Размещено на http://www.allbest.ru/

Пермский филиал федерального государственного автономного

образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»

Факультет экономики, менеджмента и бизнес-информатики

Выпускная квалификационная работа

по направлению подготовки 38.03.05 Бизнес-информатика

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ УМНОГО ГОРОДА

Шестакова Анна Юрьевна

Руководитель кандидат технических наук, доцент кафедры

информационных технологий в бизнесе

О.Л. Викентьева

Пермь, 2020



Аннотация

Данная выпускная квалификационная работа выполнена студентом 4 курса ВШЭ - Пермь, факультета экономики, менеджмента и бизнес-информатики, образовательной программы «Бизнес-информатика», группы БИ-16-2 - Шестаковой Анной Юрьевной. В данной работе описано проектирование цифрового двойника «умного города» с ограничением двумя сферами деятельности человека: развлечения и безопасность. Работа состоит из трёх глав, 72 страниц и включает в себя 35 рисунков, 14 таблиц и одно приложение.

В первой главе рассмотрена сфера умных городов, дано определение данного понятия с различных точек зрения и в разные периоды времени, а также описаны уже реализованные проекты в России и в мире.

Во второй главе проводится обоснование выбранного метода описания системы - архитектурного описания, а также разработана архитектурная модель, на основе которой проведен анализ основных бизнес-процессов. На основе описанных бизнес-процессов выделены поля, необходимые для хранения и обработки в цифровом двойнике. Также в данной главе описан выбор технологий для проектирования цифрового двойника.

В третьей главе описывается процесс проектирования цифрового двойника. Приведены конкретные примеры реализации различных типов баз данных и концептуально описано их взаимодействие.

Ключевые слова: smart city, умный город, digital twin, цифровой двойник, моделирование, модель умного города, документо-ориентированная база данных, временной ряд, бизнес-процессы в умном городе, архитектурный метод, архитектура предприятия, MongoDB, реляционная база данных, InfluxDB.



Abstract

This bachelor's thesis describes the design of the digital twin of the “smart city” with the restriction to two areas of human activity: entertainment and security. The work consists of three chapters, 72 pages and includes 35 figures, 14 tables and one application.

The first chapter considers the sphere of smart cities, defines this concept from various points of view and at different time periods, describes already implemented projects in Russia and in the world.

In the second chapter, the chosen method for describing the system is justified, and an architectural model of smart city is created, and the main business processes were defined. Then the model was limited by two areas of human activity: entertainment and security. Based on the described business processes, the fields necessary for storage and processing in a digital double are highlighted. This chapter also describes the selection of technologies for designing a digital twin.

The third chapter describes the design process of a digital twin. Concrete examples of the implementation of various types of databases are given and their interaction is conceptually described.

Keywords: smart city, digital twin, modeling, smart city model, document-oriented database, time series, business processes in a smart city, architectural method, enterprise architecture, MongoDB, relational database, InfluxDB.



Оглавление

Введение

1. Анализ предметной области умных городов

1.1 Понятие умного города

1.1.1 «Умный город» с научной точки зрения

1.1.2 «Умный город» с точки зрения инфраструктуры

1.1.3 «Умный город» с информационно-технологической точки зрения

1.2 Описание структуры умного города

1.3 Описание жизненного цикла умного города

1.4 Анализ реализованных проектов в России и в мире

1.4.1 Самые «умные» города мира

1.4.2 Самые «умные» города России

2. Обоснование выбранного метода разработки системы и проектирование информационной модели умного города

2.1 Описание сфер деятельности человека, которые используются в «умном городе»

2.2 Бизнес-процессы, протекающие в «умных городах»

2.3 Описание объектов умного города и определение данных для хранения в базе данных

2.3.1 Сфера безопасности

2.3.2 Сфера развлечений

2.4 Обоснование выбора технологий

2.3.1 Выбор документо-ориентированной базы данных

2.3.2 Выбор базы данных временных рядов

2.3.3 Выбор реляционной базы данных

3. Проектирование информационной модели умного города

3.1 Построение ER-диаграммы

3.2 Проектирование базы данных

3.2.1 Проектирование реляционной базы данных

3.2.2 Проектирование базы данных временных рядов

3.2.3 Проектирование документо-ориентированной базы данных

3.3 Связь различных типов баз данных

Заключение

Библиографический список

Приложение А



Введение

умный город информационный модель

Большинство процессов, являющихся необъемлемой частью жизни любого человека в современном мире, либо находятся сейчас в стадии автоматизации, либо уже полностью автоматизированы. В основе любой автоматизации лежит в первую очередь информация: быстрый сбор, грамотное хранение и корректное её отображение является основой хорошей автоматизации.

Что касается мелких ежедневных рутинных процессов, в крупных развитых городах мира они уже автоматизированы частично или полностью. Примером может стать оплата проезда банковской картой. Однако ученые во всем мире сходятся во мнении, что человеку было бы удобнее жить в полностью автоматизированном мире - это бы экономило ресурсы и время. Также автоматизация всех процессов позволила бы качественнее принимать решения, исключая человеческий фактор, а основываясь на лишь на цифрах, статистике и встроенных подпрограммах. На основе этих мыслей ученых и была разработана идея «умного города». «Умный город» -- это градостроительная концепция интеграции множества информационных и коммуникационных технологий, в том числе систем Интернета вещей (IoT) для управления городской инфраструктурой: транспортом, образованием, здравоохранением, системами ЖКХ, безопасности и так далее [1].

