Анализ концепции «умного города»: стандартная архитектура и модель

Введение

Правительства и государственные учреждения всех уровней принимают концепцию «умности» для дифференциации политик и программ, направленных на устойчивое развитие, устойчивый экономический рост и повышение качества жизни граждан [3]. В таблице 1 представлены некоторые определения концепции «умный город», предложенные в литературе, которые дают представление о множестве значений этого термина.

Сегодня несколько городов стремятся стать умными городами цифрового мира. Однако для достижения этого необходимо преодолеть проблемы, а именно реализовать сложный план, вовлекающий государственных и частных участников, поставщиков продуктов и ИТ-инфраструктуры. Умный город требует основанной на стандартах основы информационных технологий, которая может удовлетворять и поддерживать широкий спектр требований и адаптироваться к новым технологиям, таким как передовые датчики, инструменты измерения и аналитики, а также решения на основе машинного обучения и искусственного интеллекта. В развитии умного города важную роль играют общественные организации, граждане, государственные и местные органы власти, частные предприятия, и они должны их поддерживать. Преимущества умного города включают большие перспективы для устойчивого развития, предотвращения катастроф, бизнеса, общественной безопасности и качества жизни. Однако существуют ключевые проблемы, которые необходимо решить для умного города, включая: коммодификацию, социальную и цифровую изоляцию, приватность и наблюдение.

Более того, построение умного города — это огромная задача, потому что в ней задействовано несколько рабочих частей и компонентов, в частности, домены умных городов [4]. Большинство умных городов не строятся с нуля или все сразу. Развитие умного города — это постепенный процесс, и мы являемся свидетелями того, что город постепенно становится умнее. Со временем отдельные области умного города будут развиваться вместе и быть взаимосвязанными, но для них предусмотрено условие использования одних и тех же последовательных технических правил, предусмотренных техническими стандартами.

Роль стандартизации

По нашему мнению, стандарты и стандартизация существовали не всегда. Фактически, ассоциации и организации по стандартизации начали свою деятельность чуть более 100 лет назад. Самым старым учреждением такого типа в мире является Британский институт стандартов (BSI), который был основан в 1901 году, но первый национальный стандарт появился в том же BSI только в 1903 году, точнее, был официально опубликован [5]. Возникновение мировой системы стандартизации относится к очень недавней истории, то есть в 1946 году была создана Международная организация по стандартизации, или ISO. Фактически, такие технологические международные комитеты, как IEEE, еще моложе. Однако, несмотря на относительно поздний старт международных организаций по стандартизации, сегодня стандарты и сам процесс стандартизации стали одним из основных факторов, способствующих мировому развитию, глобализации рынков и отраслей и в основном определяющих успех тех или иных бизнес- и даже политических инициатив. Фактически, о стандартах можно многое сказать, но они могут применяться публично, коллективно и совместно, чтобы все участники системы или процесса имели одинаковые концепции и значения свойств в определенном предмете, области и направлении. Используемый объект должен быть стандартизирован.

Сначала появились стандарты компаний или ассоциаций, затем с их большим коммерческим успехом они стали национальными, а затем стали международными с участием представителей разных стран, входящих в международные организации по стандартизации. Конечно, существуют и другие способы распространения стандартов — например, стандарты одной страны могут быть локализованы для другой страны, или другая страна может включить страну в качестве партнера в дорожную карту по подготовке этих документов. И в 21 веке, когда необходимость принятия новых технических правил или стандартов часто определяет успех тех или иных экономических решений, такие альтернативные методы принятия стандартов используются все чаще. Обычно как в первом, так и во втором случае все определяется успехом использования того или иного стандарта или его «популярностью». Кроме того, принятые международные стандарты локализуются со ссылками на международную цифровизацию в данной стране. Таким образом, в принципе, осуществляется передача проверенных решений и создаются условия для международного разделения труда.

На практике в процессе стандартизации учитываются практики, основанные на проверенных доказательствах, включая экономическую практику, материальные ресурсы, а не идею использования системы или объекта. В то же время возможность распространения того или иного стандарта требует успешного внедрения его применения не только в одной стране с одинаковыми условиями, но и в разных странах с разными климатическими, социальными, экономическими и правовыми условиями. Это создает противоречивые требования к содержанию стандартов, которые должны быть достаточно конкретными, чтобы быть применимыми в конкретной стране, и достаточно общими, чтобы быть применимыми в разных странах.

