ТРЁХУРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ IT-ИНФРАСТРУКТУРЫ УМНОГО ГОРОДА

В [2] умный город определяется как высокоразвитая городская инфраструктура, обеспечивающая устойчивое экономическое развитие и высокий уровень жизни путём улучшения качества функционирования ряда ключевых сфер жизни города. В идеальной интерпретации умный город представляет собой новый тип городской среды, в которой участие человека в обслуживании инфраструктурного комплекса сведено к минимуму. Автономные системы умного города должны охватывать как можно больше областей, в которых возможна автоматизация человеческого труда, упрощать и удешевлять эксплуатацию объектов городской среды и ускорять решение ресурсоёмких задач управления городской инфраструктурой.

Ключевым элементом концепции умного города являются информационно-коммуникационные технологии, внедряемые в городскую среду и берущие на себя основной функционал принятия решений при управлении автоматизированными системами городского масштаба. ИКТ используются для повышения качества, производительности и интерактивности городских служб, снижения расходов и потребления ресурсов, улучшения связи между городскими жителями и государством [1]. Многие подсистемы умного города (например, адаптивные транспортные сети, системы рационального использования воды и энергии, контроль климата и экологической обстановки) требуют для своего функционирования быстрого и эффективного анализа непрерывных потоков данных о городской среде. Так, например, для построения гибких транспортных систем требуется повременная статистика (в т.ч. в реальном времени) поведения пассажиров общественного и водителей частного транспорта. На основе её анализа может быть построена стохастическая модель [4], используемая для прогнозирования и перераспределения нагрузки на сегменты транспортной сети и корректируемая в зависимости от реального поведения участников движения.

Таким образом, функции IT-инфраструктуры умного города разделяются на решение следующих задач:

– сбор статистических данных о состоянии городской среды и поведении её обитателей;

– анализ статистической информации и построение прогностических моделей;

– выработка реакции на события, возникающие в городской среде.

Статистические данные о состоянии городской среды представляют собой поток информации, получаемой при помощи разнородных датчиков (термометров, датчиков освещённости, RFID-считывателей и т.д.). Количество датчиков и частота снятия показаний зависит от типа и масштаба системы. Формируемый ими поток данных обладает высокой интенсивностью и требует высокоскоростной обработки «на лету», что создаёт значительную нагрузку на вычислительные средства IT-инфраструктуры умного города. Также больших вычислительных мощностей требует построение прогностической модели, которое задействует как накопленные ранее объёмы статистических данных, так и поступающую в реальном времени информацию. Дополнительным фактором, влияющим на построение таких моделей, являются виртуальные информационные потоки. Так, например, на поведение автономных транспортных систем могут влиять сообщения в сети Интернет о массовых мероприятиях, стихийных бедствиях, перекрытиях участков магистралей: при этом за короткое время изменяется распределение нагрузки на отдельные сегменты транспортной сети. В подобных случаях становится особенно важна быстрая выработка реакции, необходимой для стабилизации возникшего отклонения от нормального режима работы системы.

Важной чертой умного города является применение интеллектуальных технологий и способность к самообучению [2]. Это качество умного города призвано свести к минимуму участие человека в регуляции разветвлённых информационных сетей, работающих в составе инфраструктуры. Так, например, при накоплении достаточного объёма данных управляющая логика транспортной сети должна быть в состоянии автоматически строить поведенческие модели пассажиропотоков в рамках принципов, заложенных при проектировании системы.

Таким образом, IT-системы умного города должны обладать способностью к быстрой интеллектуальной обработке больших объёмов данных и высокой степенью надёжности. Оба эти качества предполагают использование распределённой многоуровневой архитектуры. Модель организации IT-инфраструктуры умного города проиллюстрирована рисунком 1 и содержит три основных уровня обработки информации, каждый из которых выполняет различные функции и работает с различными объёмами данных.

Нижний уровень осуществляет непосредственное взаимодействие со средой. В него входят как конечные устройства (светофоры, кондиционеры, автономные транспортные средства и т.п), так и датчики, получающие информацию о состоянии внешней среды. Разные подсистемы требуют различного набора датчиков-регистраторов. В таблице 1 представлены наборы датчиков, требуемых для работы некоторых компонентов умного города.

Этот уровень работает с элементарными объёмами данных и не занимается обработкой получаемой информации. Его основная задача – регистрация состояния окружающей среды и периодическая передача регистрируемых показаний на дальнейшую обработку, а также получение и исполнение команд от вышестоящих уровней. Оборудование, используемое на уровне взаимодействия со средой, имеет невысокую сложность и, следовательно, невысокую стоимость.

Рисунок 1. Трёхуровневая модель IT-инфраструктуры умного города

Таблица 1

Наборы датчиков для подсистем умного города

Уровень агрегации данных представлен микроконтроллерами или микрокомпьютерами, осуществляющими две основные функции: первичную обработку сигналов от датчиков и направление команд исполнительным устройствам. Этот промежуточный уровень работает в масштабе реального времени и формирует агрегированные посылки, содержащие показания датчиков, после чего передаёт их для анализа верхнему уровню инфраструктуры. Верхний уровень, в свою очередь, передаёт микроконтроллерам информацию о том, как должно быть скорректировано поведение исполнительных устройств. Функции непосредственного управления исполнительными устройствами микроконтроллер берёт на себя, тем самым избавляя верхний уровень от необходимости конкретизировать указания с точностью до конечного устройства. Так, например, при поступлении команды перенаправить транспортный поток через другую улицу микроконтроллер должен самостоятельно определить, каким образом для этого необходимо включить светофоры на регулируемом участке.