Как только появилась концепция «умного города», в мире и в России начали реализовываться отдельные проекты, связанные с этой областью. Согласно данным за 2019 год в мире осуществлены уже 278 проектов внедрения «умного города». В России, в свою очередь, осуществлены 229 проектов [2]. Все эти проекты охватывают либо отдельные сферы жизни, либо даже отдельные процессы в жизни человека. На сегодняшний день самой крупной разработкой в этой области является техническая база для сбора всей информации, необходимой для функционирования «умного города». Однако единой информационной системы, которая позволяла бы не просто собирать и хранить, а ещё и обрабатывать и анализировать эту информацию в мире не спроектировано. Именно этот факт и определяет актуальность данной работы.

Объектом выпускной квалификационной работы является информация, которая хранится и обрабатывается в умном городе.

Предметом выпускной квалификационной работы является информационная модель (цифровой двойник) умного города. Цифровым двойником называют динамическое виртуальное представление физического объекта или системы в течение всего жизненного цикла с использованием данных в режиме реального времени для понимания, изучения и рассуждения [3]. В контексте данной работы цифровым двойником будет считаться спроектированная база данных (или различные виды баз данных, каким-либо образом объединенные), на основе которой можно составить подробное представление о работе умного города и процессах, протекающих внутри него.

Целью работы является проектирование цифровой модели умного города. Для того, чтобы достигнуть поставленную в данной работе цель, необходимо решить несколько задач:

1. Проанализировать информацию, необходимую для осуществления и поддержки бизнес-процессов, протекающих в «умном городе»;

2. Проанализировать и разработать архитектурную модель умного города;

3. Выбрать технологии, которые лучше всего подойдут для работы с данными в рамках проектируемой модели;

4. Спроектировать информационную модель умного города, ограничившись выбранными модулями;

5. Спроектировать прототип информационной модели умного города.

Таким образом, в результате выполнения по порядку всех вышеперечисленных задач, будет достигнута цель выпускной квалификационной работы - будет разработана информационная модель умного города. Данная модель может стать основой проектирования и разработки всей системы умного города.



1. Анализ предметной области умных городов

В данной главе проведён подробный анализ предметной области умных городов, который включает в себя: определение умного города с различных точек зрения, описание структуры «умного города», определение этапов жизненного цикла умных городов. Также в этой главе приведено подробное описание основных реализованных проектов в России и в мире.

1.1 Понятие умного города

По данным Организации Объединённых Наций мировое население к 2050 году вырастет до 9,7 миллиардов. Из них 6,3 миллиарда людей будут жить в городах [4]. Для такого высокого темпа урбанизации есть две причины. Во-первых, люди переезжают из деревень или других небольших населённых пунктов в крупные города ради более качественных условий жизни и уровня жизни в целом, ради более высокооплачиваемой работы и т. д. Во-вторых, люди переселяются не в рамках одной страны, а в мировых масштабах: мигранты из отдаленных бедных районов развивающихся или слаборазвитых стран переселяются в крупные страны, где опять же выше уровень жизни, лучше условия, проще найти работу или выгодные условия для приезжих жителей.

В связи с тем, что города разрастаются, ими становится всё сложнее управлять. Необходимо большое количество рабочих рук, чтобы обслужить каждого жителя, при этом качественно и быстро, чтобы уровень жизни не падал, а только возрастал с годами. Данная необходимость стала одной из причин начала автоматизации разных процессов. Начиная от оплаты проезда и касс самообслуживания в магазинах, и заканчивая управлением дорожными картами, поддержкой принятия управленческих решений, электронным ЖКХ -- это примеры осуществление проектов «умных городов».

Несмотря на то, что понятие «умного города» появилось сравнительно недавно, данный термин уже широко применим [5]. Изначально термин появился в англоязычной версии - «smart cities», однако на нынешнем этапе данное понятие используется в более широком смысле: «умный» заменяется на «интеллектуальный» или «цифровой».

На понятие и определение «умного города» можно смотреть с разных сторон. В данной работе будут рассмотрены следующие аспекты, так как эти точки зрения подкреплены работами ученых [4]:

ѕ с научной точки зрения;

ѕ с точки зрения инфраструктуры;

ѕ информационно-технологический взгляд.

1.1.1 «Умный город» с научной точки зрения

Рассматривая понятие «умного города» с научной точки зрения, можно вывести следующее определение [4]: «Умный город - безопасный, экологически защищенный (зеленый) и эффективный городской центр будущего с передовой инфраструктурой из сенсоров, электроники и сетей, которая стимулирует устойчивый экономический рост и высокое качество жизни». Многие ученые, рассматривающие данное понятие с научной точки зрения, подчеркивают важность человеческого капитала, современной инфраструктуры и информационных технологий.

Британский институт стандартов (British Standard Institution, BSI) описывает умный город, как: сочетание различных систем (человеческой, физической, информационной и других) максимально эффективным способом, чтобы в результате получить устойчивое, высокоинтеллектуальное, удобное и комфортное будущее для граждан города.

Информационные технологии позволяют городской власти напрямую взаимодействовать с сообществами и городской инфраструктурой, и следить за тем, что происходит в городе, как город развивается, и какие способы позволяют улучшить качество жизни. За счет использования датчиков, интегрированных в режиме реального времени, накопленные данные от городских жителей и устройств обрабатываются и анализируются. Собранная информация является ключом к решению проблем неэффективности. ИКТ используются для повышения качества, производительности и интерактивности городских служб, снижения расходов и потребления ресурсов, улучшения связи между городскими жителями и государством.

Для более наглядного изображения того, что понимается под «умным городом», можно проанализировать следующую иллюстрацию (см. рис. 1.1).

Рисунок 1.1 Визуализация «умного города» [6]

Как видно по рисунку, каждый объект, существующий в «умном городе», оборудован датчиком, подающим сигнал. Сигналы могут быть разными, но храниться они должны в одном месте. Для этого необходимо спроектировать единую информационную систему, приспособленную к восприятию, обработке и хранению разрозненной информации. Она должна уметь превращать неструктурированный набор данных в удобный для анализа вид. Также некоторая информация должна быть отобрана из интернета, из различных приложений и сайтов.

