Экологичная технология разумных городовТематическая подборка включает пять больших статей, предваряемых вводной заметкой приглашенного редактора Суми Хелала (Sumi Helal) «ИТ-футпринтинг: подготовка фундамента будущих интеллектуальных городов» (IT Footprinting — Groundwork for Future Smart Cities). Последние достижения в области всеобъемлющих ИТ позволяют реально говорить о появлении на нашей планете интеллектуальных городов (smart city), домов, рабочих мест, гостиниц, школ и т. д. Развитие технологий энергосбережения и беспроводной связи 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 – 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 возможности для преодоления последствий мирового экономического спада за счет создания новых экологически чистых производственных предприятий. Советник компании Panasonic Ёшиаки Кушики (Yoshiaki Kushiki) в своей заметке отмечал, что для успешного становления таких новых производственных предприятий нужно, чтобы потребители отказались от первичности требования материального изобилия в пользу духовного богатства. 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. Это не ново и способствовало развитию индустрии встраиваемых систем на протяжении последних двух десятилетий. Новыми являются требования масштабности и экологичности.

Интеллектуализация целого города – это масштабный процесс ИТ-футпринтинга (то есть всепроникающего внедрения ИТ1), для осознания серьезности которого нужно ответить на ряд вопросов. 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? Этот набор вопросов может быть очень большим, а общее число объектов, подлежащих интеллектуализации, может легко достичь сотен миллионов. Только для интеллектуализации электросети потребуется установить интеллектуальные счетчики в каждой структуре, потребляющей электричество, для чего придется внедрить десятки миллионов сенсорных устройств. Нужны будут и контроллеры, интегрирующие электросеть с ИТ-инфраструктурой на уровнях производства, передачи и потребления электричества.

ИТ понадобятся и при создании домов с низким энергопотреблением и отсутствием выбросов CO2. Для экологически чистых электромобилей нужны будут встроенные компьютеры. Массовое внедрение ИТ потребуется для решения проблем здравоохранения, помощи престарелым гражданам, безопасности, реагирования на чрезвычайные ситуации и т. д.

Но действительно ли уже имеются все технологии, требуемые для такого масштабного процесса? Нет, а кроме того, еще необходимо переосмыслить роль и назначение встраиваемых компьютерных средств. Например, потребуются изменения в существующих встраиваемых операционных системах — сейчас они ориентированы на интеллектуализацию объектов или устройств и становятся все интеллектуальнее, 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 годов. Требуется новое поколение встраиваемых ОС, способных к естественной автоматической интеграции с многочисленными датчиками в окружающем их облаке объектов.

Требуются и изменения аппаратных средств — 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.

Для завершения формирования инфраструктуры интеллектуального города потребуется включить в нее платформы, обеспечивающие доступ пользователей к интеллектуальным сервисам: телевизионные приставки, смартфоны, публично доступные дисплеи и т. д. И тогда возникнет 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 (Milind Naphade), Гурудут Банавар (Guruduth Banavar), Колин Гаррисон (Colin Harrison), Юрий Паращак (Jurij Paraszczak) и Роберт Моррис (Robert Morris). Во всем мире города переживают сейчас 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 чаще прибегают к ИТ и новым видам трудовой деятельности. Для интеллектуализации городов потребуются инновации в областях планирования, управления и эксплуатации (рис. 1). Возможности таких преобразований и возникающие при этом проблемы, обсуждаемые в данной статье, иллюстрируются проектами, которые выполняются в Бразилии, США, Дании, Южной Корее и других странах.

 

 

Рис. 1. Интеллектуальный город является «системой систем» – набором взаимозависимых публичных и частных систем, которые могут быть интегрированы 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 интероперабельности 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 (Kai Kuikkaniemi), Джулио Якуччи (Giulio Jacucci), Марко Турпейнен (Marko Turpeinen), Эве Хогган (Eve Hoggan), Йорг Мюллер (Jorg Muller). 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. Однако 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: Интернет 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 его лучшего соответствия своей роли в сообществе. Сценическая площадка переместилась из городской площади в жилую комнату или офис, и общественные места утратили прежнюю многокрасочность, обеспечивая теперь мало возможностей для самовыражения.

