POTENTIAL WAYS OF APPLYING INFORMATION TECHNOLOGIES IN THE ECOSYSTEM OF MUNICIPAL ENGINEERING

ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ЭКОСИСТЕМЕ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА

Научная статья

Бабешко В.Н.*

ORCID: 0000-0003-2811-5013,

Новосибирский государственный университет экономики и управления «НИНХ», Новосибирск, Россия

* Корреспондирующий автор (vnb67[at]mail.ru)

Аннотация

Инфраструктура информационных объектов в последнее время все шире внедряется в повседневную жизнь в виде комплекса «умных» устройств, являясь технологией и средством решения конкретных проблем. Человеческая жизнь самый дорогой ресурс, и сегодня появилась возможность автоматизировать большинство процессов, сделать так, чтобы технологии следили за нашей безопасностью и благополучием. Не смотря на декларируемую важность и наличие положительной динамики, существует ряд объективных и субъективных проблем в развитии данного направления. В статье представлена аргументация по некоторым популярным вопросам, связанным с указанной тематикой. Приведено краткое описание готового проекта и его влияния на типовой объект коммунального хозяйства.

Ключевые слова: инфраструктура, система, технология, устройство.

POTENTIAL WAYS OF APPLYING INFORMATION TECHNOLOGIES IN THE ECOSYSTEM OF MUNICIPAL ENGINEERING

Research article

Babeshko V.N.*

ORCID: 0000-0003-2811-5013,

Novosibirsk State University of Economics and Management, Novosibirsk, Russia

* Corresponding author (vnb67[at]mail.ru)

Abstract

The infrastructure of information objects has recently been increasingly introduced into everyday life in the form of a complex of "smart" devices as means of solving specific problems. Human life is the most expensive resource, and today it is possible to automate most processes, to ensure that technology monitors our safety and well-being. Despite the declared importance and the presence of positive trends, there are a number of objective and subjective problems in following this development trajectory. The article presents arguments on some popular issues related to this topic and provides a brief description of the finished project and its impact on a typical urban facility.

Keywords: infrastructure, system, technology, device.

Введение

В России информационные технологии выделены как одно из направлений программы «Цифровая экономика». В ней используются такие определения, как: большие данные; искусственный интеллект; системы распределенного реестра; технологии беспроводной связи; технологии виртуальной и дополненной реальностей. Планируется внедрение цифровых платформ работы с данными для обеспечения потребностей власти, бизнеса и граждан; создание эффективной системы сбора, обработки, хранения и предоставления потребителям пространственных данных, обеспечивающей потребности государства, бизнеса и граждан в актуальной и достоверной информации о пространственных объектах [1].

Эти технологии позволят жить комфортно, безопасно, эффективно работать, заниматься бизнесом, получать все услуги, которые помогут сделать среду обитания чище, лучше и удобнее для жизни. Киберфизические и кибербиологические системы развиваются крайне динамично, создавая Интернет вещей (IoT - Internet of Things), соединяя кибернетический, физический и биологический миры. IoT представляет собой класс устройств, которые могут контролировать окружающую их среду, сообщая о своем положении, получать команды и функционировать, используя полученные данные [2]. Известные крупные компании намерены использовать технологии «интернета вещей» в ближайшем будущем - в следующем году такие проекты запустят 30%, в течение двух лет - более 25%, а в срок от 2 до 5-ти лет - еще 15%. Не планируют использовать «интернет вещей» в долгосрочной перспективе только 5%, а 10% - со своими планами пока не определились. Во внедрении IoT технологий лидируют Латинская Америка и Азия: в Латинской Америке - 30%, в ближайший год в Азии планируют запустить подобные проекты 51% опрошенных, в Европе - 14%, в Северной Америке - 20% [3].

Постановка задач

«Новые технологии и «умный дом» — это очень хорошо, но действительно ли он мне необходим?» - самая распространенная реакция на предложение подумать над установкой такой системы. Комплектующие от различных производителей, противоречия между дизайнерами и строителями, большое количество мифов, много инсталляций 2000 годов, когда технология была недостаточно отработана, высокий порог входа, при установке на этапе проектирования возможна утрата актуальности под определенный протокол-сценарий с течением времени. Эти и другие распространенные вопросы значительно влияют на темпы перехода на новые технологии и степень массовости их применения. Как донести до пользователей, кроме уже мотивированных технологических гиков, возможности и актуальность строительства умных домов и модернизации уже существующих?

Изначально наша сфера обитания не была насыщена электронными системами, все началось с освещения: одна лампочка один выключатель – первая концепция такого рода решений. Современная цивилизация пошла по пути быстрого технического развития, и многие блага цивилизации связаны с техникой, электрическими и электронными приборами. Актуальным и важным применением IoT-технологий является их использование по отношению к системам типа «Умный дом».