1.1.2 «Умный город» с точки зрения инфраструктуры

С этой точки зрения, под «умным городом» понимают город, который отличается высоким развитием современных (в том числе информационных) технологий. Этот город также выделяется тем, что соединяет воедино все элементы городской инфраструктуры и информацию, полученную из них. Система управления таким городом использует самые новые технологии и устройства, что позволяет сформировать комфортную среду жизни для людей, высокий уровень жизни, а также так называемый «зеленый» город (на высоком уровне производится защита окружающей среды).

В данном контексте в «умном городе» проживают люди, которые хотят изменить условия своей жизни в лучшую сторону, за счет использования современных технологий, которые используются во всех сферах жизни, улучшая условия. Как уже было сказано выше, в России пока не существует информационной системы, охватывающей весь город целиком. Однако, проекты в сфере «умных городов» в нашей стране уже реализованы. В основном они существуют в сферах: электроэнергетика, транспорт, общественная безопасность. Другими словами, разрабатываемые проекты не направлены на широкие отрасли, они работают только на очень узких сферах.

Если рассматривать более крупные и масштабные проекты, которые работают более комплексно, в России такие проекты реализовываются в рамках greenfield-инициатив, то есть это проекты, которые реализуются «с нуля» - без необходимости внесения изменений в существующие проекты. Часто понятие greenfield-проект используют в качестве синонима стартапу.

1.1.3 «Умный город» с информационно-технологической точки зрения

С информационно-технологической точки зрения, «умный город» определяется как способ создания более интеллектуальных и эффективных элементов инфраструктуры: городская администрация, система образования и здравоохранения, охрана общественного порядка, транспортная инфраструктура и так далее.

С этой точки зрения, в основе любого «умного города» должна находиться информация. Информация должна накапливаться с различных датчиков, установленных на зданиях и других объектах «умного города». Обмен данными должен поддерживать связь всех внутренних процессов города, создавая единую экосистему. Данные, полученные с датчиков, необходимо использовать так, чтобы условия жизни горожан были устойчивыми и комфортными, а также более экономичными. Для устойчивого развития города используется модель умного операционного управления.

Очень часто в различных источниках при описании классификации умных городов можно увидеть ссылку на следующую таблицу (табл. 1.1) [4]:

Таблица 1.1

Классификация определений умного города

Главные признаки классификации	Классификация определений умного города
	Идеологическое измерение (каково видение умного города?)	Нормативное измерение (где/какая сфера?)	Технологическое/инструментальное измерение (кому будет передан результат проекта умного города?)
Цель создания умного города	Улучшение качества жизни жителей	Формирование устойчиво зеленой среды для жизни	Инновационная трудовая жизнь
Фокус на	Услугах	Инфраструктуре	Человеческом/социальном капитале

Для соотнесения данных, представленных в таблице 1.1, и описанной выше классификации, можно предоставить следующие взаимосвязи: идеологическое изменение - это «умный город с точки зрения инфраструктуры», нормативное мировоззрение - это «умный город с научной точки зрения», а технологическое/инструментальное измерение - «умный город с информационно-технологической точки зрения».

1.2 Описание структуры умного города

В связи с тем, что «умные города» -- это инновационная и популярная тема в современном мире, существует множество трактовок, из каких частей должен состоять «умный город» для его качественного функционирования, а также как описать его инфраструктуру Некоторые ученые, изучая инфраструктуру умных городов, описывают её как имеющую следующие отличительные черты или особенности [7]:

ѕ повышение привлекательности для инвестиций и просто жизни;

ѕ создание новых рабочих мест (данный пункт способствует осуществлению первого пункта, что указывает на то, что «умный город» -- это сложная и постоянно совершенствующаяся система);

ѕ эффективная социально - культурная среда (чтобы новые жители не чувствовали себя одинаковыми, а сохраняли индивидуальность);

ѕ бережное отношение к ресурсам (причем как к возобновляемым, например, электричество, так и к невозобновляемым, таким как вода);

ѕ оптимизация транспортных потоков (так как в связи с возрастающим населением повысится и темп жизни жителей, следовательно, увеличится транспортный поток);

ѕ так называемые, интеллектуальные здания, автоматизированные коммерческие сервисы и “engineering infrastructure” (данный термин обозначает автоматизацию ежедневных событий и действий жителей города: заказ такси, оплата счетов, покупка продуктов, оплата проезда в транспорте и так далее).

Данное описание инфраструктуры «умных городов» понятно объясняет суть: максимально применять информационные технологии (и постоянно обновлять технологии, так как в сфере ИТ очень быстро происходит смена устройств и методов на более современные), чтобы обеспечить новым, всё больше прибывающим в крупные города людям достойный в материальном плане уровень жизни, рабочее место и комфортные условия для существования (в частности, возможность автоматизировано выполнять ежедневные действия).

Что включает в себя понятие «умный город» и какие у него есть составные части также вопрос открытый. Многие ученые делят по-своему, а иногда одно и то же понятие каждый ученый называет по-своему. После анализа нескольких таких разделений, был сформулирован следующий список составных частей «умного города»:

1. Smart Economy. Для описания этого термина применяют следующие понятия: продуктивность, четкое определение, как связаны между собой (и как разделены) сферы личная и публичная, развитие предпринимательства как способ повышения экономического состояния города, соблюдение и поддержание экономических трендов в обществе и тесная связь жизни с экономикой.

2. Smart People. «Умных людей» отличает: гибкость и мобильность как основа стиля жизни, они являются высококвалифицированными профессионалами в выбранной сфере, они готовы обучаться всю жизнь, тяга к новым знаниям и навыкам, а также стремление к самосовершенствованию как в работе, так и в личной жизни. Главенство разума и логики над эмоциями, если дело касается принятия каких-то важных и ответственных решений.

