Экологичная технология интеллектуальных городов

Сергей Кузнецов

Обзор июньского, 2011 г. номера журнала Computer (IEEE Computer Society, V. 44, No 6, июнь 2011).

Авторская редакция.
Также обзор опубликован в журнале «Открытые системы»

В этом году июньский номер журнала посвящен проблематике развития «интеллектуальных» городов (smart cities). Приглашенным редактором тематической подборки является Суми Хелал (Sumi Helal, University of Florida). Подборка включает пять больших статей, предваряемых вводной заметкой приглашенного редактора «IT-футпринтинг: подготовка фундамента будущих интеллектуальных городов» («IT Footprinting—Groundwork for Future Smart Cities»).

Последние достижения в области всеобъемлющего компьютинга позволяют представить существование в будущем на нашей планете интеллектуальных городов, домов, рабочих мест, гостиниц, школ и т.д. Развитие технологий энергосбережения и беспроводной связи (IEEE 802.15.4, беспроводные сенсорные сети и т.д.) позволило в течение десяти лет разработать и реализовать прототипы интеллектуальных пространственных систем, позволяющих повысить качество жизни, улучшить осведомленность людей о доступных ресурсах и окружающей среде. Назначение этих систем понятно, но прототипирование – это всего лишь часть всего процесса их создания, требуется обеспечить их коммерческое распространение и создать новую индустрию.

В частности, правительства разных стран намереваются развивать интеллектуальные города. При возрастающем уровне урбанизации общества и наличии серьезных экономических и экологических проблем технология интеллектуальных городов позволяет устранить расширяющийся разрыв между спросом и предложением при уменьшении воздействия урбанизации на окружающую среду. Развитие интеллектуальных городов, кроме того, обеспечивает возможность преодолеть последствия мирового экономического спада за счет создания новых экологически чистых производственных предприятий.

Советник компании Panasonic Corporation Ёшиаки Кушики (Yoshiaki Kushiki) в своей заметке отмечал, что для успешного становления таких новых производственных предприятий нужно, чтобы потребители отказались от требования материального изобилия (material affluence) в пользу духовного богатства (spiritual richness). Это действительно так, поскольку большая часть продуктов и служб интеллектуальных городов будет обеспечивать гражданам именно нематериальные выгоды, такие как сокращение энергопотребления, уменьшение выбросов углекислого газа и т.д.

В принципе, путь к построению интеллектуальных городов очевиден: встраивание сенсоров, исполнительных механизмов и компьютеров в объекты, являющиеся важными элементами интеллектуальных городов. Этот подход «интеллектуализации» не является новым, поскольку именно он способствовал развитию индустрии встраиваемых систем на протяжении последних двух десятилетий. Новыми являются требования масштабности и экологичности.

Интеллектуализация целого города – это масштабный процесс IT-футпринтинга (я полагаю, что в данном случае под процессом IT-футпринтинга автор понимает процесс внедрения информационных технологий). Чтобы понять его масштабность, нужно ответить на следующие вопросы. Сколько людей живет в большом городе? Сколько в нем жилых и офисных строений? Какова общая длина электрических кабелей? Сколько имеется электрических розеток? Сколько машин и парковочных мест? Это примерный набор вопросов, который может быть очень большим, а общее число объектов, подлежащих интеллектуализации, может легко достичь сотен миллионов.

Только для интеллектуализации электросети, существенной части большинства планируемых интеллектуальных городов, потребуется установить интеллектуальные счетчики в каждой структуре, потребляющей электричество, для чего придется внедрить десятки миллионов сенсорных устройств. Нужны будут и другие контроллеры, интегрирующие электросеть с IT-инфраструктурой на уровнях производства, передачи и потребления электричества.

Развитие интеллектуальных городов может начинаться с интеллектуализации электросетей, но не заканчивается на этом. Дополнительный IT-футпринтинг может понадобиться для создания домов с низким энергопотреблением и отсутствием выбросов CO2. Для футпринтинга экологически чистых электромобилей нужны будут встроенные компьютеры. Массовый футпринтинг потребуется для решения проблем здравоохранения, помощи престарелым гражданам, безопасности, реагирования на чрезвычайные ситуации и т.д.

Но действительно ли имеются все технологии, требуемые для такого масштабного футпринтинга? К сожалению, нет. Для достижения этой цели необходимо переосмыслить роль и назначение встраиваемых компьютерных средств. Например, потребуются изменения в существующих встраиваемых операционных системах (ОС). В настоящее время они ориентированы на интеллектуализацию объектов или устройств – они становятся интеллектуальными, но остаются автономными, ничего не зная об окружающих их объектах и устройствах.