Развитие производственной индустрии электронных компонентов привело к снижению их стоимости при разработке и применения, что позволило значительно расширить область их экономически обоснованного использования. Оборудованием таких вычислительных сетей являются практически любые современные устройства. Существует много областей, где беспроводные вычислительные сети с IoT устройствами занимают одно из лидирующих положений из-за своих функциональных возможностей — это системы интеллектуализации производства, системы мониторинга объектов, экосистемы жилищно-коммунального хозяйства.

Современное оборудование становится все более доступным, и мы получаем возможность использовать такой его вариант, который будет более комфортен в различных сценариях или отвечать некоторым другим запросам. Но и в этой ситуации его можно не включать, не регулировать и не настраивать. Получив такую систему, мы просто перестаем ею пользоваться, считая такие процессы или достаточно утомительными или требующими технических навыков, концентрации, но тогда возможно ли считать оправданным приобретение и установку подобного оборудования.

Современный подход дает возможность оставить только плюсы от использования техники и полностью исключить или минимизировать свое участие в обеспечении ее функционирования. Домашняя автоматика в жилищно-коммунальном хозяйстве появилась именно благодаря такой постановке вопроса. При этом каждая единица оборудования является уникальным идентифицируемым объектом способным взаимодействовать в рамках существующей инфраструктуры сетей [4].

Умный дом — это комплексное решение, направленное на повышение качества жизни и ее безопасности за счет массового применения автоматизированных технических систем. Концептуальным следствием такого подхода является то, что дистанционное управление оборудованием не является целью реализации «умного дома», хотя может быть компонентом набора решений. Степень «ума» таких автоматизированных систем определяется не способом управления, а его необходимостью вообще. Автоматизация, в этом случае, является скоординированной работой контролируемых систем, которая направлена на повышение уровня экономии, комфорта и безопасности проживания. Установка правил для комфортного освещения или температуры в различных ситуациях, сценариев безопасности и контроля доступа - участие человека должно быть минимальным и ограничиваться указанием предпочтений. Появляется возможность при росте объема информационных технологий повышать возможности технических систем, а не собственные трудозатраты на управление.

Кроме того, систему «умный дом» обычно дополняют средствами мониторинга среды, и сбора информации с различных датчиков, что позволяет оперативно детектировать и локализовать потенциальные угрозы, как для жильцов: температура, задымление, качество воздуха, не санкционированное проникновение, так и для собственных систем – перебои электропитания, нештатный режим систем отопления, и др. Гибкое управление системами позволяет существенно экономить ресурсы и энергетические затраты, например, за счет перевода отопления в более экономичный режим в период отсутствия жильцов. Проводимые, после реализации «умного дома», измерения показали существенное уменьшение потребления электрической и тепловой энергии для бытовых нужд до 60% (по сравнению с обыкновенными домами). «Умный дом» не только может выполнять заложенные сценарии, но и предсказывает их, обладая развитым программным обеспечением.

Проблемные аспекты реализации

Реализация умного дома в концепции интернета вещей с помощью централизованных технологий весьма трудоемка, трудно масштабируема и практически абсолютно небезопасна. Это является существенным препятствием на пути массового использования технологии. Распределенный реестр может быть использован в интернете вещей для решения этих проблем. Сегодня мир переходит от централизованной модели, в центре которой находится сервер, облако - к децентрализованной, когда все участники взаимодействия, умные вещи, компоненты умного дома, будут связаны между собой. Распределенная архитектура блокчейна обеспечивает высокую степень безопасности, и даже если часть компьютеров сети будет взломана, то это не повредит работе всей системы в целом. Возможности применения технологии распределенного реестра в IoT достаточно перспективны, а потому сочетание этих двух технологий потенциально может иметь большой синергетический эффект [5]. Интересное и перспективное направление, которое развивается, не достаточно быстро, особенно это относится именно к внедрению подобных систем. Для интеллектуальных зданий характерно объединение всех систем здания в единую сеть, хотя при этом многие из систем могут сохранять свою автономность. Существующая проблема больших задержек в беспроводных сенсорных сетях связана, в первую очередь, с низкой пропускной способностью сетевых стандартов. Приоритетным направлением технологии IoT является высокая энергоэффективность и как следствие - невысокая пропускная способность. Большая часть протоколов беспроводных сенсорных сетей не обладают прозрачной совместимостью с сетями TCP/IP и друг с другом. TCP/IP достаточно сложен в реализации, из-за чего многие производители оборудования не имеют подобных массовых решений. Из-за отсутствия стандартов на протоколы для беспроводных сенсорных сетей каждый производитель стремится выпустить свой собственный стек протоколов, что приводит к отсутствию совместимости с устройствами других производителей. На сегодняшний день существует недостаточное количество единых стандартов и универсальных решений для вычислений на узлах и связи их между собой, для каждого вида оборудования используется свой собственный протокол [6]. Использованию стандартизированных приборов мешает отсутствие отдельных позиций в линейках у производителей.

