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 высказывается предположение об эффективности экономической, экологической, социальной для систем умного города, построенных на базе открытых систем.Статья посвящена теме построения Умного города на основе открытых систем.
Введение
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.
Понятие «Умного города»
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 детализировать ознакомиться с ее технической частью, с подсистемами. Таким образом, спустившись на технический уровень, обращаемся к концепциям открытых систем, на основе которых существует “Умный город”.
Концепция открытых систем
"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.
C 2012 года произошел ряд качественных скачков в технологиях - были разработаны новые интерфейсы связи и протоколы передачи данных. Одним из наиболее известных интерфейсов связи является LoRa.
Технология LoRa - объединяет в себе метод модуляцииLoRа в беспроводных сетях LPWAN и открытый протокол LoRaWan, обеспечивает межмашинное взаимодействие (M2M) на расстояния до 15 км при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы на одном аккумуляторе АА. Диапазон применений данной технологии огромен: от домашней автоматизации и интернета вещей (IoT) до промышленности и Умных Городов.
Также рассмотрим протокол беспроводной сети IEEE 802.11ah, названный Wi-Fi HaLow. Этот протокол работает на не требующей лицензирования частоте 900 МГц, для обеспечения расширенного диапазона Wi-Fi сетей, по сравнению с обычными сетями Wi-Fi, работающими в диапазонах 2.4 ГГц и 5 ГГц. Его низкое энергопотребление является преимуществом, позволяющим создавать большие группы станций или датчиков, которые взаимодействуют чтобы распространять сигналы, поддерживая концепцию Интернета вещей (Internet of Things, IoT). Низкое энергопотребление протокола конкурирует с Bluetooth и имеет дополнительное преимущество — более высокие скорости передачи данных и более широкий диапазон покрытия.
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.
Помимо приведенных выше 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.
Роль открытых систем в Умном городе
Для реализации проектов в области умных городов 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 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. 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.
Важно отметить, что концепция открытых систем позволит избежать монополии на рынках Умного города и обеспечит возможность конкуренции как для крупных компаний, так и для малого бизнеса.
Примеры
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.
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 распределенные 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.[4]
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 запуск пилотного проекта Умный город в Подмосковье от компании МТС в сентябре 2019. Проект реализуется в рамках программы губернатора Московской области Андрея Воробьева «Безопасный район» и включает три направления: экомониторинг, оптимизацию вывоза бытовых отходов и установку в ряде жилых домов интерактивных инфопанелей.
Датчики экомониторинга призваны заменить находящийся на реконструкции сайт Мосэкомониторинга и контролировать уровень выбросов с полигона «Кучино». В рамках пилотного проекта МТС установила специальные датчики в районе «Новокосино-2», в районе железнодорожной станции «Реутов» и метро «Новокосино». Система в режиме реального времени отслеживает текущую экологическую обстановку в городе: температуру и влажность воздуха, выбросы углекислого газа и концентрацию меркаптанов и формальдегидов – токсичных веществ, которые не только являются причиной неприятного запаха, но и в высоких концентрациях вредны для здоровья человека. В случае превышения значений предельно допустимой концентрации веществ в воздухе, система автоматически проинформирует городские надзорные органы. Мониторинг позволяет следить за состоянием воздуха в городе, фиксировать частоту и масштаб выбросов вредных веществ.
На повышение эффективности управления ресурсами направлена система по оптимизации вывоза отходов. Предложенное решение позволяет формировать гибкий график вывоза отходов в зависимости от наполненности бака. Это позволит снизить стоимость вывоза мусора в среднем на 15% за счет экономии топлива и количества баков, обеспечивает полный контроль в выполнении работ. В перспективе комплексная система вывоза мусора позволяет спрогнозировать и снизить нагрузку на мусороперерабатывающие предприятия.
МТС установила в контейнеры пыле- и влагозащищенные ударопрочные датчики, которые фиксируют уровень его наполняемости, а также отслеживают наличие в воздухе определенных газов, что позволит оперативно отреагировать, например, на возгорание мусора. Датчики подходят для разных типов контейнеров: как для смешанного, так и раздельного сбора мусора. При помощи сети NB-IoT данные о состоянии контейнера отправляются в онлайн-систему планирования и контроля, которая прогнозирует скорость их наполнения. На основании прогноза система рассчитывает оптимальный маршрут сбора и вывоза отходов.
На текущий момент представленный проект продолжает развиваться и масштабируется на другие города Московской области. В 2021-2022 гг. запланировано строительство в 20 городах, в 2023-м - еще в семи городах. При выборе городов также учитывалось наличие массовой застройки и число зданий высокой этажности, близость к МКАД и степень экономической активности.
Контроль и обеспечение комфортного уровня движения транспортных средств - актуальная тема для многих крупнонаселенных городов. Для реализации транспортной подсистемы системы Умного город используются различные решения, основанные на базе открытых систем.
В качестве предлагаемого решения авторами статьи разработана и подготовлена архитектура взаимодействия подсистем в рамках транспортной системы Умного города с использованием интерфейсов и протоколов передачи данных открытых систем (Схема 1).
Преимущества использования открытых систем в "Умном городе"
На сегодняшний день администрации крупных городов и агломераций сталкиваются с серьезными проблемами. Жители ожидают от властей более эффективной работы и более оперативного реагирования на свои проблемы и запросы. Ответ на эти вызовы требует перевода управленческих процессов на электронные рельсы, модернизации административных процедур и консолидации ИТ-систем. Как следствие, платформы с открытым кодом становятся ключом к созданию «умных городов» будущего.
Открытость стимулирует инновации, так как большое количество частных компаний, госучреждений, органов власти, университетов и разработчиков ПО принимают активное участие в формировании и развитии решений с открытым исходным кодом в рамках соответствующих проектов разработки. Эти проекты строятся на сотрудничестве множества самых разных специалистов, которые отслеживают актуальные для своей сферы деятельности темы и транслируют их на язык софта, тем самым сохраняя свой цифровой суверенитет, причем ключевой момент здесь – понимание технологий и способность их развивать и ответственно использовать. В результате, инновационные решения создаются быстрее, чем это делают разработчики проприетарного софта. Как следствие, платформы с открытым кодом могут скорее адаптироваться к новым вызовам, что уже было продемонстрировано при выходе на сцену мобильных приложений, больших данных, облачных вычислений и программно определяемых систем хранения данных.
Облачная операционная система OpenStack служит отличным примером инновационного потенциала проектов с открытым кодом. Зародившись как экспериментальная ИТ-инфраструктура для университетов и грандов облачной индустрии, эта платформа превратилась в один из крупнейших проектов с открытым кодом и в настоящее время применяется большим количеством облачных провайдеров в качестве основы для предоставления услуг и сервисов представителям всех отраслей экономики.
Помимо этого, весьма остро стоит вопрос безопасности. В прошлом нередко можно было услышать, что безопасность и открытый код – это взаимопротиворечивые вещи. Правда же всегда заключалась в том, что ПО с открытым кодом не менее и не более безопасно, чем проприетарный софт, неважно, идет ли речь об операционных системах, связующем ПО, виртуализации или платформах разработки мобильных приложений.
Софт с открытым кодом способен предложить высокий уровень защищенности хотя бы потому, что за ним стоят люди, напрямую занятые решением проблем безопасности. Вендоры ПО, разработчики-фрилансеры и корпоративные заказчики участвуют в проектах с открытым кодом, поскольку высоко ценят эффект мультипликатора, возникающий в результате сотрудничества и позволяющий всем участникам применять коллективно наработанные программные исправления, усовершенствования и функциональные новшества. Когда дело касается информационной безопасности, открытый код значительно повышает шансы на раннее обнаружение и устранение рисков и уязвимостей. Крупные поставщики решений с открытым исходным кодом предлагают здесь комплексную поддержку по всем аспектам безопасности, начиная от оперативного выпуска программных исправлений и сертификации на соответствие требованиям Британского института стандартов BSI и заканчивая обширными базами знаний для специалистов по безопасности.
Заключение
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.
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.
Список используемых источников
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
Открытые системы, процессы стандартизации и профили стандартов [Электронный ресурс] /. — Электрон. журн. — Режим доступа: http://citforum.ru/database/articles/art19.shtml
Открытая информационная система [Электронный ресурс] /. — Электрон. журн. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Открытаяинформационнаясистема(информатика)
Статус национального стандарта России [Электронный ресурс] /. — Электрон. журн. — Режим доступа: https://lar.tech/news/news-084