3. Smart Living. Высокий уровень социальных условий жизни, забота о здоровье, высокий уровень медицинских услуг, постоянное обучение.

4. Smart Governance. Системы, которые являются основными на случай чрезвычайного происшествия (пожарная, скорая помощь, полиция и так далее) должны быть доступны 24/7 без ограничений для всех членов общества, поддержка принятия решений с помощью цифровой инфраструктуры и новейших технологий, доступность социальных публичных сервисов для оказания услуг, контроль уровня урбанизации (чтобы не допускать перенаселения городов при недостаточном уровне оснащения ресурсами).

5. Smart Mobility. Для жителей не должно быть абсолютно никаких преград в передвижении как внутри своего города, страны, так и между странами. Должно быть достаточно ресурсов, чтобы любой житель мог поддерживать высокий уровень автоматизации своей жизни. Важно следить за безопасностью жителей в разных сферах.

6. Smart Environment. Управление ресурсами: особое внимание к невозобновляемым ресурсам, но также и контроль возобновляемых ресурсов, например, контроль и уменьшение потребления электроэнергии, защита окружающей среды и помощь в её восстановлении, регулирование загрязнений воздуха и сведение их к минимуму.

Главной целью разработки и внедрения системы “умный город” является необходимость в более качественном менеджменте городов. Для того, чтобы внедрение системы “умных городов” было более эффективное, ученые используют международные стандарты повышения качества управления.

В 2014 году Международной организацией по стандартизации были разработаны два новых стандарта качества муниципального управления: ISO 1809115 и ISO 3712016 [8]. Стандарт ISO 18091:2014 «Системы менеджмента качества. Руководящие указания по применению ISO 9001:2008 в местном самоуправлении» отражает стандарт города со стороны администрации: например, управление административно-хозяйственной деятельностью. С помощью данного стандарта есть возможность выставить приоритеты в управлении, на что больше всего необходимо обратить внимание. Также данный стандарт помогает определять задачи социально-экономического развития городов. Он помогает совершить оценку административной деятельности по следующим сферам: институты управления, экономическая и социальная сферы, а также уровня окружающей среды. В стандарте использовано 39 показателей.

Еще один разработанный стандарт - ISO 37120:2014 «Устойчивое развитие населенных пунктов -- показатели эффективности работы городских служб и качества жизни» [8]. Он использует системы показателей из около ста индикаторов, которые позволяют оценить 17 направлений развития города. С помощью этих индикаторов можно оценить динамику и эффективность оказания услуг (в частности, муниципальных), а также в целом качество жизни в городе. Этот стандарт дает возможность проводить сравнительный анализ нескольких городов, чтобы формировать рейтинги. Также данный стандарт может быть использован федеральными органами управления для того, чтобы оценивать своих подопечных - более мелких единиц управления (например, городские власти).

Разработка подобных стандартов важна, так как позволяет сделать деятельность властей более прозрачной, а также повысить лояльность населения к ним. Также с их помощью можно наладить взаимоотношения и координацию между административными подразделениями разных городов, а также стандарты помогают принимать более взвешенные и грамотные управленческие решения. Всё это в результате повысит уровень жизни в городах.

В качестве примера использования международных стандартов можно привести проведение международных мероприятий: спортивных, политических и т.д. Данные мероприятия побуждают городское руководства к совершенствованию внутренней инфраструктуры. Например, города проведения Чемпионата мира по футболу-2018 должны были следовать стандарту ISO 20121:2012 «Система менеджмента устойчивости событий», стандарту экологического менеджмента ISO 1400118, национальному стандарту ГОСТ Р ИСО 14001-200719, а также национальным и международным стандартам в области «зеленого строительства» [8].

Таким образом, если имеется понимание о том, какие составные части «умных городов» выделяют ученые, нужно понять, как эти составные части возникают и совершенствуются: в какой момент развития города это происходит. Для этого нужно изучить, какие этапы жизненного цикла умного города существуют.

1.3 Описание жизненного цикла умного города

Для того, чтобы иметь возможность комплексной автоматизации целого города, нужно понимать, как развивается система, какие стадии жизненного цикла она проходит. К анализируемым этапам жизненного цикла «умного города» (которые аналогичны этапам жизненного цикла просто города) были отнесены следующие стадии: развитие, расширение, стагнация, упадок.

1. Стадия развития города.

Для первой стадии жизненного цикла города характерна ситуация, когда стремительными темпами растет площадь жилья, количество благ и ресурсов. Вместе с этим количество жителей и рабочих мест «не успевает» за развитием ресурсов и возникает переизбыток последних. Обычно в этой стадии происходит зарождение градообразующих предприятий, увеличивается приток инвесторов в город, город становится привлекательным для жизни. Если говорить о таких показателях как безработица - она почти отсутствует, а иногда и полностью отсутствует на этой стадии развития города. Можно отметить, что для этой стадии больше характерен дефицит рабочих мест, чем безработица. Городская среда улучшается на данном этапе очень стремительными темпами.

Очень быстрый и бурный рост «умного города» в современном понимании обозначает, что будет увеличено количество жилья, общественных благ, рабочих мест и так далее совместно с резким увеличением жителей городов (население будет увеличиваться в связи с очень большим темпом урбанизации). В данном контексте уместно будет упомянуть об одной из составляющих частей «умного города» - «умной экономике», которая в первую очередь будет подстраиваться под увеличение жителей городов.

«Умная экономика» на этом этапе развития города проявляется как интенсивное строительство, бурный рост городской экономики, становление города привлекательным для инвестирования. За счет этого практически пропадает безработица, а комфорт условий жизни, транспортная доступность и инфраструктура, наоборот, находятся на стадии активного роста.

Применение интеллектуальных способов управления городом позволяет контролировать соотношение объемов производства, занятости населения и потоков кадров в город. Для «умного города» характерно существование единой информационной системы, которая управляет информационным потоком в городе и контролирует основные показатели.

