ТЕХНОЛОГИИ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ КАК ОСНОВА УМНЫХ УСТОЙЧИВЫХ ГОРОДОВ

INTERNET OF THINGS TECHNOLOGIES AS THE BASIS OF SMART SUSTAINABLE CITIES

Pavel Brindarov

Russian State Social University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Целью данной статьи является исследование технологий интернета вещей в контексте их роли как основы для умных устойчивых городов. В работе рассматриваются технические аспекты и принципы, связанные с применением технологий интернета вещей для создания инфраструктуры умных городов. Были проанализированы сетевая инфраструктура, сенсорные устройства, протоколы связи и системы управления, включая аналитику данных и искусственный интеллект. В результате исследования было выявлено, что технологии интернета вещей предоставляют широкий спектр возможностей для создания умных устойчивых городов. Они обеспечивают сбор и передачу данных с помощью сетей связи, анализ полученных данных, принятие решений в реальном времени и автоматизацию различных систем и процессов. Были рассмотрены примеры успешной реализации технологий интернета вещей в областях управления энергией, транспорта, управления отходами и обеспечения безопасности.

ABSTRACT

The purpose of this article is to study the technologies of the Internet of things in the context of their role as a basis for smart sustainable cities. The paper discusses the technical aspects and principles associated with the use of Internet of Things technologies to create the infrastructure of smart cities. The network infrastructure, sensor devices, communication protocols and control systems, including data analytics and artificial intelligence, were analyzed. As a result of the study, it was revealed that Internet of Things technologies provide a wide range of opportunities for creating smart sustainable cities. They provide data collection and transmission using communication networks, analysis of the received data, real-time decision making and automation of various systems and processes. Examples of successful implementation of Internet of Things technologies in the areas of energy management, transport, waste management and security were considered.

Ключевые слова: интернет вещей, умный город, сетевая инфраструктура, сенсорные устройства.

Keywords: internet of things, smart city, network infrastructure, touch devices.

Современные информационно-коммуникационные технологии играют ключевую роль в трансформации городов и обеспечении их устойчивого развития. Они позволяют оптимизировать управление городской инфраструктурой, автоматизировать процессы, собирать и анализировать данные для принятия более эффективных решений. Современные технологии обеспечивают связность и интерактивность, позволяя горожанам получать информацию о городских услугах, участвовать в принятии решений и взаимодействовать друг с другом и с правительством.

В последние годы в теории и практике территориального управления феномен «умных городов» (smart city) привлекает значительное внимание. Концепция умных городов основана на интеграции информационных и коммуникационных технологий в управлении городской инфраструктурой, услугами и ресурсами, с целью создания более эффективной и удобной городской среды для жителей. В основе концепции лежит сбор и анализ больших объемов данных, использование сенсоров и устройств интернета вещей для мониторинга городской инфраструктуры, развитие цифровых сервисов для удовлетворения потребностей горожан, инновационные системы управления и участие граждан в процессе принятия решений.

Решающее значение имеют инновации в области «Интернета вещей» (IoT). Термин Internet of Things, сокращенно IoT относится к сети физических предметов, которые подключены к интернету и способны взаимодействовать с внешней средой или друг с другом [4]. Каждый из этих объектов обладает уникальной идентификацией и способен передавать и получать данные посредством сетевых соединений. Благодаря подключению к сети Интернета, объекты реального мира становятся «умными» и способны обмениваться информацией между собой и с другими устройствами. Они могут собирать и передавать данные, анализировать их, принимать решения и действовать на основе полученной информации [5].

В умных городах каждая система Интернета вещей обычно включает в себя три основных уровня: верхний слой (приложения и сервисы), коммуникационный слой и облачный слой [3]. Вот краткое описание каждого из этих уровней:

1) Верхний слой системы Интернета вещей включает в себя различные приложения и сервисы, которые используют данные и функциональность умного города. Это могут быть приложения для мониторинга и управления энергопотреблением в домах, системы управления трафиком, платформы для сбора и анализа данных, системы безопасности и многое другое. Верхний слой обеспечивает интерфейс для пользователей и предоставляет функциональность, необходимую для управления и контроля умного города.

2) Коммуникационный слой системы Интернета вещей обеспечивает связь и передачу данных между устройствами в умном городе. Коммуникационный слой включает в себя различные протоколы и сетевые инфраструктуры, такие как беспроводные сети (например, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee), сети передачи данных (например, сотовые сети 3G/4G/5G) и другие формы связи. Коммуникационный слой позволяет устройствам обмениваться данными и взаимодействовать друг с другом.

3) Облачный слой системы Интернета вещей включает в себя облачные серверы и инфраструктуру, где хранятся и обрабатываются данные от устройств в умном городе. Облачные ресурсы предоставляют масштабируемую и гибкую платформу для хранения и анализа данных, выполнения вычислений и предоставления облачных сервисов. Облачный слой позволяет умным городским системам обрабатывать большие объемы данных, получать предсказания и рекомендации, а также управлять и координировать различные устройства и сервисы в режиме реального времени.

Использование сетевой инфраструктуры, сенсорных устройств, протоколов связи и систем управления, включая аналитику данных и искусственный интеллект, является ключевыми элементами в построении умных городов [1].

Сенсорные устройства играют важную роль в сборе данных в умных городах. Они могут включать в себя различные типы сенсоров, такие как датчики температуры, влажности, освещенности, давления, движения и другие параметры окружающей среды. Сенсорные устройства устанавливаются в различных местах города и собирают информацию в режиме реального времени. Собранные данные могут быть использованы для мониторинга, анализа и принятия решений в различных аспектах умных городов.

Протоколы связи определяют правила и форматы обмена данных между устройствами в системе Интернета вещей. Это могут быть стандартные протоколы, такие как MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), CoAP (Constrained Application Protocol), HTTP (Hypertext Transfer Protocol), а также специализированные протоколы для конкретных приложений и устройств. Протоколы связи обеспечивают надежную и эффективную передачу данных между устройствами и позволяют им взаимодействовать и обмениваться информацией [2].

Использование сетевой инфраструктуры, сенсорных устройств, протоколов связи и систем управления в умных городах сталкивается с рядом технических проблем. Среди них - скачки нагрузки на сеть из-за большого количества устройств, уязвимости безопасности, необходимость обеспечения интероперабельности и стандартизации между различными системами, сложности в управлении и анализе больших объемов данных, а также потребность в энергоэффективности. Преодоление этих проблем требует разработки надежных и безопасных решений, стандартизации, эффективного управления данными и энергоэффективности, что является ключевыми аспектами в достижении устойчивого и успешного использования Интернета вещей в умных городах.

Актуальные тенденции и направления в области технологий Интернета вещей (IoT) для умных устойчивых городов включают развитие решений Edge Computing для обработки данных на устройствах IoT, применение искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения для анализа данных и принятия автоматических решений, использование сетей NB-IoT и LPWAN для надежного подключения устройств IoT, расширение применения блокчейна для обеспечения безопасности и прозрачности данных, а также развитие интероперабельности и стандартов для совместимости различных устройств и систем.

Одной из ключевых тенденций является смещение обработки данных ближе к источникам сбора. Развитие решений Edge Computing позволяет выполнять обработку и анализ данных непосредственно на устройствах IoT, что уменьшает задержки в передаче данных и повышает отзывчивость систем. Это особенно важно для умных городов, где требуется быстрая реакция на данные для принятия решений в реальном времени [6].

В традиционной модели обработки данных, собранные информация передается в централизованный облачный центр для анализа и принятия решений. Однако, в умных городах с огромным количеством устройств IoT, такой подход может привести к значительным задержкам в обработке данных и требовать больших пропускных способностей сети. Edge Computing предлагает альтернативный подход, перенеся обработку и анализ данных ближе к устройствам IoT. Данные собираются и обрабатываются на самом устройстве или на локальном уровне в непосредственной близости от него, минимизируя задержки и уменьшая нагрузку на централизованные облачные ресурсы.

