УДК 004

Анализ развития Интернета вещей (IoT) в управлении инфраструктурой умных городов

Пушкина Елена Александровна – оператор ЭВМ кафедры Практической и прикладной информатики МИРЭА – Российского технологического университета.

Кесельман Борис Михайлович – студент кафедры Практической и прикладной информатики МИРЭА – Российского технологического университета.

Солозобов Евгений Дмитриевич – студент кафедры Практической и прикладной информатики МИРЭА – Российского технологического университета.

Аннотация: В данной статье рассматривается развитие Интернета вещей в контексте управления инфраструктурой умного города. В ходе данной работы анализируется роль и значимость Интернета вещей в городской инфраструктуре, проблемы, которые могут возникнуть при использовании Интернета вещей в управлении инфраструктурой города, а также решения возникших проблем.

Ключевые слова: интернет вещей, IoT, умный город, инфраструктурная оптимизация, управление инфраструктурой.

В настоящее время идет активное развитие умных городов и Интернета вещей. Интернет вещей в управлении инфраструктурой умного города позволяет автоматизировать рутинные процессы, собирать и анализировать большое количество информации для более эффективного существования города. С каждым годом появляются новые умные города. Чтобы создать эту интеллектуальную систему в городской среде требуется значительное количество ресурсов, в первую очередь финансовых и материальных. Люди сталкиваются со множеством проблем при внедрении технологий в города, так как до сих пор не существует оптимального алгоритма формирования проекта умного города, который смог бы обеспечить наиболее экономичное и надежное проектирование данной системы. Следовательно, создание определенного алгоритма, который подходил бы к любому городу, способствует стандартизации, согласованности, оптимизации, что важно для успешной реализации и развития умных городов. Для решения поставленной проблемы необходимо углубится в принцип работы Интернета вещей и определение умного города.

Интернет вещей – это концепция вычислительной сети физических объектов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, исключающее из части действий и операций участие человека [1].

Умный город — это взаимосвязанная система информационных и коммуникативных технологий и Интернета вещей, включающая обширную сеть датчиков и взаимосвязанных устройств, которые собирают информацию в режиме реального времени для повышения эффективности общественных услуг, экономя при этом деньги и ресурсы.

Архитектуру Интернета вещей [2, 5] в городской среде можно представить в виде нескольких уровней (Рисунок 1):

  1. Устройства IoT: этот уровень включает различные приборы и техническое оборудование, такие как датчики, сенсоры, умные девайсы, камеры и другие средства сбора данных, которые получают информацию о физическом окружении города. Эти устройства могут измерять температуру, влажность, освещение, качество воздуха, могут получать информацию о заполненных парковочных местах или отслеживать движение маршрутных транспортных средств и передавать информацию пользователям, а также управлять различными частями инфраструктуры города, например светофорами, чтобы оптимизировать движение в городе и минимизировать количество заторов.
  2. Граничный вычислительный узел: на этом уровне происходит обработка и агрегация данных, собранных от устройств IoT. Граничные вычислительные узлы расположены ближе к устройствам и выполняют предварительную обработку данных, фильтрацию и сжатие. Они также могут выполнять локальные вычисления и принимать некоторые управляющие решения на основе полученных данных.
  3. Сетевой концентратор или региональный центр обработки данных: на этом уровне происходит агрегация данных из граничных вычислительных узлов и передача их на более высокий уровень.
  4. Центральная система сети (Ядро): на этом уровне происходит централизованная обработка и хранение данных, полученных от различных сетевых концентраторов или региональных центров обработки данных.
  5. Облачный дата-центр: этот уровень представляет собой мощные вычислительные ресурсы и хранилище данных, которые обеспечивают масштабируемость и гибкость для обработки больших объемов данных IoT. Облачные дата-центры предоставляют высокую производительность и доступность для обработки, хранения и анализа данных, а также поддерживают разработку и развертывание приложений IoT.

1

Рисунок 1. Архитектура Интернета вещей в городской среде.

В городах появляется все больше различных систем и датчиков, которые обеспечивают безопасность в городе и оптимальное использование городских ресурсов. Данное внедрение технологий позволяет решать множество городских проблем.