Другими словами, существующие встраиваемые ОС для интеллектуальных городов напоминают DOS для персональных компьютеров в начале 1980-х гг. Требуется новое поколение встраиваемых ОС, способных к естественной автоматической интеграции с многочисленными датчиками в окружающем их облаке объектов. Без этого фундаментального изменения для IT-футпринтинга потребуется вручную интегрировать огромное число объектов, каждый из которых сам по себе является интеллектуальным.

Требуются и изменения аппаратных средств. Нужно будет быстрее выводить на рынок нужные компоненты и подсистемы. Разработчикам нужно будет тесно интегрировать процессорные и коммуникационные элементы, образуя легко используемые модули. Возможно, стоит следовать опыту автомобильной индустрии, поставляющей детали с одной и той же стандартной функциональностью, но с разными формами и размерами.

После налаживания процессов IT-футпринтинга для завершения формирования инфраструктуры интеллектуального города потребуется включить в нее платформы, обеспечивающие доступ пользователей к интеллектуальным службам: телевизионные приставки, смартфоны, публично доступные дисплеи и т.д. И тогда появится новый мир мощных и серьезных приложений, по сравнению с которым app store будет выглядеть так же банально, как традиционный продовольственный магазин.

Первую регулярную статью тематической подборки под названием «Интеллектуальные города и их инновационные проблемы» («Smarter Cities and Their Innovation Challenges») написали Милинд Нафейд, Гурудут Банавар, Колин Гаррисон, Юрий Паращак и Роберт Моррис (Milind Naphade, Guruduth Banavar, Colin Harrison, Jurij Paraszczak, Robert Morris).

Во всем мире города испытывают небывалый социоэкономический кризис. Рост и миграция городского населения оказывают значительное воздействие на инфраструктуру городов, поскольку возникают опережающие возможности требования в предоставлении воды, электроэнергии, средств транспорта, здравоохранения, образования и обеспечения безопасности. Для сокращения расходов, повышения эффективности и поддержки должного уровня жизни граждан администрации городов все чаше прибегают к применению информационно-коммуникационных технологий и новых видов трудовой деятельности.

Для интеллектуализации городов потребуются инновации в областях планирования, управления и эксплуатации. Возможности таких преобразований и возникающие при этом проблемы, обсуждаемые в данной статье, иллюстрируются соответствующими проектами, которые выполняются в Бразилии, США, Дании, Южной Корее и других странах.

Интеллектуальный город является «системой систем» – набором взаимозависимых публичных и частных систем, которые могут быть интегрированы в городе для достижения нового уровня эффективности

Изменения текущего состояния всегда трудны для администраций городов, и для их интеллектуализации часто требуются координация и поддержка многих функциональных подразделений. Проблему представляет и потребность в постоянной демонстрации возможности возврата инвестиций. Технические проблемы, в основном, касаются обеспечения интероперабильности систем, обеспечения безопасности и конфиденциальности, возможности наращивания числа сенсоров и устройств и принятия новой парадигмы человеко-машинного взаимодействия с обратной связью.

Статью «Из зала на театральные подмостки: как интерактивные экраны изменят городскую жизнь» («From Space to Stage: How Interactive Screens Will Change Urban Life») представили Кай Куикканиеми, Джулио Якуччи, Марко Турпейнен, Эве Хогган, Йорг Мюллер (Kai Kuikkaniemi, Giulio Jacucci, Marko Turpeinen, Eve Hoggan, Helsinki Institute for Information Technology, Jörg Müller, Deutsche Telekom Laboratories).

Во многих отношениях города превратились в сети, которые обходятся людьми в поисках интересующих их объектов. Люди обращают мало внимания друг на друга, а рекламные щиты и другие средства публичного отображения информации обычно представляют собой традиционные прямоугольные структуры, привлекающие лишь поверхностное внимание.

Пространства городов не всегда были такими неинтересными. До вступления человечества в цифровую эпоху город представлял собой интерактивную сценическую площадку, на которой общество реализовывало разнообразные виды творческого опыта. Европейские торговцы тратили большие деньги на украшение фасадов своих домов, чтобы они выделялись на городских площадях, которые и без того были весьма впечатляющими. Огромные ратуши демонстрировали ход жизни общества. У каждого человека имелась своя социальная роль. Люди разыгрывали свои роли в общественных местах городов, отличаясь друг от друга одеждой и аксессуарами, свойственными данной роли.

