大数据助力我们打造未来城市

A worker paints at the exhibition stand of "Sim City" during the Gamescom 2012 fair in Cologne August 15, 2012. The Gamescom convention, Europe's largest video games trade fair, runs from August 16 to August 19. REUTERS/Ina Fassbender (GERMANY - Tags: SOCIETY) - BM2E88F1BXZ01
The computer game SimCity could help make the cities of the future as they become more complex.Image: REUTERS/Ina Fassbender
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联合国预测,到2050年,全球约有66%的人口将生活在城市地区。预计人口增长最快的地区将是非洲和亚洲等发展中地区。这些地区的城市将面临挑战,既要满足居民的需求,也要提供充足的住房、能源、废物处理、医疗保健、交通、教育和就业机会。

因此,了解城市将如何发展,以及如何在这一过程中让城市更智慧、更可持续,是全球研究人员和各国政府的优先事项。若要为未来规划城市,我们需要掌握城市内部的运行机制。幸运的是,有一些工具能帮助我们做到这一点。更妙的是,使用这些工具有点像玩《模拟城市》。

一个全新的(模拟)世界

城市是复杂系统。越来越多的研究城市的科学家已从把“城市视为机器”转向把“城市视为生物体”。将城市看作复杂、适应性强的生物体——类似白蚁丘或黏菌群落等自然系统——能让我们独特地洞察其内部运作。下面就来看看其中的道理。

复杂生物体的特点是由各个单元组成,而这些单元的行为可以由少数简单规则驱动。当这些相对简单的单元生活和行动时,它们各自的互动与行为汇聚起来,就会产生范围更广的整体现象。例如,鸟群飞行形成的优美复杂图案并非由领头鸟组织,而是因为每只鸟都遵循一些非常简单的规则:彼此保持多近、朝哪个方向飞,以及如何躲避捕食者。

同样,蚁群也会表现出极其复杂、看似智能的行为。但这种复杂性并非源于一位优秀的领导者,而是许多蚂蚁各自遵循相对简单的规则、全然不顾整体局势的结果。很容易看出,这种视角也可以应用于人类系统,用来解释交通拥堵等现象。

因此,如果城市如同生物体,我们就应该自下而上地考察城市,探究意料之外的大规模现象如何从个体层面的互动中涌现出来。具体来说,我们可以运用一系列称为“基于智能体的建模”的技术,模拟各个“智能体”——无论是个人、家庭还是组织——的行为如何影响城市环境。

这时就有点像《模拟城市》了。这款电脑游戏最初以杰伊·福雷斯特的研究为基础,可谓恰如其分。福雷斯特是世界知名的系统科学家,对城市动力学颇感兴趣。在游戏中,每个智能体都有自己的特征和规则,并可与其他智能体及环境互动。这些互动会产生不同的行为,并推动下一轮互动。

然而,电脑游戏可以概括人和组织的行为,研究人员则必须从现有数据集中挖掘信息,构建真实可靠且经过严格测试和评估的规则集。要有效做到这一点,我们需要大量个体层面的数据。

利用大数据建模

如今,计算能力的提升以及大数据的广泛涌现,赋予基于智能体的建模前所未有的能力和应用范围。最令人振奋的发展之一,是有望将人们的想法和行为纳入模型。这样一来,我们就能开始模拟人们的选择对当前状况和未来的影响。

例如,我们可能想了解道路布局的变化会如何影响犯罪率。通过模拟活动——即可能试图实施犯罪的个人的活动——我们可以看到,改变城市环境会如何影响人们在城中的出行、他们注意到的房屋类型,进而影响哪些地点最容易成为入室盗窃的目标。

要充分实现以这种方式模拟城市的目标,模型需要海量数据。例如,要模拟人们每天在城市中的流动,我们需要了解人们花时间做什么、在哪里做、与谁一起做,以及是什么驱动他们的行为。

如果没有高质量、高分辨率的数据,我们就无法判断模型是否得出了真实的结果。大数据可以为研究人员提供丰富的信息,满足这两方面的需求。令城市建模研究人员感到振奋的数据包括:

电子交通卡数据,可以告诉我们人们如何在城市中出行。

推特消息,可以让我们了解人们在做什么、在想什么。

手机密度数据,可以暗示人群聚集的位置。

会员忠诚度计划和信用卡交易数据,可用于了解消费者行为。

通过公众参与绘制此前未知的城市空间地图,例如OpenStreetMap。

这些数据通常可以细化到个人层面。因此,城市现象模型不再需要依赖对整体人口的假设,而是可以量身定制,反映由众多个体组成的城市的多样性;这些人往往有着不同的想法和行为。

被遗漏的人群

当然,将大数据纳入城市模型时,必须考虑重要的实际和伦理问题。新数据源中的背景噪声可能很大,难以提取有用可靠的信息。例如,往往很难区分推特消息是由机器人账号发布,还是真人发布。

我们还必须确保了解哪些群体在数据中有充分代表,哪些群体没有。数字鸿沟依然存在,且研究表明,会不会制作数字内容的人群之间存在阶层差异。这意味着,数据集中可能缺少人口中的很大一部分。

我们还需要找到新方法,使这些方法符合伦理规范。传统上,消费者伦理和研究伦理都以知情同意为基础。在参与访谈或调查之前,参与者需要签署同意书,授权研究人员使用其数据。但如今,个人正在将生活中的情绪、想法、感受和行为等方面数字化,而这些内容过去一直未被记录。值得注意的是,这些数据往往会公开发布在互联网上。

即使个人勾选了同意使用其数据的选项,也不能保证他们读过并理解相关条款。苹果 iTunes 于2015年6月发布的条款与条件例如,篇幅超过2万字(是本文长度的20倍)。研究人员和服务提供商需要自问:有多少人真正仔细阅读并理解了这些文件?他们的同意是否符合我们对知情同意的理解?

我们或许永远无法模拟城市中的每一个人,而且可能也永远不想这么做。但我们正越来越接近模拟那种交织构成城市的丰富肌理。如果能够做到这一点,我们就能为未来城市的最佳规划提供有益参考,甚至细化到每一盏路灯、每一辆公交车和每一栋公寓楼。

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