Однако как бы ни была привлекательна данная фаза жизненного цикла города, она физически не может длиться долго и переходит в фазу замедляющегося роста (расширения).

2. Стадия расширения города.

Следующая стадия, плавно вытекающая из первой, может быть охарактеризована как состояние города, когда текущее количество рабочих мест, которые могут быть предоставлены жителям, не хватает на всех желающих работать. Из-за этого возникает безработица, ресурсы и жизненные блага начинают образовывать дефицит. Инфраструктура и предприятия больше не совершенствуются такими темпами, как при первой стадии развития города - значительно медленнее.

На данной фазе развития города обычно прекращает своё развитие (или сильно замедляет темп развития) градообразующее предприятие. Инвесторы начинают терять интерес к городу, из-за чего возникает нехватка финансирования для поддержания общественных благ. Город становится менее удобным для жизни, но все еще притягателен для переезда в него из-за наличия рабочих мест, в том числе высокооплачиваемых.

Если данная фаза сохраняется без улучшений длительный период времени, город постепенно переходит в следующую стадию жизненного цикла - стагнацию.

3. Стадия стагнации города.

Стагнация - это застой в экономике, производстве, общественной жизни и т.д. Из названия данной фазы понятно, что происходит с городом в эту фазу. Всё сильнее увеличивается разрыв между количеством рабочих мест и желающими работать. Количество благ, ресурсов и денег в городе перестает расти, а также сильно недостаточен для текущего количества проживающих.

Из-за того, что возрастает безработица и привлекательность рабочих мест на убыточных предприятиях не вызывает желание оставаться жить в этом городе, люди начинают планировать переезды в другие места. Состояние городской среды резко ухудшается, привлекательность города для переезда в него крайне низкая. Такое состояние города в длительном периоде без улучшений приводит к переходу города в финальную стадию жизненного цикла.

4. Стадия упадка города.

Данная стадия считается финальной. Для неё характерен дискомфорт городской среды: жилищные условия плохие, количество ресурсов недостаточно, рабочих мест нет, экологическая ситуация пагубно влияет на жизнь людей в этом месте. Уровень безработицы достигает таких пределов, что люди перестают видеть перспективы в этом городе и начинают мигрировать, искать более выгодные места для проживания. Предприятия закрываются, становятся банкротами, инвесторы не обращают никакого внимания на город. Состояние инфраструктуры находится на самом низком уровне.

Города, находящиеся на данной стадии развития, называют «депрессивными». Это города, которые не в состоянии справиться с ситуацией, в которой они оказались и из такого сильного упадка без помощи государства выбраться уже не в состоянии. Однако для государства невыгодно вкладывать ресурсы в «депрессивные» города, потому что они становятся центрами социальной напряженности не только внутри себя, но и захватывают близлежащие территории. Государство предпочитает окончательно ликвидировать такие города.

1.4 Анализ реализованных проектов в России и в мире

Как было указано во введении, по данным на 2019 год в мире осуществлены уже 278 проектов внедрения «умного города» (см. рис. 1.2). Как видно по карте, большинство проектов осуществлены в Сингапуре (46 проектов), в Лондоне (29) и Дубае (28). Это связано с тем, что именно эти регионы развиваются очень высокими темпами. К примеру, Сингапур начал своё стремительное развитие только в 1959 году, однако уже к настоящему времени (2019-2020 году) является одним из самых развитых по своей инфраструктуре государств в мире. Уровень развития измерялся с помощью индекса The Social Progress Index. Этот индекс измеряет достижения стран мира с точки зрения общественного благополучия и социального прогресса, он охватывает страны, для которых имеются достоверные показатели, и базируется на комбинации данных из опросов общественного мнения (12%), оценок экспертов в области развития (25%) и статистической информации международных организаций (61%). у Сингапура в 2018 году этот индекс был равен 85,42 (что является 23 местом в рейтинге по всему миру).

В России, по данным открытой базы знаний мировой практики Smart City, по данным на 2019 год осуществлены 229 проектов (см. рис. 1.3) [2].



Рисунок 1.2 Количество проектов по внедрению системы умного города в мире

Из Российских городов лидерами по осуществлению проектов умных городов стали: Москва (49 проектов), Казань (10), Санкт-Петербург (9). В данном случае статистика также объяснима: Москва - столица России, она растёт очень высокими темпами, как территориально, так и с точки зрения информационных технологий. Казань и Санкт-Петербург также являются крупными городами, в которых быстрыми темпами развивается сфера ИТ [2].



Рисунок 1.3 Количество проектов по внедрению системы умного города в России

Также можно отметить, что были предприняты попытки оценить потенциал российских регионов в области создания «умных городов» на основе сравнения их экономического, инновационного, человеческого, технического, инвестиционного, бюджетно-финансового, градостроительного и экологического потенциала. Большинство городов, возможность смартизации которых по результатам исследования была оценена как высокая, входит в число лидеров Рейтинга устойчивого развития городов России, составленного агентством «Эс Джи Эм». В российские лидеры попали Москва, Екатеринбург, некоторые города Подмосковья, Ханты-Мансийского и Ямало-Ненецкого автономных округов.

Если сравнить эти результаты с представленной выше статистикой внедрения проектов «умных городов» в России, то можно заметить, что, к примеру, Екатеринбург, обладающий высоким потенциалом для внедрения проектов умного города, не развивается в этой области так, как мог бы.



1.4.1 Самые «умные» города мира

Чтобы составить рейтинг «самых умных городов» мира, были использованы рейтинги от четырех независимых компаний из разных стран: Forbes, PwC, Juniper Research (международное агентство по исследованиям рынка) и EasyPark (шведская IT-компания) [9].

