Моделирование умного города как сложной самоорганизующейся системы

Введение
Города во всем мире уже добиваются огромных успехов в достижении экономической, экологической и социальной устойчивости, в осуществлении экспортных инициатив и в создании рабочих мест в XXI веке. Все это- прекрасные способы повышения уровня жизни и экономики города. Интеллектуальные городские технологии могут поддерживать и совершенствовать уже проводимую работу.
Примеры умных городов мира редко являются городом в самом строгом термине. Многие являются более чем одним городом, например, столичный регион, кластер городов, округов и групп округов, коллекция близлежащих городов или региональной коалиции.
Умный город использует информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) для повышения его жизнеспособности, работоспособности и устойчивости. Во-первых, умный город собирает информацию о себе через датчики, другие устройства и существующие системы. Далее связывает эти данные с использованием проводных или беспроводных сетей. В-третьих, анализирует эти данные, чтобы понять, что происходит сейчас и что может произойти дальше.
Умные устройства логически расположены по всему городу для измерения и мониторинга условий. Например, интеллектуальные счетчики могут измерять потребление электроэнергии, газа и воды с большой точностью. Умные датчики движения могут сообщать о дорожных условиях и заторах. Смарт - GPS механизм может определить точное расположение городских автобусов или местонахождение аварийных машин. Автоматизированные метеостанции могут сообщать об условиях окружающей среды.
Обмен данными. После того, как вы собрали данные, они должны быть отправлены на место назначения. Умные города, как правило, смешивают и сочетать различные проводные и беспроводные технологи. Конечная цель состоит в том, чтобы иметь связь с каждым человеком и каждым устройством.
Критические (решающие) данные. После сбора и передачи данных они анализируются для одной из трех целей: 1) представление, 2) совершенствование или 3) предсказание.
Данная информация говорит нам, что происходит прямо сейчас. В аэрокосмической и оборонной отраслях, это называют «ситуационной осведомленностью». Программное обеспечение отслеживает огромный поток входящих данных, затем суммирует и визуализирует его таким образом, что делает его легким для восприятия человеком. Например, умный оперативный центр может контролировать все аспекты чрезвычайной ситуации, включая действия и места расположения полиции, пожаров, скорой помощи, движения, сбитых линий электропередач, закрытые улицы и многое другое.
Совершенствование операций использует мощность компьютеров для оптимизации сложных систем. Например, балансировка спроса и предложения в сети электроснабжения; или синхронизация сигналов трафика для минимизации перегрузок; или выбор идеальных маршрутов для доставки грузов, чтобы минимизировать время и расходы на топливо; или оптимизация использования энергии всего многоэтажного для достижения максимального комфорта при минимальных затратах.
Прогнозирование - пожалуй, самая захватывающая часть аналитики. Такие города, как Сингапур, уже проверяют данные, чтобы предсказать пробки, пока еще есть время, чтобы свести к минимуму их последствия. Такие города, как Рио-де-Жанейро уже предсказывают, где произойдет наводнение от конкретного шторма, аварийные экипажи и эвакуационные команды знают, куда идти.
1. Структура и функции «Умного города»
Строительство "умного города" требует системного взгляда и комплексного подхода. Сделанные правильно системы могут сэкономить время и включить новые сервисы, которые не были возможны в изолированной модели. Например, городской департамент может резко сократить время разработки нового приложения с повторным использованием модулей и программного обеспечения, уже созданных другими подразделениями. И город иногда может снизить общие затраты на информационные технологии на целых 25% только за счет реализации мастер-архитектуры и технологии дорожной карты.
Основные функциональные решения "умного города":
Антропогенная среда.
Энергия.
Телекоммуникации.
Перевозки.
Здравоохранение и социальные службы.
Вода и сточные воды.
Общественная безопасность.
Платежи
Умные возможности города реализуются с помощью технологий:
Контрольно-измерительные приборы и автоматика.
Связь.
Совместимость.
Безопасность и конфиденциальность.
Управление данными.
Компьютерные ресурсы.
Аналитика.
Телекоммуникации действуют как средство обеспечения связи. Все остальные системы – водоснабжения, энергетики, транспорта и т. д. - требуется подключения для связи с датчиками и устройствами, которые они используют для сбора данных. Другими словами, есть две важные причины, чтобы обратить пристальное внимание на телекоммуникации: 1) за стоимость, которую она создает на своих собственных, и 2) значение это позволяет использовать ее для всех других подсистем.
Большинство городов уже имеют множество существующих сетей связи, работающих параллельно. Типичный город может иметь несколько сотовых / мобильных сетей плюс кабельное, спутниковое, смарт-счетчики, приборы и многое другое. К сожалению, может быть проблематичным соединение между собой существующих сетей, что затрудняет достижение бесперебойной, сквозной связи, необходимой для истинного умного города.
Самое главное, что этот будущий город будет иметь конвергентную архитектуру, воплощенную в единую инфраструктуру, которая объединяет различные проводные и беспроводные технологии, тем самым обеспечивая бесперебойную работу. Город объединится единой телекоммуникационной системой. По мере того как продвижения вперед, взаимодействие будет иметь ключевое значение.