Одной из важных проблем в городе являются автомобильные пробки [3]. Умные города благодаря внедрению технологий Интернета вещей могут снизить количество пробок. Нехватка свободных парковочных мест является одной из основных причин возникновения пробок в городах. Заторы и парковка взаимосвязаны, поскольку поиск свободного места для парковки создает дополнительные задержки и увеличивает местное движение. Благодаря датчикам, встроенным в парковочные места, водители могут с помощью приложения на телефоне увидеть свободные места и сразу поехать парковать автомобиль вместо того, чтобы передвигаться по городу в поиске свободной парковки.

Также решением проблемы пробок может стать «умный светофор», который с помощью датчиков и камер собирает информацию о потоке автомобилей и решает, когда именно нужно переключить сигнал. 

Еще одной важной задачей города является мониторинг структурной целостности зданий и мостов [4]. Необходимо поддерживать мосты и дороги и знать об их сроке службы, поскольку поломка может привести к значительным социальным и экономическим последствиям. Датчики и система Интернета вещей может помочь отслеживать дефекты инфраструктуры и предупреждать обслуживающий персонал о потенциальных проблемах.

Интернет вещей может использоваться для мониторинга и оптимизации энергопотребления и расходах воды в зданиях и городской инфраструктуре. Умные счетчики и устройства управления нагрузкой позволяют собирать данные о потреблении энергии и воды и анализировать их для выявления наиболее эффективных паттернов и оптимизации расхода ресурсов.

Одним из вариантов использования Интернете вещей в умном городе может быть оптимизация сбора и переработки отходов. Контейнеры для мусора могут быть оснащены сенсорами, которые определяют уровень заполнения и отправляют информацию в центр управления. Данное решение позволяет эффективно планировать маршруты сбора мусора и избегать переполнения контейнеров.

Как видно из примеров применений Интернета вещей в городе, существует множество различных вариаций использования для оптимизации потребления ресурсов в городе. Однако в реализации концепции «умного города» существует ряд проблем.

Наиболее значимой проблемой является безопасность. Со своим стремительным развитием Интернет вещей стал целью различных кибератак. Хакеры ищут уязвимости для получения несанкционированного доступа. Это может стать большой опасностью для города, так как, имея доступ к этой сети, можно обрушить часть инфраструктуры города или заразить устройства жителей города зловредным программным обеспечением для вымогательства денежных средств или получения персональных данных.

Безопасность системы Интернета вещей может быть обеспечена следующими действиями:

  • видимость: ведение подробной, актуальной инвентаризации всех подключенных устройств, что позволяет определить профиль риска каждого устройства и то, как оно взаимодействует с остальной сетью;
  • сегментация сети: разделяя сеть на две или более секции, хакерам будет сложнее угрожать всей сети, компрометируя всего одно устройство;
  • аутентификация: при подключении устройств Интернета вещей необходимо устанавливать сложный пароль, отличный от предустановленного;
  • обновление встроенного ПО: необходимо регулярно обновлять программное обеспечение устройств Интернета вещей для своевременного устранения уязвимостей в системе безопасности;
  • непрерывный мониторинг: внедряя решение для мониторинга в режиме реального времени, появляется возможность быстро реагировать на угрозы безопасности.

Еще одной серьезной проблемой является масштабируемость инфраструктуры Интернета вещей. Поскольку количество устройств Интернета вещей в городе быстро растет, объем генерируемых данных также повышается, создавая нагрузку на существующие системы.

Решением данной проблемы является: использование распределенной системы хранения и обработки данных, что позволит снизить нагрузку на систему; использование аналитических инструментов и алгоритмов искусственного интеллекта, что позволяет эффективно обрабатывать и анализировать большие объемы данных, собираемых от устройств; развитие облачных вычислений, что позволяет снизить нагрузку на локальные системы и обеспечить масштабируемость. Часть вычислительных задач и анализа данных может быть вынесена в облачные серверы, что позволит распределить нагрузку и обрабатывать больший объем данных.

Таким образом, определив сущность Интернета вещей в управлении инфраструктурой умного города и ряд проблем, которые сопровождают данную технологию, необходимо сформировать определенный алгоритм по формированию проекта создания умного города.

На Рисунке 2 представлена схема предложенного алгоритма по формированию проекта умного города.

2

Рисунок 2. Блок-схема алгоритма формирования проекта умного города.