Технология способствует возврату к интерактивному самовыражению на площадках городов. Рост масштабов производства позволяет использовать в качестве дисплея любую поверхность, обеспечивая окно для доступа в Интернет. Дисплеи больше не обязаны иметь традиционную прямоугольную форму, они могут иметь любой размер, охватывая стены и даже площади и улицы. В результате и поверхности, и окружающая среда перестают быть пассивными (рис. 2).

 

 

Рис. 2. С применением широкомасштабной автоматизации 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 (Felipe Gil-Castineira), Эгрике Коста-Монтенегро (Enrique Costa-Montenegro), Франсциско Гонсалес-Кастано (Francisco Gonzalez-Castano), Кристина Лопез-Браво (Cristina Lopez-Bravo), Тимо Ояла (Timo Ojala) и Раджа Розе (Raja Bose). 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 всего мира 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. Правительства нескольких стран уже приняли масштабные программы создания интеллектуальных городов путем расширения их инфраструктуры 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 (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Точка доступа в интеллектуальном городе Оулу

 

Последнюю статью тематической подборки, озаглавленную «Построение интегрированной платформы управления сервисами для экологически чистых городов» (Building an Integrated Service Management Platform for Ubiquitous Ecological Cities), написали Джунгву Ли (Jungwoo Lee), Сонхун Байк (Songhoon Baik) и Чунхвой Ли (Choonhwa Lee). Значительный технологический прогресс привел к невиданным изменениям во всех частях общества и трансформировал повседневную жизнь людей. В частности, технологии беспроводных и мобильных коммуникаций, радиочастотной идентификации и беспроводных сенсорных сетей прокладывают путь к созданию повсеместно доступных сетей (ubiquitous networking), а устройства, подключенные к Интернету, все чаще используются для доступа к информации, ее обработки и обеспечения коммуникаций.

Интеллектуальные мобильные устройства совместно с высокоскоростными масштабными сетями для доступа к ним и сенсорами, встраиваемыми в среду, обеспечивают основу для создания повсеместных городов (ubiquitous city), или u-городов, в которых объекты и люди тесно связаны. Поскольку достижения в области ИТ открывают возможности для эффективного городского управления, требуются инновации, обеспечивающие новые инфраструктурные сервисы, 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 повсеместного компьютинга и экологически чистых технологий для развития новых городов. Архитектура программного обеспечения ISMP-UC для экологически чистого u-города –  первый шаг в реализации этой программы. После успешного завершения этого проекта и тестирования производительности системы она станет эталонной моделью сервисов u-городов (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Комплекс зданий Чонга в городе в Инчхоне (Южная Корея) будет полностью
реализован по модели u-городов

 

Вне тематической подборки опубликованы две большие статьи. Первая из них написана Р. Дж. Хоники (R. J. Honicky) 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 Интернете доминирует краудсорсинговая (crowdsoursing, краудсорсинг — передача определенных производственных функций неопределенному кругу лиц) информация, например Википедия и проекты в области распределенной обработки данных, такие как SETI@home и Folding@home, демонстрирующие 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 (Nilanjan Mukherjee), Янушем Райски (Janusz Rajski), Гржегожем Мругальски (Grzegorz Mrugalski), Артуром Пигилем (Artur Pogiel) и Ежи Тишером (Jerzy Tyszer) и называется «Кольцевой генератор: предельный регистр сдвига с линейной обратной связью» (Ring Generator: An Ultimate Linear Feedback Shift Register). В 2001 году 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), 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, которые усложняют отслеживание символов в приемнике или мешают 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 телевидении высокой точности, при шифрации трафика Gigabit Ethernet и в системах спутниковых коммуникаций.

Всего доброго, до следующей встречи, Сергей Кузнецов, kuzloc@ispras.ru 

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF