Открытые системы как основа для построения Умного города

Ключевые слова: умный город, открытые системы, open source system, smart city, качество жизни, умные технологии.

Цель: определить понимание открытых систем как основы для проектирования Умного города, а также ознакомить с принципами концепции открытых систем.

Аннотация: В данном материале рассматриваются понятия умного города и открытых систем, основные компоненты, формирующие данные понятия и взаимодействие этих компонентов. На основе примеров авторами показано эффективное применение данных взаимодействий. В статье описывается текущее состояние дел и результаты уже имеющихся проектов. Статья посвящена теме построения Умного города на основе открытых систем.

Создание концепции «Умный город» связано с необходимостью обеспечения в ближайшем будущем современного качества жизни людей за счет применения инновационных технологий, предусматривающих экономичное, экологичное и безопасное использование городских систем жизнедеятельности. При этом разнообразные факторы городского развития объединяются в единую систему с помощью передовых информационно-коммуникационных технологий. Это глубоко интегрированная система, все компоненты которой неразрывно связаны друг с другом.

Умный город - инновационный город, который внедряет комплекс технических решений и организационных мероприятий, направленных на достижение максимально возможного в настоящее время качества управления ресурсами и предоставления услуг, в целях создания устойчивых благоприятных условий проживания и пребывания, деловой активности нынешнего и будущих поколений [1].

Для выполнения целей Умного города и повышения качества обслуживания горожан городской власти необходимо контролировать то, что происходит в городе и взаимодействовать с инфраструктурой через информационно-коммуникационные технологии. С помощью систем умных датчиков, работающих в режиме реального времени, в центрах обработки данных собирается и накапливается информация, которая впоследствии обрабатывается и анализируется системами.

На практике выделяют несколько основных компонентов «Умного города»:

• Энергетика: автоматизированная интеллектуальная энергосеть и гибкая распределительная система; интеллектуальная система учета и регулирование спроса; внедрение возобновляемых видов энергии; энергоэффективные здания и сооружения.
• Водоснабжение: автоматизированные водозабор, водораспределение, водоотведение и обнаружение утечек; интеллектуальная система учета и регулирование спроса.
• Транспорт: контроль транспортных потоков и качества дорожного покрытия; инфраструктура зарядных станций для электромобилей; программно-аппаратный комплекс управления дорожным движением и общественным транспортом.
• Безопасность: системы видеонаблюдения, видеофиксации и обеспечения физической безопасности объектов инфраструктуры; системы обеспечения вызова экстренных оперативных служб; системы оповещения; программно-аппаратный комплекс управления системами безопасности.
• Образование и здравоохранение: дистанционное обучение, механизмы оповещения о реализации тех или иных программ, электронные учебники; системы электронной записи на прием к врачу, электронная база пациентов и историй их болезней, решения для коммуникаций медиков-специалистов.
• Правительство: системы поддержки принятия решений, анализа и прогнозирования, предоставления государственных и муниципальных услуг в электронном виде, публикации открытых данных.
• Жители: пользователи объектов инфраструктуры и информационных услуг; поставщики информации в режиме «обратной связи»

Чтобы понять, как работает система “Умного города”, необходимо обратиться к технической части, к подсистемами. Разобрав систему, акцентируем внимание на концепциях открытых систем, на основе которых существует “Умный город”.

"Открытая система - это система, которая состоит из компонентов, взаимодействующих друг с другом через стандартные интерфейсы". Это определение, данное одним из авторов упомянутого руководства Жаном-Мишелем Корну, подчеркивает системный аспект (структуру открытой системы). Данное руководство было издано Французской ассоциацией пользователей UNIX (АFUU) в 1992 году [2].

"Исчерпывающий и согласованный набор международных стандартов информационных технологий и профилей функциональных стандартов, которые описывают интерфейсы, службы и поддерживающие форматы, чтобы обеспечить интероперабельность и мобильность приложений, данных и персонала". Это определение, данное специалистами IЕЕЕ, подчеркивает аспект среды, которую предоставляет открытая система для ее использования (внешнее описание открытой системы) [3].

Вероятно, одно достаточно полное и общепринятое определение открытых систем еще не сформировалось. Однако сказанного выше уже достаточно, чтобы можно было рассмотреть общие свойства открытых систем.

Общие свойства открытых систем обычно формируются следующим образом:

• расширяемость (масштабируемость),
• мобильность (переносимость),
• интероперабельность (способность к взаимодействию с другими системами),
• дружественность к пользователю, в т.ч. - легкая управляемость.

Эти свойства, взятые по отдельности, были свойственны и предыдущим поколениям информационных систем и средств вычислительной техники. Новый взгляд на открытые системы определяется тем, что эти черты рассматриваются в совокупности, как взаимосвязанные, и реализуются в комплексе.

Основной принцип открытых систем состоит в создании среды, включающей программные и аппаратные средства, службы связи, интерфейсы, форматы данных и протоколы, которая в своей основе имеет развивающиеся, доступные и общепризнанные стандарты и обеспечивает переносимость, взаимодействие и масштабируемость приложений и данных.

Принцип, дополняющий основной, состоит в использовании методов функциональной стандартизации – построении и использовании профиля - согласованного набора базовых стандартов, необходимых для решения конкретной задачи или класса задач.

В связи с этим нужно уточнить представление об архитектуре систем и средств, как внешнем их описании с точки зрения того, кто ими пользуется. Архитектура открытой системы, таким образом, оказывается иерархическим описанием ее внешнего облика и каждого компонента: пользовательского интерфейса, среды проектирования, систем и инструментальных средств, архитектуры ЭВМ, интерфейсов оборудования.

Описания и реализации архитектуры могут быть предметом рассмотрения только в пределах системы. Тогда свойства ее открытости проявляются только на внешнем уровне. Однако значение идеологии открытых систем состоит в том, что она открывает методологические пути к унификации интерфейсов в пределах родственных по функциям групп компонентов для всего класса систем данного назначения или всего множества открытых систем.

Стандарты интерфейсов этих компонент определяют лицо массовых продуктов на рынке. Область распространения этих стандартов являются предметом согласования интересов разных групп участников процесса информатизации - пользователей, проектировщиков систем, поставщиков программных продуктов и поставщиков оборудования.

В качестве примера интерфейсов системы хочется привести два класса интерфейсов: интерфейс прикладной программы и интерфейс внешней среды:

• Интерфейс прикладного программирования (API): API - это интерфейс между прикладным программным обеспечением и платформой приложений. Его основная функция - поддерживать переносимость прикладного программного обеспечения. API классифицируется в соответствии с типами услуг, доступных через этот API.
• Интерфейс внешней среды (EEI): EEI - это интерфейс, который поддерживает передачу информации между платформой приложений и внешней средой, а также между приложениями, выполняющимися на одной платформе. Состоящий в основном из протоколов и поддерживающих форматов данных, EEI в значительной степени поддерживает функциональную совместимость. EEI классифицируется в соответствии с типом предоставляемых услуг передачи информации.

Для реализации проектов в области умных городов потребуется запуск специальных государственных программ или инициатив, обеспечивающих создание инфраструктуры, так называемой «песочницы», по предоставлению доступа к городским данным. Также возникает необходимость создания экосистемы для работы с ними через вовлечение инновационных компаний и стартапов в программы открытых данных, что позволяет разрабатывать и внедрять новые сервисы с очень большой скоростью, обеспечивать их разнообразие и креативность.

Кроме того, важна перестройка принципов управления городом на основе полученных данных через формирование цифровых кросс-секторальных платформ, интегрирующих потоки данных из различных вертикальных сегментов города. Ключевое значение приобретает социально-ориентированный характер проектов в части создания эффективных потребительских сервисов на базе городских и персональных данных, коммуникационных площадок по развитию городской среды.

Отдельно это можно сделать только благодаря использованию открытых систем, которые должны иметь стандартный пользовательский интерфейс, чтобы выполнить требование о возможности интеграции с другими системами для сбора данных. Стандартизация пользовательского интерфейса снимает необходимость обучения операторов при переходе от одной открытой системы к другой. Единые стандарты и протоколы, обеспечат совместимость устройств, что облегчит обмен между потребителем и производителем.

К примеру, опыт создания программно-аппаратных комплексов, обобщавшийся в последние годы, привел к необходимости разработки концепции и комплекса стандартов, обеспечивающих эффективную по трудоемкости переносимость прикладных программ между различными аппаратными и операционными платформами. Ядром стала группа стандартов, созданная специалистами США под эгидой IEEE под общим названием – Интерфейсы переносимых операционных систем (Portable operating system interface – POSIX). Проблему переноса программ сосредоточили на унификации интерфейсов операционных систем ЭВМ с различными прикладными программами, а также с окружающей средой. Эти стандарты не ориентированы на определенную конкретную архитектуру ЭВМ, однако предполагают использование современной операционной среды и прежде всего UNIX, как стандарта де-факто, а также международных стандартов на языки программирования и стандартов верхних уровней взаимосвязи открытых систем. В совокупности они образуют нормативную базу открытых компьютерных систем – OCS, обеспечивающих программных устройств.