1. Сингапур присутствует во всех рассматриваемых рейтингах, а в рейтинге от Juniper Research он занимает первое место. Основной элемент «умного города» в Сингапуре - это умное движение. В этом городе-государстве интеллектуальные решения внедрены как в личный, так и в общественный транспорт. Примерами могут стать умные светофоры, основная задача которых - минимизировать пробки и заторы на дорогах, а также дорожные датчики, которые постоянно измеряют плотность трафика и подстраивают под это всю транспортную инфраструктуру. Еще одним примером умного движения можно назвать «умные парковки», которые также используют множество датчиков для регистрации количества свободных мест на той или иной парковке, отправляя эту информацию в удобном виде в приложение. Пользователь в пути может оценить состояние парковки и изменить маршрут, в случае надобности. Также Сингапур уже запустил на своих дорогах беспилотные автомобили, а к 2020 году все автомобилисты будут обязаны установить навигационную систему, отслеживающую положение авто. В городе разработан концепт «Виртуальный Сингапур»: 3D-симуляция, на которой можно проводить тесты. Например, спланировать эвакуацию города в случае чрезвычайной ситуации.

Еще одним важным аспектом умного города является грамотное потребление ресурсов. Правительство Сингапура пытается оптимизировать расходы воды и снизить зависимость от Малайзии, откуда город импортирует пресную воду. Для этого кварталы Сингапура оборудуют сенсорами, которые могут отследить потребление электроэнергии, воды и другие показатели в режиме реального времени. Один из кварталов, например, уже оснащен вакуумной системой управления отходами и солнечными панелями для выработки электроэнергии. Все это не только позволяет экономить, но и учит бережно относиться к ресурсам [10].

Что касается здравоохранение - и в этой области Сингапур внедряет «умные» технологии. С 2014 года в городе тестировали систему добровольного наблюдения за пожилыми. В их квартиры и на двери устанавливали специальные датчики, отслеживавшие перемещение пожилых людей. Когда система определяла, что человек долгое время находится без движения, она предупреждала об этом родственников и медицинских специалистов.

2. На втором месте в сводном рейтинге находится Лондон. Он попал в число умных городов благодаря своему крупному дата-центру и высокотехнологичным решениям проблем трафика. Так как Лондон был в числе первых городов Европы, столкнувшихся с огромным неконтролируемым трафиком на дорогах, власти этого города уже давно начали борьбу с пробками и перестройку транспортной инфраструктуры. Система умных парковок (похожая на ту, что действует в Сингапуре) внедрена в Лондоне с 2014 года. Помимо этого, с 2002 года действует система платежей за перегруженность дорог, которая сейчас уже стала полностью цифровой (водитель платит за право пользоваться автомобилем в транспортно-загруженной зоне в будние дни).

Из-за того, что в Лондоне схемы метро очень запутанные, а расстояния по городу приходится преодолевать часто с пересадками на общественном транспорте, чтобы жителям было комфортнее планировать свою поездку, были разработаны различные приложения, строящие маршруты по городу. В частности, система SmartLondon. Статистическая аналитическая система позволяет выявлять наиболее пожароопасные дома. Моделирование каждого района города складывается из 60 критериев, включая демографические, геологические и исторические данные. Кроме того, на 1 кв. км Лондона приходится свыше 300 камер наружного видеонаблюдения [10].

3. Нью-Йорк. Данный город добавлен в рейтинг из-за своих передовых систем безопасности: город охвачен сетью видеокамер, на улицах установлены сенсоры, фиксирующие звуковые вибрации от выстрелов и отправляющие сигнал в полицию. Есть и современная система профилактики пожаров. В центре города установлены интеллектуальные мусорные урны BigBelly -- они снабжены датчиками, которые сообщают, когда пора отправлять за ними мусоровоз. Также смарт-технологии применяются для уличного освещения. Система собирает данные о загруженности улиц и шоссе и выбирает оптимальный режим работы фонарей.

4. Барселона, как и предыдущие города из списка, использует интеллектуальные системы парковки и движения для мониторинга заторов. Однако этот город выделяется «умным» по еще одной очень важной причине. Барселона активно использует солнечную энергию. В 2000 году указ «О солнечной тепловой энергии» предусматривал, чтобы все крупные здания производили собственную горячую воду, а в 2006-м городские власти обязали использовать солнечные водонагреватели [10].

Кроме того, Барселона выделяется своей сетью общественного транспорта. Она является одной из самых чистых в мире, благодаря парку гибридных автобусов, а также смарт-велосипедной инициативой Bicing, которая дает доступ к более чем 400 велосипедным станциям через годовую подписку или телефонные платежи. Городские власти даже мусор с улиц вывозят «по-умному». В городе внедрена следующая система: контейнер оборудован ультразвуковыми сенсорами, которые подают сигнал, когда он полон, это позволяет значительно экономить топливо мусороуборочных машин и рабочее время городских служб.

Главная «умная» система в Барселоне - Sentilo. 550 датчиков - приборы наблюдения водоснабжения, света, энергии, дорожной обстановки, уровня шума и так далее - они собирают информацию об обстановке в городе. Все данные открытые, а значит, не только помогают властям планировать застройку, но и являются хорошей основой для разработок независимых коммерческих компаний.

5. Копенгаген. Столица Дании заняла верхнюю строчку в рейтинге EasyPark. Копенгаген имеет неофициальный титул «самый велосипедный город Европы», так как здесь очень развита именно велосипедная инфраструктура. В Копенгагене «умные» технологии применяют в сфере освещения улиц и домоуправления. В 2017 году стартовал проект по оснащению велосипедов датчиками, главной задачей которых будет сбор и передача информации об уровне загрязнения дорог и о трафике.

В том же году власти Копенгагена и компания Hitachi создали «городскую базу обмена данными». Теперь любое физическое и юридическое лицо, от рядового горожанина до администрации столицы, может разместить здесь имеющиеся у них данные. Это выглядит как сотрудничество социальных институтов: общества, полиции, администрации и экстренных служб.

6. Осло стремится к прогрессивной и более чистой жизни. Городские власти следят за потреблением ресурсов: таким образом, в городе в настоящее время используется 65 тыс. LED-ламп, они не только уменьшают количество потребляемой энергии, но и самостоятельно регулируют степень освещения. Когда в городе туманно, такие лампочки светят более ярко, когда светло - наоборот. В столице Норвегии власти планируют построить дополнительные 37 миль велосипедных дорог и запретить автомобилям находиться в центре города, чтобы избавиться от трафика и позволить жителям комфортно добираться до работы [10].

В Осло отходы - один из основных видов топлива, при этом используются как промышленные, так и стандартные отходы. Интересно, что из-за того, что город использует так много отходов для топлива, их запас в 2013 году был исчерпан и властям пришлось импортировать мусор из-за рубежа. В будущем Осло стремится сократить выбросы топлива на 50% [10].



1.4.2 Самые «умные» города России

Что касается «самых умных городов России», на первом месте рейтингов находится столица - Москва. В Москве уже реализовано множество проектов в различных сферах. Примеры этих сфер и описание проектов представлены на рисунке 1.4 [11].

Рисунок 1.4 Отрасли реализованных проектов в Москве

Помимо уже разработанных, протестированных и внедренных проектов, у правительства очень амбициозные планы на будущее. Сейчас на стадии разработки находится программа «Умный город», которая должна быть по плану реализована к 2030 году. Наглядно планы по развитию Москвы схематично представлены на рисунке 1.5 [12].



Рисунок 1.5 Планы программы «Умный город» в Москве

Как видно по рисунку, все основные компоненты «умного города» будут затронуты (какие-то из них внедрены «с нуля», а какие-то усовершенствованы). Как будет выглядеть «умная Москва», а также более детальное описание развития сфер показано на рисунке 1.6 [12].

Рисунок 1.6 «Умный город Москва»

Стоит отметить, что помимо планируемых изменений, в Москве уже реализованы следующие важные для развития цифровой инфраструктуры проекты:

ѕ развитие технополиса «Москва» и технопарков, количество которых за последние несколько лет выросло в пять. Количество компаний -- резидентов технопарков также увеличилось почти в четыре раза, а число рабочих мест -- в 6,5 раз;

ѕ создание единой автоматизированной информационной системы торгов Москвы (ЕАИСТ). Она была создана для обеспечения автоматизации всего закупочного цикла, от этапа планирования потребностей до исполнения контрактов. Также данная система может быть использована для того, чтобы решать аналитические или статистические задачи, а также проводить мониторинг в сфере закупок;

ѕ 2019: Представлено Единое цифровое пространство управления закупками, интегрированное с «Порталом поставщиков»;

ѕ с 01 января 2019 года стало обязательным условием для государственных заказчиков в электронной форме оформлять проведение конкурсов, запросов котировок и предложений;

ѕ одним из основных достижений в области Smart City власти Москвы считают новую транспортную систему. Москва уже оборудована множеством новейших светофоров, камер видеонаблюдения и детекторов, которые отслеживают дорожное движение в городе. Данные с датчиков анализируются сотрудниками ситуационного центра в режиме онлайн, что помогает контролировать дорожную ситуацию и быстро применять необходимые меры. В планах - составление прогноза дорожной обстановки. Уже сейчас на остановках общественного транспорта установлены электронные табло, отражающие множество показателей, важных для пассажиров. После внедрения всех описанных технологий, несмотря на увеличение транспортного потока, средняя скорость в Москве увеличилась на 13%;

ѕ 13 декабря 2019 год стало известно о том, что «Мосгортранс» закупит у различных транспортных компаний решения, которые помогут решить проблему безбилетного проезда в транспорте, а также регулировать пассажиропоток. Также будут закуплены новейшие электробусы и зарядные устройства к ним;

ѕ 26 декабря 2018 года стало известно о запуске в Москве нейронной сети для фиксации нарушений ПДД. Новая технология позволит автоматически сверять соответствие марки и номера автомобиля и исключит ситуации, когда камера неверно распознает номерной знак.

Как видно, Москва по количеству внедренных проектов не уступает самым «умным» городам мира, однако уступает по масштабности внедрения. Возможно, поэтому она не входит в топ рейтингов (однако всегда присутствует в них). В заключение анализа крупных мировых и российских проектов необходимо подчеркнуть, что в мире на данный момент не внедрена одна единая система управления целым городом. Изменения затрагивают лишь отдельных сфер жизни.

Таким образом, в первой главе данной работы было описано понятие умного города с разных точек зрения, были рассмотрены составные части умных городов и жизненный цикл города. Также были проанализированы уже реализованные проекты умных городов. Основываясь на результатах проделанной работы, можно сделать вывод о том, что концепция умного города охватывает абсолютно все сферы жизни и деятельности человека. Основываясь на анализе уже реализованных проектов, можно обозначить «узкие места» проектируемых систем, понять, для каких сфер жизни существует много разработок, а для каких - совсем мало и требуется более глубокий анализ. Следующим этапом анализа должна стать архитектурная модель умного города и описание выбранных для более детального изучения бизнес-процессов умного города.



2. Обоснование выбранного метода разработки системы и проектирование информационной модели умного города

«Умный город» -- это очень сложная многоуровневая система. В ней задействованы множество людей, выполняющих разные задачи. Для полной реализации всех необходимых функций должно быть задействовано множество взаимосвязанных приложений. Обмен данными в такой системе происходит ежесекундно, из-за чего нужна надежная, стабильная и устойчивая база данных. Для описания такой масштабной системы не подойдут классические способы описания информационных систем, в данном случае лучше подойдет архитектурный метод описания информационной системы.