С устройствами нижнего уровня микроконтроллеры должны соединяться посредством проводных либо беспроводных коммуникаций, позволяющих осуществлять скоростную передачу данных. При этом проводные соединения следует применять в условиях, которые обеспечивают низкую вероятность физического повреждения коммуникационного канала (например, системы жизнеобеспечения в рамках здания или системы контроля расхода электроэнегии). В случаях, когда такие коммуникации проложить невозможно либо затруднительно (место установки конечного устройства удалено от систем электроснабжения либо существует высокая опасность повреждения проводного соединения), следует использовать беспроводную связь. При этом число датчиков и исполнительных устройств, подключаемых к микроконтроллеру, невелико и ограничено техническими возможностями его интерфейсов.

Наконец, верхний уровень IT-инфраструктуры умного города осуществляет аналитические функции и отвечает за принятие решений по управлению подчинёнными системами. Этот уровень должен располагать ресурсами, достаточными для хранения и обработки статистических данных. В его рамках может использоваться дорогостоящее высокопроизводительное оборудование, способное поддерживать быструю работу сложных и, возможно, интеллектуальных алгоритмов. Этот же уровень отвечает за анализ виртуальных информационных потоков, поступающих посредством сети Интернет. Физически центры обработки данных могут иметь распределённую либо централизованную структуру, причём распределённая архитектура предпочтительнее в силу повышенных требований к надёжности подсистем умного города.

Напрямую соединять микроконтроллеры уровня агрегации с оборудованием центров обработки данных нецелесообразно: такой способ подключения усложнит масштабирование систем и усложнит прокладку коммуникаций в условиях реальной городской среды. По этой причине посредником между уровнями агрегации и обработки данных выступает коммуникационная сеть, которая может базироваться на уже существующих каналах связи. В её функции входит приём посылок от микроконтроллеров уровня агрегации, их маршрутизация и доставка обрабатывающему компьютеру, а также обратный транспорт указаний к изменению поведения исполнительных устройств. Поскольку реагировать на изменения в контролируемой среде необходимо максимально быстро, коммуникационная сеть должна обеспечивать низкие задержки и высокую надёжность передачи данных. Физическая среда передачи данных в зависимости от условий также может быть либо проводной, либо беспроводной.

Все уровни систем умного города должны на аппаратном и программном уровнях обеспечивать высокий уровень надёжности и отказоустойчивости, иметь возможность «холодной» и «горячей» замены компонентов, обладать избыточностью для оперативного восстановления работоспособности в случае выхода из строя того или иного узла. Многоуровневая архитектура позволяет реализовать возможность самодиагностики системы, основанной на обмене служебной информацией между устройствами как соседних уровней, так и одного уровня (исключая уровень взаимодействия со средой). Применение дублирования компонентов и связей между ними на двух нижних уровнях позволит повысить степень надёжности системы. Оборудование верхнего уровня менее подвержено воздействиям агрессивной среды и допускает использование техник повышения отказоустойчивости в рамках отдельного вычислительного комплекса (например, организация RAID-массивов, использование распределённых многопроцессорных систем и др.).

Важным аспектом обеспечения корректной работы систем умного города является защита пересылаемых данных. Для обеспечения их безопасности целесообразно использовать шифрование передаваемой информации и использование контрольных сумм, что позволит обнаруживать повреждённые посылки и снизить вероятность внедрения в IT-инфраструктуру вредоносных агентов. Также необходимо обезопасить от несанкционированного доступа устройства уровня агрегации для исключения вмешательства сторонних лиц в их функционирование. Этого можно достигнуть, физически ограждая места установки устройств-агрегаторов от возможности несанкционированного проникновения.

Таким образом, трёхуровневая модель организации IT-инфраструктуры обладает потенциалом для реализации в рамках существующей городской среды и обеспечивает необходимые условия для развёртывания систем умного города. Она применима для любой из подсистем умного города и определяет характеристики, которыми необходимо руководствоваться при выборе аппаратного и программного обеспечения. Потенциально опасным местом в описанной модели являются межуровневые коммуникации, для защиты которых необходимо предпринимать соответствующие меры.

Список литературы:

1. Building a Smart City, Equitable City – NYC Forward [Электронный ресурс]. // NYC Mayor’s Office of Technology and Innovation: сайт. – Режим доступа. – URL: http://www1.nyc.gov/site/forward/innovations/smartnyc.page (дата обращения: 19.03.2017).
2. Nicos Komninos. What Makes Cities Intelligent? // Smart Cities: Governing, Modelling and Analysing the Transition. – 2013. – P.77-95.
3. What is smart city? Defenition and meaning [Электронный ресурс]. // BusinessDictionary: сайт. – Режим доступа. – URL: http://www.businessdictionary.com/definition/smart-city.html (дата обращения: 19.03.2017).
4. William H.K. Lam. People-Oriented Intelligent Transportation Systems in Urban Road Network with Uncertainties. // Proceedings of the RISUD Annual International Symposium 2016 (RAIS 2016) – Smart Cities. – Research Institute for Sustainable Urban Development, the Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China. – 2016. – P.4.