С этой точки зрения на сегодняшний день наибольшего успеха добилась британская группа по стандартам, посвященная умному городу. Именно эти стандарты были представлены в ISO, международной организации по стандартизации, и ее членам, включая Узбекистан, предлагается рассмотреть их в качестве основы для создания национальных стандартов по этому вопросу, конечно, с учетом пожеланий и соображений. Это выражается членами организации по стандартизации.

В таблице ниже приведено сравнение локальных стандартов «умного города» с международными стандартами (Таблица 2).

Методология и обсуждение

Архитектура Snap4City, представленная в Badii, Bellini, Difino, & Nesi [6], является архитектурой платформы Snap4City, разработанной в результате исследовательского проекта, инициированного в рамках проекта предкоммерческих закупок (Pre-Commercial Procurement) Европейской комиссии Select4Cities H2020. Предложенная платформа отвечает всем ключевым требованиям, то есть ориентирована на такие атрибуты, как простота использования, интероперабельность, гибкость, масштабируемость, открытый исходный код, модульность и надежность, в дополнение к безопасности и приватности.

Архитектура SmartGC была предложена Ramalho, Rossetti, Cacho, & Souza [7] для приложения по сбору мусора в умном городе. Согласно Kong & Wang [8], архитектура основана на концепции Искусственной транспортной системы (ATS), которая применяет методы и теорию искусственного общества к транспортной системе, сочетая технологии высокопроизводительных вычислений и имитационное моделирование на основе агентов. Согласно исследователям, архитектура SmartGC включает несколько атрибутов качества: переносимость, масштабируемость, доступность данных, безопасность и контроль доступа, обработку данных в реальном времени и пакетную обработку, а также простоту использования. Архитектура предприятия для умных городов на основе The Open Group Architecture Framework (TOGAF) была предложена в Jnr [9]. Архитектура ориентирована на эффективное распределение и хранение данных об энергопотреблении в зданиях умного города и электромобилях с использованием данных в открытом, онлайн-режиме в реальном времени. Архитектура также использует открытость данных для обеспечения интероперабельности между компонентами.

Jnr, Petersen, Ahlers и Krogstie [10] предложили «многоэтапную архитектуру, управляемую большими данными» для обработки неоднородных данных, возникающих в результате локализации, об использовании электромобилей (EV), точках местоположения, маршрутах, перемещении, зарядных станциях, парковках с использованием интерфейсов прикладного программирования (API). Архитектура обеспечивает интероперабельность в умном городе, предлагая гибкую и крупномасштабную обработку данных о транспортных точках в реальном времени и на основе агрегированных данных. Программная архитектура System of System на основе IoT была предложена Aziz, Musharaf и Syed в своем исследовании. Исследователи объединили архитектурный стиль микросервисов (вариант сервис-ориентированной архитектуры) с облачными вычислениями для достижения ключевых атрибутов качества. Архитектура была протестирована в приложениях умного города и оценена по атрибутам качества масштабируемости и устойчивости. Гибридная архитектура на основе технологии блокчейн и программно-определяемых сетей (SDN) для умных городов была предложена Singh, Tripathi, Waliya, Deepika и Anjuda. Архитектура направлена на решение проблем умных городов, включая приватность и безопасность, масштабируемость, задержки и высокое использование полосы пропускания.

Результаты исследователей оказались эффективными в улучшении выявленных проблем. Из рассмотренных работ видно, что существует неразрывная связь между атрибутами качества и архитектурой умного города.

Описанные и определенные выше атрибуты качества были классифицированы в соответствии с моделью качества продукта, определенной в стандарте ISO/IEC 25010:2011 [11]. Модель контроля качества продукта разделила атрибуты качества на восемь категорий высокого уровня следующим образом:

• Функциональная пригодность;
• Производительность;
• Совместимость;
• Удобство использования;
• Надежность;
• Безопасность;
• Сопровождаемость;
• Переносимость.

Вышеуказанные категории состоят из набора взаимосвязанных подкатегорий. Исследователи использовали разные термины для атрибутов качества (QA), такие как «изменяемость» и «модульность», относящиеся к «Повторному использованию»; и такие термины, как «время реакции», «задержка», «скорость», «пропускная способность» связаны с «Производительностью». Обзор литературы показывает, что проводились исследования по гармонизации терминов и их классификации по соответствующим категориям высокого уровня.