Развитие решений Edge Computing позволяет принимать оперативные решения в режиме реального времени. Это особенно важно для умных городов, где требуется мгновенная реакция на данные для управления городскими системами, такими как управление транспортом, общественной безопасностью, освещением и многое другое. Примерами реализации Edge Computing в умных городах являются распределенные системы мониторинга трафика, умные светофоры с аналитикой данных, а также устройства умного дома с автономной обработкой информации.

Сети NB-IoT (Narrowband IoT) и LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) также являются двумя важными технологическими разработками, которые предназначены для обеспечения надежного подключения устройств Интернета вещей (IoT) в умных устойчивых городах. Эти сети обеспечивают широкий охват и долговременную работу батарей устройств, что делает их идеальным решением для умных городов, где требуется множество устройств с низким энергопотреблением, расположенных на большой территории.

NB-IoT – это норма передачи данных для маломощных устройств, работающих в сетях сотовой связи. Она использует существующую инфраструктуру сотовых сетей для подключения устройств IoT, обеспечивая широкий охват, низкое энергопотребление и длительное время работы батарей. NB-IoT позволяет надежно передавать данные на большие расстояния и проникать внутрь зданий и подземных помещений. Благодаря своим характеристикам, таким как низкая стоимость, высокая эффективность использования ресурсов и устойчивость к помехам, сети NB-IoT становятся предпочтительным выбором для развертывания устройств IoT в умных городах.

LPWAN – это технология беспроводной связи с широкой областью покрытия и низким энергопотреблением. Она предназначена для соединения устройств IoT на больших территориях, таких как умные города. LPWAN-сети обеспечивают дальность передачи сигнала в несколько километров и обладают высокой энергоэффективностью, что позволяет устройствам IoT работать на батарейках длительное время. LPWAN включает различные стандарты, такие как LoRaWAN, Sigfox и NB-IoT, и может использоваться для разных сценариев IoT в умных городах, таких как умный дом, системы мониторинга, управление транспортом и многое другое.

Преимущества сетей NB-IoT и LPWAN включают широкий охват, длительное время работы от батарей, низкую стоимость оборудования и эффективное использование спектра. Эти сети способны подключать огромное количество устройств IoT на больших расстояниях и при минимальных затратах на энергию. Они играют важную роль в умных устойчивых городах, где требуется широкомасштабное и энергоэффективное покрытие для связи между различными устройствами и системами.

Таким образом, развитие технологий Интернета вещей играет решающую роль в создании умных и устойчивых городов. Использование сетевой инфраструктуры, сенсорных устройств, протоколов связи и систем управления, включая аналитику данных и искусственный интеллект, предоставляет городам новые возможности для эффективного управления ресурсами, повышения качества жизни горожан и снижения негативного воздействия на окружающую среду. Однако, внедрение технологий Интернета вещей также сопряжено с рядом технических и организационных проблем, таких как безопасность данных, управление большими объемами информации, совместимость систем и обеспечение энергоэффективности. Преодоление этих вызовов требует разработки надежных решений, стандартизации и эффективного управления данными.

Список литературы:

1. Вишняков В. А. Модели устройств и технологии передачи обработки данных в сетях интернета вещей // Системный анализ и прикладная информатика. 2022. №2. С. 34-39.
2. Го Аохуа Система управления дорожным движением на основе технологии блокчейн и интернета вещей // T-Comm. 2022. №10.
3. Зачем Умным городам нужен Интернет вещей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.intelvision.ru/blog/iot-smart-city (дата обращения: 08.07.23)
4. Пак А.К., Базарбай А.М., Ормеке А.Ж., Куттыбаева А.Е. Применение «интернет вещей» в «умном городе» // DIZWW. 2021. №9-1. С. 33-36.
5. Трегубов В.Н. Реализация автономной логистики на основе технологий интернета вещей и блокчейн // Современные информационные технологии и ИТ-образование. 2019. №3. С. 782-790.
6. Хрисанфова Е. Облачные, туманные и граничные вычисления: отличия и перспективы развития технологий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://rb.ru/story/edge-computing/ (дата обращения: 08.07.23)