Архитектурой программного обеспечения можно назвать множество взаимосвязанных структурных элементов и интерфейсов, а также описание и моделирование их взаимодействия, поведения в рамках действия пользователей или других структурных элементов.

В данном контексте архитектурным подходом можно назвать «соглашения, принципы и практики для описания архитектуры установленные для конкретной области применения и/или конкретным сообществом заинтересованных лиц» [13].

«Умный город» удобно будет описывать именно с помощью архитектурного метода, для реализации которого будет использоваться инструмент Archi, так как он позволяет в одной модели увидеть:

ѕ бизнес-слой (цели, мотивы, действия людей - участников бизнес-процессов);

ѕ слой приложения (функции, используемые базы данных, файлы, приложения);

ѕ слой технологий (сети, сервера, операционные системы, служебные программы и т.д.).

Так как целью данной работы является разработка именно концепции цифрового двойника для умного города, то технологический слой архитектуры был исключен из общей модели. Моделирование будет касаться только верхнего слоя - бизнес-логики, а также слоя приложений.

2.1 Описание сфер деятельности человека, которые используются в «умном городе»

«Умный город» представляет из себя систему, охватывающую все сферы жизни человека. К таким сферам можно отнести:

1. Медицина и здравоохранение (онлайн-запись к врачу, онлайн-хранение документов, напоминание о приёмах, отслеживание показателей здоровья и в режиме онлайн отправка их лечащему врачу и др.);

2. Социальная сфера (семья, друзья и родственники);

3. Образование (сюда же можно отнести работу, так как человек в «умном городе» стремится к самообразованию и на работе тоже);

4. Развлечения (кино, театры, музеи, рестораны и так далее);

5. Транспорт и трафик (интерактивная карта, отслеживание общественного и междугороднего транспорта, построение оптимальных маршрутов, изменение времени проезда и так далее);

6. Безопасность (сюда можно отнести автоматический вызов экстренных служб, систему видеонаблюдения);

7. Окружающая среда (с точки зрения экологии и защиты планеты).

Для того, чтобы собрать воедино все перечисленные сферы, а также объединить их базами данных, датчиками и приложениями, нужна масштабная и стабильная информационная система. Как было описано выше, для построения модели архитектуры данной системы был выбран продукт Archi [17].

На основе описанных выше сфер деятельности человека, которые объединяет система «умный город», были выделены основные крупные бизнес-процессы. Данные процессы включают в себя множество подпроцессов, однако для моделирования будет достаточно описать их на таком уровне (см. рис. 2.1).

Рисунок 2.1 Глобальные бизнес-процессы

После того, как были определены глобальные бизнес-процессы, которые являются основой работы «умного города», необходимо было определить бизнес-сервисы, которые связаны с описанными бизнес-процессами. Бизнес-сервисы как правило не существуют отдельно от бизнес-процессов, они направлены именно на поддержание или выполнение определенного бизнес-процесса (или нескольких бизнес-процессов). Таким образом, необходимо было определить, какие бизнес-процессы какие бизнес-сервисы будут использовать. В результате получилась следующая схема (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 Соединение бизнес-сервисов и бизнес-процессов

После того, как основные бизнес-процессы «умного города» были распределены по необходимым для их реализации бизнес-сервисам, необходимо было продумать компоненты приложения, управляющего «умным городом». Были выделены следующие блоки функций в этом приложении:

1. Датчики (данный блок функций реализует взаимодействие с датчиками, сравнение показателей с нормой и отправление сигнала SOS, в случае аварии);

2. Умные карты (данный блок отвечает за функционирование интерактивных карт, на которых можно строить маршруты и отслеживать движение транспорта);

3. Анализ информации (данный блок функций объединяет построение аналитической отчетности, вычисление отклонения показателей во всех сферах и оповещение пользователей о каких-либо сильных изменениях);

4. Экстренные службы (данный блок функций отвечает за получение службами экстренной помощи сигнала SOS и выезд на место происшествия);

5. Онлайн-услуги (данный блок объединяет все функции, связанные с онлайн оказанием услуг);

6. Финансы (как часть блока оказания онлайн-услуг, функции, связанные с финансами и обработкой транзакций).

После определения функциональных блоков были назначены информационные блоки для каждого из функциональных блоков. Функциональные блоки выделены более крупными элементами на схеме (датчики, экстренные службы, умные карты и так далее), а блоки данных - более мелкими элементами (информация о службе, расписание транспорта и так далее). На схеме все элементы также обозначены абстрактно (рис. 2.3).



Рисунок 2.3 Описание функциональных блоков и блоков данных

Следующим этапом необходимо сделать объединение функциональных блоков с бизнес-сервисами и бизнес-процессами, чтобы понять, для какого бизнес-процесса какие функции системы необходимы (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 Соединение функциональных модулей и бизнес-процессов

В данной работе буду описаны не все бизнес-процессы и объекты, функционирующие в умном городе, а только их часть, поэтому оставить необходимо только нужные элементы на схеме. Выбранные для подробного анализа сферы - это безопасность (всё, что связано с датчиками) и сфера развлечений (всё что связано с кафе, ресторанами, театрами, кинотеатрами и так далее). Данные сферы были выбраны за счет того, что в них используются различные технологии сбора и хранения данных: например, значения датчиков неудобно хранить в реляционной базе данных, для этой задачи больше подойдет база данных временных рядов; аргументом выбора сферы развлечений может стать тот факт, что в данной сфере помимо стандартной реляционной базы данных должна использоваться документо-ориентированная база данных, так как для объектов этой сферы необходимы для хранения различные документы, которые могут иметь сложную и разнообразную структуру (что также невозможно хранить в реляционной базе). В результате, если удалить с модели избыточные элементы, остается следующая модель (см. рис. 2.5).

...