Были предложены различные архитектуры для решения различных атрибутов качества, и не существует единой архитектуры, которая охватывала бы все атрибуты качества (Таблица 3). Эта идея разумна, потому что города имеют разные характеристики, такие как правительственная и политическая структура, экономическая модель, социальная и культурная деятельность [10], [12]. Однако, несмотря на эти различия, некоторые ключевые атрибуты качества очень важны и должны удовлетворяться архитектурой умного города. В данной статье предлагаются четыре ключевых атрибута качества на основе рассмотренных архитектур для умных городов, независимо от характеристик города.

В реализации проектов умного города участвуют различные компоненты и участники: поставщики датчиков, оборудования и устройств, провайдеры связи, поставщики услуг, инновации бизнес-услуг. Пользователи умных городов используют услуги из различных секторов, таких как промышленность, коммунальные услуги, транспорт/логистика и здравоохранение. Эти различные компоненты образуют многоуровневую архитектуру. На рисунке показана важность ИКТ в построении умных городов путем соединения приложений/услуг и городской инфраструктуры, такой как энергосистемы, дороги, парковки. Большая часть текущих исследований об умных городах касается уровня данных, и безопасность данных умного города, приватность, надежность, обмен данными, стандартизация, услуги и коммерциализация являются наиболее важными областями, исследуемыми в настоящее время в экспериментах, презентациях и проектах.

Рисунок 1. Концепция умного города

Рисунок 2. Функциональные этапы умного города

Многое можно сказать о том, какие данные есть у городов, как данные могут собираться, обогащаться, анализироваться и эффективно использоваться на практике. Однако основным направлением в сборе, обработке, обмене и хранении данных является уровень коммуникационных сетей, соединяющих городскую инфраструктуру. В основном, коммуникационные сети используются для передачи любого типа данных (видео, аудио, текст и любую цифровую информацию) из локальной сети (LAN) в глобальную сеть (WAN). Сетевая инфраструктура проявляется в виде аппаратного и программного обеспечения. Фактически, уровень коммуникационных сетей является основным средством передачи информации, в котором приложения и сервисы соединены через одну или несколько сетей, что является ключевым фактором в передаче данных приложений умного города. В умном городе коммуникационные сети определяют и описывают способы, которыми объекты умного города могут эффективно взаимодействовать друг с другом, где умный город создает «интеллект» и организуется для предоставления высококачественных услуг. Поэтому роль таких коммуникационных сетей в поддержке приложений умного города важна. Иногда, потому что концепции умных городов слишком велики по сравнению с проектами коммуникационных сетей, коммуникационные сети часто рассматриваются как последний этап городских проектов, что приводит к снижению «интеллектуального» индекса умного города.

Энергетическая инфраструктура является самой важной частью любого города. По этой причине электрические сети устанавливаются как критически важная национальная инфраструктура (КНИ). Если электроэнергия недоступна в течение достаточного периода времени, будут затронуты функции всех других важных организаций, таких как безопасность, полиция, телекоммуникации. В этом умная сеть контролирует передачу и распределение электроэнергии, от производственного предприятия до потребительских помещений, контролируя и отслеживая электрическую и водную инфраструктуру на всех уровнях. Умная сеть определяется IEEE как автоматизированная сеть, способная отслеживать и реагировать на изменения во всем, от отдельных приборов до бытовой техники. Глобальная, но неполная структура приложений умной сети показана на Рисунке 3. Умная сеть находится в центре умного города, позволяя приложениям и сервисам умного города работать эффективно.

Рисунок 3. Архитектура интеллектуальной сети

Приложения и процессы умных городов используют большие данные, сбор, обработку и обмен данными. Поэтому надежная коммуникационная и сетевая инфраструктура должна составлять основу умных городов для обеспечения передачи данных. Большое количество приложений формирует практический этап архитектуры умного города, где каждое приложение имеет свои собственные требования к ИКТ. Поэтому построение такой ИКТ-инфраструктуры включает различные технологии в зависимости от среды развертывания.

Беспроводные технологии являются наиболее востребованными решениями, поскольку они соответствуют требованиям ИКТ приложений умного города (экономическая, социальная выгода, гибкость и простота развертывания). Однако в беспроводной связи все еще есть проблемы, ожидающие решения, такие как энергопотребление, простота и удобство установки, большая зона покрытия. Чтобы преодолеть эти проблемы, производители оборудования и мобильные операторы объединили усилия для разработки и внедрения новых беспроводных технологий, называемых сетями с низким энергопотреблением.