Связь (Connectivity). Четкая тенденция во всем мире состоит в том, чтобы перейти от медленных, одноцелевых коммуникаций к быстрым, мультисервисным сетям

. Это означает, что возможно достичь подключения устройств с помощью высокопроизводительной сети, которая уже есть на месте - сотовая/мобильная 3G или 4G, WiFi или другие решения. Необходимо определить требования к пропускной способности и задержке. Например, сеть мониторинга уличных фонарей может проходить с высокой задержкой (медленный круговой обход). Ведь это неважно, если свет включается или выключается на несколько секунд позже. Но сети для мониторинга электрических подстанций, возможно, потребуется очень низкая задержка (быстрый обход). Эта сеть должна быть в состоянии отправлять и принимать сигналы очень быстро, так что она может предотвратить небольшое отключение от каскадирования.
Вода и сточные воды. Во всем мире используется в среднем 7 процентов от общего объема электроэнергии для перекачки и очистки воды и сточных вод, но процент может быть гораздо выше. Умные города используют информацию ИКТ для достижения устойчивого развития, эффективного и чистого водоснабжение. С помощью ИКТ можно мониторировать регионы, где вода периодически дефицитная. Можно видеть регионы, где вода-это запредельно дорогая. Каждый город должен использовать умные технологии для сохранения и увеличения водоснабжения.
Возможности ИКТ:
1. Отображение и мониторинг физической инфраструктуры. Большинство водоканалов не знают с большой точностью расположение труб и клапанов. В частности, они не знают фактическое состояние этой инфраструктуры. ИКТ дает весьма точную картину расположения и «здоровья». Обладая четкой и всеобъемлющей картиной всей инфраструктуры организации водоканалов могут сохранить огромное количество денежных средств каждый год.
2. Точно измерить объем потребления. Интеллектуальные водосчетчики могут предоставить клиентам весьма точный учет их потребления.
3. Мониторинг качества питьевой воды. Интеллектуальная система водоснабжения может иметь датчики, размещенные по всей сети для обнаружения загрязнителей. Эти датчики могут контролировать кислотность и щелочность, следить за биологическими показателями, измерять хлор и другие химические вещества и следить за тяжелыми металлами, а затем предупреждать людей, когда возникают проблемы, чтобы они могли быстро вмешаться, для уменьшения угрозы.
4. Прогнозирование. Умная система водоснабжения может представить операторам полную ситуационную осведомленность; улучшить систему путем оптимизации; спрогнозировать утечки и отказы оборудования.
5. Лучше подготовиться к стихийным бедствиям. Во многих частях мира сталкиваются с наводнениями, которые достигают больших размеров. Смарт система водоснабжения может не только контролировать наводнения, он может предсказать события вовремя подготовиться к борьбе с наводнениями и ликвидации последствий стихийных бедствий.
Использования энергии и питательных веществ в воде и сточных водах. ИКТ помогают нам в полной мере использовать потенциал воды.
Здравоохранение и человеческие услуги. Эпидемиология, качество воздуха, УФ-излучения, исследования в области здравоохранения и развития населения, Управление здравоохранения, продовольственной безопасности, уровня медицинской грамотности и другие масштабные вопросы касаются городских учреждений здравоохранения. Интеллектуальное здравоохранение использует ИКТ для улучшения результатов как для граждан, так и для городов. Городские предприятия могут использовать датчики для сбора данных о качестве воздуха, шумовом загрязнении, УФ-излучении, болезнях и ряде других факторов, влияющих на благосостояние населения. Они также могут активно получать медицинскую информацию непосредственно от граждан, побуждая их делиться своими отзывами о здоровье и опытом с помощью приложений смартфонов. Затем эти данные могут быть проанализированы для обнаружения тенденции и потенциальных проблем и информировать город о необходимости принятия решений. Огромную нагрузку на бюджет оказывают такие болезни как болезни сердца, диабет, ожирение, стресс, проблемы с психическим здоровьем и так далее, которые значительно выросли в последнее десятилетие, и часто сосредоточены в городских условиях.
Умное здоровье использует технологию для улучшения доступа граждан к здравоохранению. Удаленную доставку медицинских услуг через смартфоны, компьютеры или видео устройства - часто называют телемедициной или мобильным здоровоохранением. Можно получить консультацию и лечение от врача, не выходя из дома или на работу. Кроме того, естественные пользовательские интерфейсы и аналитика могут «узнать» о пациентах, историю здоровья и предложить индивидуальные и в пределах городских стандартов безопасности и конфиденциальности и с разрешения человека рекомандации. Пациент, показывающий признаки гипертонии, например, может получать спасительную информацию о риске инфаркта и профилактике, на смартфоне, можно сделать и/или перенести визит к врачу на телефоне так же как и на веб-портале. Во многих отношениях информация может стать мощным инструментом в области здравоохранения
Услуги в области людских ресурсов относятся к новому и более широкому спектру услуг, к которым легко получить доступ и которые помогают людям повысить уровень жизни. К ним относятся услуги по оказанию помощи людям в борьбе со злоупотреблением наркотиками, бытовым насилием, ВИЧ/СПИДом, питанием и физической подготовкой. Они включают в себя помощь бездомным для поиска ночлега, неблагополучные семьи получают консультационные услуги.
Образование и развитие навыков являются приоритетными направлениями в умном городе. Они предоставляют возможности для всех возрастов и всех уровней, начиная от малышей. Образование, программы подготовки кадров и высшее образование - все это имеет важное значение для населения. Но сегодня образование в основном застряло в физическом мире