С наступлением цифровой эпохи эта сценическая площадка стала во многом виртуальной: Internet обеспечил мощную платформу для постановки творческих интерактивных спектаклей. Facebook, YouTube, Twitter и Flickr взяли на себя суету городских площадей. Как и их предки, современные «актеры» и «актрисы» тратят массу времени на совершенствование своего образа для обеспечения его лучшего соответствия своей роли в сообществе. Сценическая площадка переместилась из городской площади в жилую комнату или офис, и общественные места утратили свою прежнюю многокрасочность, обеспечивая теперь мало возможностей для самовыражения.

Технология способствует возврату к интерактивному самовыражению на площадках городов. Роста масштабов производства позволяет использовать в качестве дисплея любую поверхность, обеспечивая окно для доступа в Internet. Дисплеи больше не обязаны иметь традиционную прямоугольную форму, могут иметь любой размер, охватывая стены и даже площади и улицы.

В результате поверхности и окружающая среда перестают быть пассивными. С применением широкомасштабной автоматизации и всеобъемлющего компьютинга городские площадки можно преобразовать во впечатляющие театральные подмостки. После этого преобразования городские пространства станут более пригодными для жизни, а жители – более осведомленными о своем сообществе.

Авторами статьи «Опыт интеллектуального города Оулу» («Experiences inside the Ubiquitous Oulu Smart City») являются Фелипе Джил-Кастенейра, Эгрике Коста-Монтенегро, Франсциско Гонсалес-Кастано, Кристина Лопез-Браво, Тимо Ояла и Раджа Розе (Felipe Gil-Castineira, Enrique Costa-Montenegro, Francisco J. Gonzalez-Castano, Cristina Lopez-Bravo, University of Vigo, Spain, Timo Ojala, University of Oulu, Finland, Raja Bose, Nokia Research Center, Palo Alto).

Исследования в области повсеместного компьютинга (ubiquitous-computing) традиционно ориентируются на интеллектуальные дома и офисы, в которых физические измерения интеллектуального пространства ограничены зданием или небольшой географической площадью. Однако с внедрением беспроводных инфраструктур в городах во всем мире, наконец, обретает форму концепция развития интеллектуальных городов.

Кроме того, в отличие от других исследовательских тем в области повсеместного компьютинга, которые, прежде всего, мотивируются и направляются академическими и промышленными группами, исследования путей создания интеллектуальных городов опираются на смешанные группы участников, включая представителей правительств, планировщиков городов, социологов и, конечно, исследователей повсеместного компьютинга. Правительства нескольких стран уже приняли масштабные программы создания интеллектуальных городов путем расширения существующей инфраструктуры городов встраиваемыми сенсорными устройствами, а также технологиями коммуникаций и взаимодействий с пользователями.

Одним из таких проектов является First International Open Ubiquitous City Challenge, обеспечивающий возможность для международного сообщества повсеместного компьютинга реализовать инновационные приложения и сервисы для тестовой площадки Open Ubiquitous Oulu – реальной среды интеллектуального города, расположенной в финском городе Оулу.

Точка доступа в интеллектуальном городе Оулу

Последняя статья тематической подборки называется «Построение интегрированной платформы управления службами для экологически чистых городов» («Building an Integrated Service Management Platform for Ubiquitous Ecological Cities») и написана Джунгву Ли, Ёнсеем Байком и Чунхвой Ли (Jungwoo Lee, Yonsei University, Songhoon Baik, KT Corp., Choonhwa Lee , Hanyang University).

Значительный технологический прогресс, достигнутый в последние годы, привел к невиданным изменениям во всех частях общества и изменил повседневную жизнь людей. В частности, технологии беспроводных и мобильных коммуникаций, радиочастотной идентификации (radio frequency identification, RFID) и беспроводных сенсорных сетей прокладывают путь к созданию повсеместно доступных компьютерных сетей (ubiquitous networking), а устройства, подключенные к Internet все чаще используются для доступа к информации и ее обработки, а также для обеспечения коммуникаций.

Интеллектуальные мобильные устройства совместно с высокоскоростными масштабными сетями для доступа к ним и сенсорами, встраиваемыми в среду, обеспечивают основу для создания вездесущих городов (ubiquitous city, u-города), в которых объекты и люди тесно связаны. Поскольку достижения в области ИКТ открывают возможности для эффективного городского управления, требуются инновации, обеспечивающие новые инфраструктурные службы, которые позволят справиться с этими изменениями.

Являясь одним из лидеров в гонке по созданию интеллектуальных городов, Южная Корея предпринимает дополнительные действия для интеграции современных технологий вездесущего компьютинга и экологически чистых технологий для развития новых городов. Архитектура промежуточного программного обеспечения ISMP-UC для экологически чистого u-города – это первый шаг в реализации этой программы. После успешного завершения этого проекта и тестирования производительности системы она станет эталонной моделью служб u-городов.

Вне тематической подборки опубликованы две большие статьи. Первая из них написана Р.Дж. Хоники (R.J. Honicky, Nokia Research Center, Berkeley) и называется «Осмысление и использование рандеву для совершенствования мобильных краудсорсинговых приложений» («Understanding and Using Rendezvous to Enhance Mobile Crowdsourcing Applications»).

По мере того как мобильные телефоны становятся устройствами общего назначения, производители телефонов интегрируют в них различные сенсоры. Например, даже в дешевых телефонах теперь имеются фотокамеры, а в телефонах умеренной стоимости часто наличествует поддержка GPS для использования популярных картографических приложений. Ускорители и магнитометры обеспечивают интеграцию виртуального и физического миров, что позволяет применять приложения расширенной реальности (augmented-reality) нового поколения, такие как Wikitude, Star Walk, Dish Pointer, Work Snug и Car Finder.

В то же время, теперь в Internet доминирует краудсорсинговая информация, например, Wikipedia. Проекты в области распределенной обработки данных, такие как SETI@home и Folding@home, демонстрируют мощность распределенных вычислений и готовность людей предоставлять свои собственные ресурсы для совершенствования общества и развития науки. Такие приложения, как определение местоположения по вышкам сотовой связи, мониторинг транспортных потоков и выявление повреждений дорожного покрытия, автоматически интегрируют сенсорные данные, поступающие с мобильных устройств.

Объединение этих двух тенденций с концепцией рандеву (когда два или большее число сенсоров сближаются в пространстве или времени) обеспечивает потенциал для создания новых мощных приложений, обладающих характеристиками распределенности и краудсорсинга.

Последняя большая статья июньского номера представлена Ниланьяном Мухерджи, Янушем Райски, Гржегожем Мругальски, Артуром Пигилем и Ежи Тишером (Nilanjan Mukherjee, Janusz Rajski, Mentor Graphics, Grzegorz Mrugalski, Artur Pogiel, Mentor Graphics Polska, Jerzy Tyszer, Poznan University of Technology) и называется «Кольцевой генератор: предельный регистр сдвига с линейной обратной связью» («Ring Generator: An Ultimate Linear Feedback Shift Register»).

В 2001 г. в индустрии автоматизации проектирования электронных устройств начала использоваться технология встраиваемого детерминированного тестирования (embedded deterministic test, EDT) – технология сжатия, предназначенная для решения проблемы роста объемов тестовых данных и времени тестирования. Сжатие позволяет применять к интегральным схемам большее число тестовых наборов за меньшее время и с использованием меньшего числа контактов в тестере. При использовании EDT к тестируемой интегральной схеме добавляется простая логика для преобразования сжатых тестовых входных данных в требуемые внутренние тестовые биты, как детерминированные, так и случайные. В этом внутрисхемном решении используется архитектура кольцевых генераторов (ring generator), устройств, основанных на совершенствовании подхода регистров сдвига с линейной обратной связью.

Изначально разработанные для нанометрического тестирования, кольцевые генераторы являются универсальными устройствами с потенциально несметным числом возможных применений в таких разных областях, как компьютерная инженерия, мобильная телефония, криптография и т.д. Значительным техническим преимуществом кольцевых генераторов является их регулярная структура, наличие исключительно коротких путей распространения сигналов и небольших внутренних разветвлений.

В устройствах средств связи и цифрового радиовещания кольцевые генераторы рандомизируют передаваемые битовые потоки, что препятствует тому, чтобы передаваемые короткие последовательности образовывали спектральные линии, усложняющие отслеживание символов в приемнике или мешающие другим передачам.

В GPS кольцевые генераторы могут использоваться для быстрого формирования последовательностей, означающих высокоточные временные смещения. В сотовой телефонии и системах Bluetooth кольцевые генераторы могут применяться в качестве замены генераторов ступенчатых сигналов (step generator) при шифровании потоков данных. Обеспечивая исключительно быстрое образование псевдослучайных последовательностей, кольцевые генераторы могут использоваться в широкополосной радиосвязи с прямой последовательностью импульсов (direct-sequence spread-spectrum radio) или разнообразных программируемых генераторах звука.

Наконец, из-за высокой производительности кольцевых генераторов и присущей им конструктивной гибкости они могут найти применение в областях телевидения высокой точности, шифрации гигабитного Ethernet и систем спутниковых коммуникаций.

Всего доброго, до следующей встречи, Сергей Кузнецов.