Сервер получает данные и управляет, взаимодействует с контроллерами [7]. Контроллеры могут быть достаточно сложными и брать на себя часть работы по управлению. Такой подход называют децентрализованным или гибридным, в отличие от того, когда центральный узел принимает практически все задачи по обслуживанию выходных компонентов сети [8]. Если УД строится на одной из ЭКО-систем, то поставщиками предусмотрен набор решений с совместимыми контроллерами. В случае использования гибридных систем выбор гораздо шире [9]. Можно исходить из соображений цены и технических возможностей.

«Новые технологии и «умный дом», это очень хорошо, но действительно ли он мне необходим?» На самом деле умный дом обычно стоит 5% от суммы ремонта. И если можно ежедневно экономить время на рутинных домашних операциях, быть спокойным за здоровье близких, быть уверенным, что в доме или квартире, в которые вложены финансовые средства - все хорошо, и в итоге получить иной уровень жизни, то ответ на вопрос очевиден.

Результаты внедрения проекта

Разработанный и внедренный проект представляет собой решение начального уровня. Основные использованные функциональные устройства: одноплатный ПК (Raspberry pi 3 b+), 2 видеокамеры (OV5647), 2 датчика температуры и давления (GY-BMP280-3.3 i2c), датчик воды и пара (HC-SR501), 2 датчика движения (PIR HC-Sr501). Связь датчиков и одноплатного компьютера - проводная, ПК - роутер - WiFi. Способ донесения информации до конечного пользователя - электронная почта. Примерная общая стоимость оборудования, разработки ПО [10] и монтажа составила 25 тысяч рублей.

Представленный набор позволил реализовать все необходимые сценарии использования в системе «умный дом». Кроме того, в период эксплуатации в зимний сезон 2020 года были зафиксированы и предотвращены два инцидента связанные с протечкой воды и прекращением подачи газа. Их вероятные последствия в ценовом выражении не сопоставимы со стоимостью системы.

Заключение

Открытые инновации, интеллектуальные платформы, возможность адаптивной модернизации в отличии от развитой системы автоматизации процессов управления. С дальнейшим развитием Интернета вещей и технологии блокчейн различные сферы жизни, и, в частности, предметы быта умных домов, станут еще более взаимосвязанными. Крайне актуально, чтобы пересечение этих новых технологий было жизнеспособным, экономически целесообразным и действительно полезным конечному пользователю. На сегодняшний день в США умными являются лишь 6% домов, в России - всего 1,5%, а в Беларуси - менее 1%, эти технологии постепенно набирают популярность и к 2022 году в России прогнозируется рост количества «умных» домов до 8,5%. Интерес к умным домам растет, количество реализованных проектов увеличивается. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Программа «Цифровая экономика Российской Федерации». – [Электронный ресурс]. – URL: https://digital.gov.ru/ru/activity/directions/858/ (дата обращения 14.01.2021)
2. Упоров Е.И. Концепция интернета вещей как базовая идея создания «умного дома» / Е.И. Упоров, Ю.С. Белов // Международный студенческий научный вестник. 2018. С. 71-72.
3. Бабешко В.Н. Блокчейн в гетерогенных сетевых системах / В.Н. Бабешко // Новые информационные технологии в науке: сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции. 2017. С. 9-10.
4. Ефимов М.М. Интернет вещей: перспективы адаптивных систем / М.М. Ефимов, Р.В. Киричек // Информационные технологии и телекоммуникации. 2020. С. 55-66.
5. Бабешко В.Н. Многопроцессорные системы в туманных вычислительных сетях / В.Н. Бабешко // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы 4-ой Международной научно-практической конф. в 3-х томах. 2014. С. 62-64.
6. Медведева В.А. Современные вычислительные сети с использованием туманных технологий / В.А. Медведева, А.С. Осипенко, В.Н. Бабешко // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: материалы XII-ой международной научно-практической конференции. 2015. С. 76-79.
7. Бабешко В.Н. Информационно-вычислительные системы в гетерогенных микропроцессорных распределенных сетевых инфраструктурах / В.Н. Бабешко // Мы продолжаем традиции Российской статистики. 2015. С. 306-307.
8. Бабешко В.Н. Информационные компоненты современных вычислительных комплексов / В.Н. Бабешко, С.В. Бабешко // Молодежь и системная модернизация страны: сборник научных статей международной Научной конференции студентов и молодых ученых: в 2-х томах. 2016. С. 13-16.
9. Бабешко В.Н. Глобальные гетерогенные вычислительные системы / В.Н. Бабешко // Инновационные исследования: проблемы внедрения результатов и направления развития: сборник статей международной научно-практической конференции: в 2 частях. 2017. С. 15-17.
10. Зеленина М.Г. Программные компоненты многопроцессорных устройств / М.Г. Зеленина, Е.Н. Панова, В.Н. Бабешко // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации: сборник научных трудов XII-ой международной научно-технической конференции: 2015. С. 132-135.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Programma «Cifrovaja jekonomika Rossijskoj Federacii» [Program "Digital Economy of the Russian Federation"]. –[Electronic resource] – URL: https://digital.gov.ru/ru/activity/directions/858/ (accessed 14.01.2021) [in Russian]
2. Uporov E.I. Koncepcija interneta veshhej kak bazovaja ideja sozdanija «umnogo doma» [The concept of the Internet of things as the basic idea of creating a "smart home"] / E.I. Uporov, Ju.S. Belov // Mezhdunarodnyj studencheskij nauchnyj vestnik [International student scientific bulletin]. 2018. P. 71-72. [in Russian]
3. Babeshko V.N. Blokchejn v geterogennyh setevyh sistemah [Blockchain in heterogeneous network systems] / V.N. Babeshko // Novye informacionnye tehnologii v nauke: sbornik statej po itogam Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [New information technologies in science: a collection of articles on the results of the International Scientific and Practical Conference]. 2017. P. 9-10. [in Russian]
4. Efimov M.M. Internet veshhej: perspektivy adaptivnyh sistem [Internet of Things: Perspectives of Adaptive Systems] / M.M. Efimov, R.V. Kirichek // Informacionnye tehnologii i telekommunikacii [Information Technologies and Telecommunications]. 2020. P. 55-66. [in Russian]
5. Babeshko V.N. Mnogoprocessornye sistemy v tumannyh vychislitel'nyh setjah [Multiprocessor systems in foggy computing networks] / V.N. Babeshko // Innovacii, kachestvo i servis v tehnike i tehnologijah: materialy 4-oj Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konf. [Innovations, quality and service in engineering and technology: materials of the 4th International scientific-practical conference]. 2014. P. 62-64. [in Russian]
6. Medvedeva V.A. Sovremennye vychislitel'nye seti s ispol'zovaniem tumannyh tehnologij [Modern computer networks using foggy technologies] / V.A. Medvedeva, A.S. Osipenko, V.N. Babeshko // Sovremennye instrumental'nye sistemy, informacionnye tehnologii i innovacii: materialy XII-oj mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Modern instrumental systems, information technologies and innovations: materials of the XIIth international. scientific and practical conference]. 2015. P. 76-79. [in Russian]
7. Babeshko V.N. Informacionno-vychislitel'nye sistemy v geterogennyh mikroprocessornyh raspredelennyh setevyh infrastrukturah [Information and computing systems in heterogeneous microprocessor-based distributed network infrastructures] / V.N. Babeshko // My prodolzhaem tradicii Rossijskoj statistiki [We continue the traditions of Russian statistics]. 2015. P. 306-307. [in Russian]
8. Babeshko V.N. Informacionnye komponenty sovremennyh vychislitel'nyh kompleksov [Information components of modern computing systems] / V.N. Babeshko, S.V. Babeshko // Molodezh' i sistemnaja modernizacija strany: sbornik nauchnyh statej mezhdunarodnoj Nauchnoj konferencii studentov i molodyh uchenyh [Youth and systemic modernization of the country: collection of scientific articles of the international Scientific conference of students and young scientists]: in 2 volumes: 2016. P. 13-16. [in Russian]
9. Babeshko V.N. Global'nye geterogennye vychislitel'nye sistemy [Global heterogeneous computing systems] / V.N. Babeshko // Innovacionnye issledovanija: problemy vnedrenija rezul'tatov i napravlenija razvitija: sbornik statej mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii [Innovative research: problems of implementing the results and directions of development: collection of articles of the international scientific and practical conference]: in 2 parts 2017. P. 15-17. [in Russian]
10. Zelenina M.G. Programmnye komponenty mnogoprocessornyh ustrojstv [Software components of multiprocessor devices] / M.G. Zelenina, E.N. Panova, V.N. Babeshko // Sovremennye instrumental'nye sistemy, informacionnye tehnologii i innovacii: sbornik nauchnyh trudov XII-oj mezhdunarodnoj nauchno-tehnicheskoj konferencii [Modern instrumental systems, information technologies and innovations: collection of scientific works of the XII-th international scientific and technical conference]: in 4 volumes: 2015. P. 132-135. [in Russian]