Все стандарты POSIX имеют рекомендательный характер. Они не должны служить препятствием для переноса объектного кода, ограничивать или работу устройства при стандартизированных интерфейсах и ограничивать формирование новых унифицированных интерфейсов по мере необходимости. Стандарты группы POSIX, регламентирующие интерфейсы мобильных программных средств с операционной средой, включают

1. IEEE 1003.0 – Руководство по POSIX окружению открытых систем. Набор POSIX стандартов.

2. ISO 09945-1:1990 (IEEE 1003.1) –Информационная технология. Интерфейсы переносимых операционных систем.

Использование стандартов, а также большие объемы данных систем необходимо масштабировать. До появления открытых систем обеспечение масштабируемости достигалось путем проектирования системы с большим запасом по габаритам, количеству слотов, интерфейсов. Наращиваемость открытой системы подразумевает иной путь, не требующий запаса ресурсов (и связанных с ним избыточных финансовых вложений). В частности, система, обладающая свойством платформенной независимости и интероперабельности, уже является расширяемой, поскольку она позволяет добавлять новое оборудование или заменять старое новыми модификациями, в том числе оборудованием других производителей.

В последние годы возникло множество вариантов беспроводной передачи данных – давно знакомые GSM, GPRS, 3G, Wi-Fi, так и новые технологии, такие как LoRaWAN. Технология LoRaWAN в последнее время все активнее внедряется в приборный учет, освещение, управление энергосистемами.

В начале 2015 года компании IBM Research, Semtech и Cisco представили миру новую энергоэффективную сетевую технологию, преодолевшую вышеперечисленные проблемы и получившую название LoRaWAN. Задействуя нелицензированный спектр беспроводного доступа, технология может соединять сенсоры, расположенные на большом расстоянии друг от друга, при этом предлагая длительный срок жизни аккумулятора. Кроме того, не требуется больших инфраструктурных вложений.

Поддержку, развитие и стандартизацию технологии LoRaWAN осуществляет некоммерческая организация LoRa Alliance. Задача LoRa Alliance — объединить аппаратное и программное обеспечение на базе стандарта LoRaWAN.

Вкратце введем в архитектуру технологии LoRAWAN и детализируем ее описание:

• Сенсоры LoRaWAN могут передавать информацию на дистанции 15 км — в малых городах и более 2 км — в плотно застроенных городах, обеспечивая скорость обмена данными от 300 бит/сек до 100 кбит/сек.
• Сенсоры требуют мало энергии; многие из них могут бесперебойно функционировать вплоть до 10 лет, питаясь от одного аккумулятора AA.
• Ключи шифрования AES128 делают фактически невозможными взлом и прослушивание.
• Сеть LoRaWAN имеет топологию звезда из звёзд и включает в себя конечные узлы, шлюзы, сетевой сервер и сервер приложений.
• Конечный узел осуществляет измерение и управляющие функции. Он содержит набор необходимых датчиков и управляющих элементов.
• Шлюз LoRa — базовые станции, принимающее данные от конечных устройств с помощью радиоканала и передающее их в транзитную сеть, в качестве которых могут выступать Ethernet, сотовые сети.
• Шлюз и конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Несколько базовых станций обеспечивают зону покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными узлами и сервером.
• LoRaWAN позволяет строить распределённые беспроводные сети с большим числом конечных узлов. Один LoRa-шлюз допускает обслуживание до пяти тысяч конечных устройств, что достигается за счёт топологии сети, адаптивной скорости передачи данных, временным разделением, частотным разделением каналов.
• Сервер сети предназначен для управления сетью: заданием расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой принимаемых данных. Сервер приложений собирает необходимые данные с конечных узлов и может вести удаленный контроль за их работой.

В России данную технологию поставляет ряд крупнейших компаний. Например, ООО "Лартех" является одним из производителей радиомодулей и оператором сети LoRaWAN. Лартех" с самого начала производил оборудование в полном соответствии со спецификацией разрабатываемого стандарта, поэтому даже ранее поставленное заказчикам оборудование уже работает в рамках национального стандарта LoRaWAN. Представленные проекты данной компании акцентированы на системе учета энергоресурсов. Это и теплосчетчики с радиомодулями, электросчетчики, счетчики показателей воды с считывателем.

Что касается примеров практического применения технологии и уже полученных результатов, то можно сказать о проекте в Белгороде, запущенном в апреле 2017 года. Данный концепт был запущен для создания единой автоматизированной информационно-измерительной системы учета энергоресурсов. Проект, координатором которого выступил Департамент жилищно-коммунального хозяйства Белгородской области, направлен на сокращение показателей потери энергии, экономию потребления энергоресурсов, а также своевременное предупреждение и ликвидацию аварийных ситуаций. Достичь поставленных результатов планируется за счет использования сетей «интернета вещей» и, как следствие, перехода к принципиально новым решениям в области сбора, хранения, обработки и пользовательского представления данных, основанных на концепциях открытых систем.

Город, таким образом, выступил тестовой площадкой для отработки решения, которое в перспективе стало базой для развития полноценной умной городской инфраструктуры в условиях Белгорода. Результат показывает, что технология была отработана, а также была создана система автоматизированной информационно-измерительной системы учета, которая продолжает работать.

Другими примерами также могут служить технологии моделирования пожарной активности. В свое время Департаменту пожарной безопасности Нью-Йорка за счет применения такой системы удалось добиться того, что уже первые 25% проверок выявляют более 70% пожароопасных помещений (до внедрения системы этот показатель находился на уровне 21%). Опыт Нью-Йорка сегодня активно используется и другими крупнейшими городами мира [4].

Повышение прозрачности и наблюдаемости происходит на разных уровнях и в разных секторах умного города — от бюджетного процесса до формирования стоимости услуг ЖКХ. Ключевыми положительными эффектами при этом выступает максимальный учет мнения всех заинтересованных сторон при принятии решений, повышение качества услуг при сокращении цен, повышение информированности и уровня участия граждан.

Например, для больших доступности, прозрачности и подотчетности городского управления администрация Нью-Йорка запустила портал открытых городских данных — NYC Open Data. Он обеспечивает всем желающим доступ к информации, которую собирают агентства и департаменты города. Одним из инициаторов проекта стал Департамент анализа данных при мэрии Нью-Йорка (Mayor's Office of Data Analytics), созданный в 2009 году для эффективного агрегирования и анализа данных из различных муниципальных ведомств.

Внедрение технологий умного города повышает эффективность городского управления за счет формирования единой цифровой среды, которая позволяет управлять городом как единым целым. Благодаря этому укрепляется кооперация между отдельными заинтересованными компаниями. За счет беспрепятственного доступа к данным, благодаря открытым системам, в режиме реального времени появляется больше возможностей для бизнеса, а также для мер предупредительного характера в случае чрезвычайных ситуаций. Благодаря увеличению вовлеченных лиц и непрерывному анализу данных повышается устойчивость городской системы.

В данной статье было определено понимание открытых систем как основы для проектирования Умного города. Исходя из приведенного обзора, можно утверждать, что значимость и применимость концепции открытых систем на примере интегрируемости в системы Умного города становится популярнее в силу возможной реализуемости и относительно недорогого исполнения. Открытые протоколы, на основе которых осуществляется интеграция компонентов системы, позволяют масштабироваться и создавать все более новые способы коммуникации, за счет которых появляются инновационные и технологические проекты, позволяющие автоматизировать повседневные процессы.

Список используемых источников

• 1.ПНСТ 439-2020 (ИСО/МЭК 30182:2017) Информационные технологии (ИТ). Умный город. Совместимость данных [Электронный ресурс] /. — Электрон. журн. — Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200174806
• 2. Открытые системы, процессы стандартизации и профили стандартов [Электронный ресурс] /. — Электрон. журн. — Режим доступа: http://citforum.ru/database/articles/art_19.shtml
• 3. Открытая информационная система [Электронный ресурс] /. — Электрон. журн. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Открытая_информационная_система_(информатика)
• 4. Приоритетные направления внедрения технологий умного города в российских городах [Электронный ресурс] /. — Электрон. журн. — Режим доступа: https://roscongress.org/materials/prioritetnye-napravleniya-vnedreniya-tekhnologiy-umnogo-goroda-v-rossiyskikh-gorodakh/