如何使用提取的信息来构建城市动态模型：密集区域（热点）检测、土地利用识别（即住宅、工业、商业等），以及通勤矩阵构建。
密集区域检测旨在识别城市环境中人们每天在特定时段倾向于前往的区域，并追踪这些区域随时间的变化。这类信息至关重要，尤其对城市规划和交通规划人员而言，因为它能揭示城市环境中哪些地点、哪些时段的人口密度较高。密集区域检测问题最初由数据挖掘领域提出，定义为从时空数据中识别满足最低密度要求的一个或多个区域集合。这些方法的共同点是使用固定大小、互不重叠的网格来汇总数值。因此，这些方法会“限制”检测区域的形状，而且通常识别出的密集区域是理想密集区域的超集或子集。在 Telefónica I+D，我们开发了一种新技术——密集区域发现（DAD-MST）算法（详情见参考文献 [1]），利用手机网络数据自动检测密集区域。与以往方法不同，我们的方法不依赖固定大小的网格，而是基于空间域的自然镶嵌划分，从而克服了以往方案的局限。例如，图 1 展示了墨西哥瓜达拉哈拉市识别出的密集区域。
利用手机记录数据库中的信息，我们可以刻画特定城市区域的用途（例如住宅、商业、公园等）。城市划分的地理区域将根据一组通信塔的大致覆盖范围来确定。我们将通信塔的活动——并由此延伸至其覆盖区域的活动——定义为在给定时段内由该 BTS 处理的通话数量，并分别区分工作日和周末的活动。基于这些数据，可以通过聚类技术对这组特征进行聚类，从而自动识别土地利用类型，例如 k-means 聚类 或 谱聚类。详情见 [2] 和 [3]。例如，图 2 展示了马德里识别出的夜间活动土地利用类型，可以看到，这类通信塔的活动特征是在周末夜间出现峰值。
手机记录中包含的时空信息可以汇总起来，为某个城市区域构建通勤矩阵。这类信息对于设计交通线路至关重要，也可用于将现有交通线路与城市的实际需求进行对照，以规划新的公共交通线路。形式上，这一问题可以表述为：识别在特定时段内两个地理区域之间频繁发生的流动。在 Telefónica I+D，我们提出了一种利用手机记录构建通勤矩阵的新算法（见参考文献 [4] 和 [5]），并使用市政府生成的通勤矩阵对其进行了验证。结果表明，我们可以将原始矩阵近似到误差在 15% 以内。
总之，传统城市分析技术以问卷为基础，因而受到时间和成本的限制。通过提取普及型基础设施（如手机网络）产生的信息，我们可以构建解释城市动态的模型，在补充传统城市分析方法的同时克服其既有局限。这些示例仅用于展示此类方法的能力，也可作为构建更具体应用的基础。
参考文献
[1] M. Vieira、V. Frias-Martinez、N. Oliver、E. Frias-Martinez，“利用手机通话数据刻画城市密集区域：发现与社会动态”，第 2 届国际社会计算会议（SocialCom 2010），2010 年。
[2] V. Soto 和 E. Frias-Martinez，“利用手机数据稳健刻画城市景观的土地利用”，第 1 届普及型城市应用研讨会，与第 9 届国际普及计算会议同期举行，美国旧金山，2011 年。
[3] V. Soto 和 E. Frias-Martinez，“利用手机记录自动识别土地利用”，ACM Hotplanet 2011，第 3 届行星尺度测量热点议题国际研讨会，与 ACM Mobisys 2011 在同一地点举行，美国华盛顿特区。
[4] “利用手机网络数据估算城市通勤模式”，V. Frias-Martinez、C. Soguero、E. Frias-Martinez，ACM SIGKDD 城市计算国际研讨会（UrbComp），中国北京，2012 年。
[5] “利用人类出行和社交网络信息构建疫情传播的基于智能体模型”，E. Frias-Martinez、G. Williamson、V. Frias-Martinez，第 3 届 IEEE 社会计算国际会议（SocialCom 2011），美国马萨诸塞州波士顿。
本文由 Think Big合作发布。本文的发表并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Enrique Frías-Martinez 任职于 Telefónica I+D。
照片说明：在一张照片插画中，男子们手持智能手机摆姿势。地点：Zenica。路透社。