Первым шагом в проектировании умного города является анализ и определение стратегии. Важно изучить текущую инфраструктуру города, включая дороги, здания, системы энергоснабжения и водоснабжения, общественный транспорт и другие ключевые аспекты. Также необходимо провести анализ ресурсов, доступных в городе, таких как доступ к широкополосному интернету, наличие существующих сетей и инфраструктуры связи. Необходимо учитывать потребности и запросы горожан, а также выявить основные проблемы, с которыми сталкивается город.

На основе проведенного анализа необходимо определить стратегические цели, которые должны быть достигнуты в результате формирования умного города. Это могут быть цели, связанные с улучшением качества жизни горожан, оптимизацией ресурсов, повышением безопасности, снижением нагрузки на инфраструктуру. При определении целей важно учитывать потребности города и его граждан, а также стремиться к устойчивому развитию.

Следующим пунктом в этом шаге является формирование команды. Команды проекта является ключевым элементом успешной реализации умного города, она должна включать экспертов и специалистов, которые обладают знаниями и опытом в области различных технологий, управления инфраструктурой, городского планирования, общественного участия и других соответствующих областей. Каждому члену команды следует назначить обязанности за конкретные аспекты проекта, такие как сети связи, системы мониторинга и управления и т. д. Это позволит обеспечить эффективное выполнение задач и координацию работ.

Второй шаг — это определение концепции проекта. Необходимо учесть уникальные особенности города, его культурные, социальные и экономические части. Провести консультации с горожанами, представителями бизнеса, государственными органами и другими заинтересованными сторонами, чтобы определить их потребности и ожидания от умного города. Концепция должна включать целевые показатели и цели, которые необходимо достичь, а также основные принципы и ценности, на которых будет строиться умный город. После следует составить план действий. План включает в себя определение ключевых проектов, ресурсов, сроков и бюджета. Он должен быть реалистичным и учитывать особенности и потребности города.

Третьим шагом является разработка инфраструктуры сети, которая сможет обеспечить связь и обмен данными между устройствами Интернета вещей. Необходимо определить оптимальную архитектуру сети, выбрать соответствующие протоколы связи, а также обеспечить надежность, масштабируемость и безопасность сети. Ко всему прочему, этот шаг включает в себя разработку и установку устройств для умного города.

Четвертый шаг — это разработка и внедрение систем управления и аналитики, которые позволят эффективно собирать, хранить, обрабатывать и управлять данными, полученными от устройств, а также предоставлять данные, необходимые для принятия решений по улучшению городской инфраструктуры и услуг.

Под пятым шагом подразумевается обучение горожан, то есть распространение информации о концепции умного города и конкретных решениях, которые внедряются. Это поможет создать осведомленность, и позволит горожанам осознанно воспользоваться преимуществами умной инфраструктуры. Также можно создать платформы для горожан, где они смогут участвовать в проектах, предлагать свои решения и быть активными участниками процесса развития умного города.

Для более корректного формирования умного города следует начать с небольшого района в городе, чтобы проверить эффективность и жизнеспособность выбранных решений. А далее поэтапно расширять и масштабировать умный город, основываясь на результатах, полученных при предыдущих внедрениях и обратной связи. 

В целом, Интернет вещей в управлении инфраструктурой умных городов представляет перспективную технологию, способную значительно улучшить эффективность и качество жизни в городах. Однако для более оптимального проектирования и формирования данной инфраструктуры необходимо следовать определенному алгоритму, что позволит избежать возникновения серьезных проблем во время создания такой системы. Придерживаясь единообразия и стандартов в ближайшем будущем количество умных городов по всему миру возрастет и сделает жизнь горожан удобнее и безопаснее.

Список литературы

  1. What is the internet of things (IoT)? [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: https://www.techtarget.com/iotagenda/definition/Internet-of-Things-IoT (Дата обращения 24.05.2023).
  2. Smart City and Internet of Things (IoT) Technology [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: https://dgtlinfra.com/smart-city-internet-of-things-iot/ (Дата обращения05.2023).
  3. Internet of Things (IoT) Security: Next-Generation Protection [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: https://dgtlinfra.com/internet-of-things-iot-security/ (Дата обращения05.2023).
  4. IoT systems: an analysis of smart cities [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: https://www.iotinsider.com/iot-insights/iot-systems-an-analysis-of-smart-cities/ (Дата обращения05.2023).
  5. Статья «System Architecture Design of IoT-Based Smart Cities» [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: https://www.mdpi.com/2076-3417/13/7/4173 (Дата обращения05.2023).

Интересная статья? Поделись ей с другими: