English 0 позиций в запросе!   Отправить?
Подписка на новости
Задать вопрос

Имя *

E-Mail *

Компания *

Телефон *

Вопрос *

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку своих персональных данных

Заказать образцы

Имя *

E-Mail *

Телефон *

Сайт

Компания *

Описание проекта *

Образцы предоставляются под проект

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на
обработку своих персональных данных и
обратную связь со специалистами PT Electronics

Подписка на новости

Назад

«Умный Санкт-Петербург»: комплексный подход к внедрению информационных технологий управления мегаполисом

4 Июл 2019

Автор статьи

Сергей Митягин, к. т. н., директор института дизайна и урбанистики Университета ИТМО Андрей Карсаков, к. т. н., руководитель научной группы «Визуализация и компьютерная графика» Александр Бухановский, д. т. н., директор мегафакультета трансляционных информационных технологий Университета ИТМО Владимир Васильев, д. т. н., профессор, член-корреспондент РАН, ректор Университета ИТМО

Для реализации технологий «умного города» в Санкт-Петербурге предложен подход, ориентированный на гибкий итерационный процесс отбора и планирования внедрения «умных» решений. Выделены четыре основные стадии — определение приоритетов развития города, оценка и выбор подходящих решений, планирование и реализация, внедрение и оценка эффективности выбранных решений. Процесс имплементирован в деятельность проектного офиса «Умный Санкт-Петербург», выступающего в роли экспертной группы под патронажем администрации Северной столицы. В статье обобщается опыт функционирования проектного офиса в части планирования применения интеллектуальных технологий в управлении развитием городов.


Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №1 (65) 2019

 

Скачать статью в PDF


Общепринятого определения понятия «умный город» (англ. smart city) в настоящее время не существует. Однако оно обобщается парадигмой «умный город», декларирующей подходы к развитию города и ожидаемые эффекты, схожие для городов разных типов. Парадигма «умный город» охватывает идеи экономии ресурсов, создания качественных городских сред и обеспечения высокого качества жизни населения за счет эффективного управления городскими процессами в сочетании с открытым взаимодействием всех стейкхолдеров (горожане, бизнес, органы власти и пр.).

Основой для реализации идей «умного города» являются информационно-коммуникационные технологии (ИКТ) различной направленности: от средств локальной автоматизации до технологий искусственного интеллекта и метакогнитивных технологий управления сложными социокиберфизическими системами. При этом номенклатура ИКТ «умного города» должна быть согласована с уровнем развития самого города и соответствовать его реальным потребностям. Так, в практике нередки случаи, когда уже внедренные решения не принесли ожидаемого эффекта в части изменения качества жизни населения. Можно, например, упомянуть такие примеры, как внедрение в РФ сервисов электронного правительства, что привело к дискриминации населения по уровню владения современными гаджетами и компьютером. В ряде ситуаций внедрение новых технологий усложнило процессы управления и даже создало дополнительную нагрузку в части сопровождения и эксплуатации самой ИКТ-инфраструктуры. Примером может служить уже известный и широко обсуждаемый корейский город Сонгдо, где сопровождение «умной» инфраструктуры стало барьером развития города. В целом это является следствием сложности (комплексности) городских процессов, когда внедрение отдельных ИКТ-решений может отразиться на иных сферах городской жизни, и эффекты фрагментарной информатизации достаточно сложно предсказать. Как следствие, принципиальной задачей создания «умного города» является обоснование выбора технологий, решений и ИКТ-инфраструктуры, соответствующих перспективам и проблематике развития города, учитывающей многообразие решаемых задач и множество взаимосвязанных факторов.

Принципы создания «умного города» в Санкт-Петербурге

За основу для Санкт-Петербурга было принято определение «умного города» как города, в котором реализуется интеллектуальный подход к внедрению современных ИКТ для создания потенциала саморазвития за счет формирования новых процессов взаимодействия городских стейкхолдеров. Основная цель «умного города»   — обеспечение высокого качества жизни, воспринимаемого населением. Оценка ее достижимости основана на шести базовых принципах:

  • Принцип формирования комфортной городской среды для всех. Предполагает, что городская среда обеспечит потребности и ожидания всех групп населения. Задает универсальный метод оценки качества городской среды как способности города удовлетворить объективные и субъективные ожидания горожанина.
  • Принцип координации и взаимодействия всех участников развития города. Предполагает необходимость привлечения всех категорий стейкхолдеров в процессе создания и использования «умного города».
  • Принцип дополнительного назначения городской инфраструктуры. Предполагает приоритетность наделения существующих элементов городской инфраструктуры новыми функциями и получения за счет этого новых результатов.
  • Принцип устойчивого развития, основанного на мониторинге, анализе и прогнозировании. Предполагает комплексное цифровое описание города как целостной системы и мониторинга его развития для решения задач оценки, анализа и прогнозирования развития города.
  • Принцип формирования цифровой среды самоорганизации жителей и бизнеса. Предполагает создание целостного информационного пространства города для населения и бизнеса и открытия городских данных.
  • Принцип «Умный город» — это город, где живут счастливые люди». Предполагает приоритетную ориентацию на создание положительных мотиваций жителей от взаимодействия с городской средой.

Указанные принципы выражают базовую идею, согласно которой качество жизни населения определяется, с одной стороны, объективными характеристиками уровня жизни, а с другой — субъективным восприятием, зависящим от личных потребностей и ожиданий и выраженным в наличии устойчивых практик и поведенческих установок. В частности, города с высоким качеством жизни характеризуются такими поведенческими установками, как бережное отношение к городу, соучастие в его развитии, участие в городских общественных мероприятиях и т. д. Формирование подобных установок является долгосрочной целью развития города и требует ориентации на потребности населения, формирования положительных ожиданий и мотиваций. Как следствие, состав и номенклатура технологий «умного города» не могут быть определены статически, а должны пересматриваться и адаптироваться к реальности по мере эволюции городской среды, социально-экономической и информационно-психологической обстановки в городе.

Технологии «умного города»

В соответствии с указанными выше принципами выделяются три основные укрупненные области применения ИКТ в «умном городе».

Первая и наиболее традиционная область включает решения по мониторингу процессов жизнедеятельности города, с этой целью в современных городах интенсивно внедряются первичные устройства сбора данных (сенсоры, камеры и пр.), включая нижний уровень механизмов «Интернета вещей» (IoT). Обобщенно такой подход носит название «сенситивный город». Необходимость обработки большого количества информации обусловливает применение технологических решений по сбору, обработке и анализу больших данных. Специфика реализации ИКТ-решений для этого существенно зависит от предметной области (в том числе поступающих объемов данных, требований к реактивности и производительности, а также репрезентативности размещения первичных устройств).

Вторая укрупненная область включает решения по управлению развитием города. Их особенность состоит в необходимости количественного представления комплексных целей развития города и оценки эффективности их достижения. Решение таких задач усложняется тем, что город представляет собой сложную социотехническую систему, что обусловливает невозможность свести задачу достижения комплексной цели развития города к достижению частных целей развития по отдельным направлениям. По этой причине современные подходы к целеполаганию в городском развитии подразумевают формирование целостного целевого образа города в цифровой среде, построенного с учетом структуры городских сущностей и особенностей их взаимодействия между собой и с населением. Особенность ИКТ-решений «умного города» в данной области заключается в реализации механизмов многокритериальной оптимизации в условиях неопределенности на основе количественных индексов качества жизни в различных сферах (физиологической, социально-экономической, психологической). Сами индексы конструируются на основе ретроспективных и актуальных городских данных из различных источников (включая как прямые измерения, так и результаты предсказательного моделирования).

Третья укрупненная область предусматривает решения по предоставлению лицам, пребывающим на территории города, новых сервисов, ориентированных на упрощение взаимодействия потребителя с городской средой. Особенностью данных решений является многообразие и непостоянство реальных процессов взаимодействия людей с городом. По этой причине предполагается предоставление потребителю информации, данных и знаний, сгенерированных на основе доступной информации, во всем возможном многообразии, с использованием мультимодальных интерфейсов человеко-компьютерного взаимодействия. При этом важна проактивность социотехнических сервисов «умного города», выражающаяся в их адаптации под меняющиеся городские условия и отслеживании текущего состояния и потребностей основных стейкхолдеров (в простейшем случае — по геолокации).

В рамках рассмотренной классификации проблема формирования «умного города» сводится к задаче комплексного управления его развитием в условиях неопределенности и неполноты данных, что требует представления цифрового образа города в ходе информационного обеспечения процесса отбора и планирования внедрения «умных» решений. При этом цифровой образ города должен отражать:

  • свойства и характеристики городских объектов и среды в целом, описываемые объективными (измеримыми) параметрами с учетом их взаимного влияния;
  • свойства населения, взаимодействующего с городской средой, его социальной и демографической структуры с учетом психологического фона, ожиданий и мотиваций;
  • формы взаимодействия населения с городской средой и способность города удовлетворить текущие субъективные и объективные потребности различных стейкхолдеров;
  • устойчивые поведенческие паттерны взаимодействия населения с городской средой и способность города удовлетворить его долгосрочные ожидания.

Цифровой образ города

Цифровой образ — механизм формирования целостной структуры знаний о городе, используемой для его описания как целого. Составляющими цифрового образа города являются:

  • цифровой образ самой городской среды;
  • цифровой образ горожанина;
  • модель их взаимодействия.

Цифровой образ городской среды

Цифровой образ городской среды представляется в форме структуры городских объектов, их параметров и методов диагностики (определения свойств), включая обработку и анализ данных, а также предсказательное моделирование. Сами сущности городской среды и связи между ними описываются в форме онтологической модели (рис. 1). Связи между сущностями могут иметь различный характер, но чаще всего рассматриваются территориальные и функциональные связи. Территориальные связи отражают взаимное влияние близлежащих сущностей, которое выражается в изменении характеристик сущностей при наличии вблизи объектов влияния. Например, зависимость цен на жилье от близости к станции метро. Функциональные связи отражают зависимость характеристик сущностей от параметров функционирования городских инфраструктур. Например, от наличия транспортной инфраструктуры, освещения и пр.

Пример онтологического описания городской среды

Рис. 1. Пример онтологического описания городской среды

Методы диагностики предполагают описание правил оценки городских объектов с точки зрения наличия или отсутствия типовых, или специфических проблем. Они предполагают реализацию вывода оценок на основании известных характеристик объектов или формирования рекомендаций к их измерению или расчету на основе математических моделей. Такое представление цифрового образа городской среды позволяет производить комплексную оценку города на различных уровнях декомпозиции от отдельных объектов (дом, улица, парк, квартал) до крупных территориальных образований (район, округ), а также для города в целом.

Цифровой горожанин

Сущность «цифрового горожанина» необходима для корректного учета особенностей взаимодействия людей с городом в решениях «умного города».

Статическое представление «цифрового горожанина» предполагает модельное описание человека с точки зрения его потребностей, ожиданий и поведенческих установок на текущий момент времени (определяемый масштабами того или иного городского процесса). Это позволяет количественно представить способность городской среды удовлетворить его объективные и субъективные потребности как функцию взаимодействия человека с соответствующим элементом городской среды. При этом формы взаимодействия могут варьироваться (рис. 2).

Динамическое представление «цифрового горожанина» предполагает представление процессов социальной динамики населения в виде набора состояний, в которых может находиться индивидуум, и системы переходов между этими состояниями. Причем каждое состояние характеризуется набором ожиданий от городской среды.

Цифровой горожанин и его развитие в городской среде

Рис. 2. Цифровой горожанин и его развитие в городской среде

Такое представление структуры состояний населения позволяет не только оценивать качество обеспеченности существующих состояний городскими сервисами, но и делать выводы об обеспеченности будущих состояний, а также отсутствующих, но перспективно важных состояний, влияющих на лояльность горожан в целом. Условия переходов между состояниями выражают мотивационные установки населения и определяются, с одной стороны, их текущим состоянием, а также индивидуальным представлением о желаемом «идеальном» состоянии — с другой. Учет подобных эталонных траекторий развития индивидуумов является важнейшей частью цифрового образа, поскольку это напрямую связано с обеспечением устойчивого развития города в целом. В перспективе подход, основанный на динамической модели «цифрового горожанина», позволит говорить о проектировании города для создания «нужных» траекторий развития населения.

Характеристики взаимодействия населения с городом

Результатом взаимодействия человека с городской средой является способность города удовлетворять субъективные и объективные потребности и ожидания населения, а также выстраивать поведенческие установки, необходимые для устойчивого развития города. В такой трактовке качество жизни в городе определяется комплексной способностью города удовлетворить потребности и ожидания всех рассматриваемых групп населения при взаимодействии со всеми элементами городской среды. Следовательно, представление цифрового образа города в описанной форме позволяет его использовать как систему знаний для поддержки процесса внедрения технологий «умного города».

Применение технологий цифрового образа города на примере Санкт-Петербурга

Реализация цифрового образа Санкт-Петербурга была использована для задач автоматизации агрегации, обработки и верификации данных о городских территориях. Это позволило объединить в единой логике такие разнородные данные, как ведомственная статистика, результаты натурного наблюдения, средовые исследования, социологические опросы и данные онлайн-источников, в том числе социальных сетей (рис. 3).

 Использование цифрового образа города для агрегирования данных: а) исторические карты

Рис. 3. Использование цифрового образа города для агрегирования данных: а) исторические карты

Использование цифрового образа города для агрегирования данных: б) планирование (ЗОУИТ)

Рис. 3. Использование цифрового образа города для агрегирования данных: б) планирование (ЗОУИТ)

Использование цифрового образа города для агрегирования данных: в) планирование (Генплан)

Рис. 3. Использование цифрового образа города для агрегирования данных: в) планирование (Генплан)

Использование цифрового образа города для агрегирования данных: г) застройка, недвижимость и расселение

Рис. 3. Использование цифрового образа города для агрегирования данных: г) застройка, недвижимость и расселение

Это необходимо для последующей реализации гибридных предсказательных моделей динамики городской среды, городской мобильности и эволюции социальной структуры городского населения. При этом предсказательные модели могут применяться для анализа и прогноза городских процессов в различных пространственно-временных масштабах (от планирования пешеходных маршрутов туристических групп — до оценки эффективности долгосрочных программ городского развития). Кроме того, с помощью цифрового образа решаются задачи планирования размещения объектов социальной и коммерческой инфраструктуры. Для этого производится сопоставление данных из различных источников и автоматическое определение наиболее достоверных параметров, моделирование популярности/посещаемости различных точек притяжения, расчет фактической обеспеченности населения социальной инфраструктурой. В качестве иллюстрации на рис. 4 приведен пример визуализации мобильности населения в Санкт-Петербурге с использованием личного и общественного наземного транспорта, а на рис. 5 — пример визуализации моделирования пешеходной мобильности. В целом, в цифровом образе обеспечивается объединение данных, моделей и агрегированных знаний в целях создания средств поддержки принятия решений управления городскими процессами.

Визуализация транспортной мобильности Санкт- Петербурга

Рис. 4. Визуализация транспортной мобильности Санкт- Петербурга

 Визуализация результатов моделирования пешеходной мобильности в городской среде: а) визуализация мультиагентных моделей перемещения людей; б) обеспечение моделирования массовых мероприятий

Рис. 5. Визуализация результатов моделирования пешеходной мобильности в городской среде: а) визуализация мультиагентных моделей перемещения людей;

 Визуализация результатов моделирования пешеходной мобильности в городской среде: а) визуализация мультиагентных моделей перемещения людей; б) обеспечение моделирования массовых мероприятий

Рис. 5. Визуализация результатов моделирования пешеходной мобильности в городской среде: б) обеспечение моделирования массовых мероприятий

Порядок создания и целевая модель «умного города» в Санкт-Петербурге

Деятельность проектного офиса «Умный Санкт-Петербург»

В Санкт-Петербурге деятельность в области «умного города» системно осуществляется с 2017  г. В настоящее время создан и функционирует проектный офис «Умный Санкт-Петербург» под научным руководством ректора Университета ИТМО В. Н. Васильева и с участием соруководителя от органов государственной власти Санкт-Петербурга — специального представителя губернатора Санкт-Петербурга А. И. Котова. В состав проектного офиса включены заместители председателей основных отраслевых комитетов. При этом состав утверждается непосредственно губернатором Санкт-Петербурга. Результатом является одобренная на заседании Правительства СПб в феврале 2018 г. концепция развития Санкт-Петербурга с использованием технологий «умного города».

На основе данной концепции в настоящее время разрабатываются приоритетная программа и связанные с ней мероприятия по внедрению технологий «умного города». Мероприятия программы «Умный Санкт-Петербург» полностью, и в концептуальном, и в формальном разрезах, соответствуют мероприятиям ведомственного проекта Минстроя «Умный город». Однако в Санкт-Петербурге мы рассчитываем обеспечить внедрение технологий во все сферы жизнедеятельности города.

Среди наиболее значимых решений, предлагаемых к включению в программу «Умный Санкт-Петербург», следующие решения:

  • в области комплексного управления развитием территорий, основанные на формировании цифрового образа (цифровой модели) города, на основе которого производится прогнозирование и планирование развития города, оценка значимости предлагаемых к реализации проектов (в том числе проектов умного города);
  • в области управления информационными ресурсами — реализация практики одного окна для предоставления информации за счет создания единой системы и политики доступа и управления информационными ресурсами города, позволяющей руководителю получать всю информацию по интересующей ситуации из всех профильных систем города;
  • в области социального обеспечения — единая карта петербуржца, играющая роль одновременно и смарт- и банковской карты;
  • в области здравоохранения — цифровое здравоохранение и центр онкомониторинга, который призван обеспечить не только оперативное выявление заболевания, но и надлежащее сопровождение и качество обслуживания пациентов;
  • в области градостроительства и архитектуры — сквозная городская сеть пешеходных и зеленых зон, адаптированных для перемещения лиц с детьми, на колясках, велосипедах и пр. и снабженная современными качественными и адаптивными решениями в части благоустройства и планирования общественных пространств (в том числе для незрячих людей);
  • в области экологии — практики раздельного сбора, вывоза и переработки отходов;
  • в области транспорта — интеллектуальная транспортная система, основанная на оценке обеспеченности населения услугами транспорта;
  • в области городского освещения — внедрение технологий умного освещения и управления наружным освещением;
  • в области телекоммуникации — полное покрытие территории связью 5G и сетью «Интернета вещей».

Порядок внедрения решений «умного города»

С точки зрения внедрения «умный город» представляет собой совокупность взаимодействующих проектов, совместно обеспечивающих достижение собственных локальных целей и общих целей «Умного Санкт-Петербурга». Логика построения единой архитектуры проектов «умного города» отражается в структурно-функциональной модели, которая характеризует общесистемное видение целевого состава и внутренней организации функциональных элементов «Умного Санкт-Петербурга», совместно обеспечивающих достижение общей цели. Каждый функциональный элемент такой модели характеризует группу функций города по отношению к жителям, бизнесу или органам власти и обеспечивает вклад в достижение целей «Умного Санкт-Петербурга». Согласно рис. 6, функциональные элементы «Умного Санкт-Петербурга» группируются на четырех слоях.

Порядок внедрения решений «умного города» в Санкт- Петербурге

Рис. 6. Порядок внедрения решений «умного города» в Санкт- Петербурге

Развитие элементов базовых слоев (физических средств информационного взаимодействия и межотраслевых функциональных элементов) является необходимым условием для возможного развития элементов слоев верхнего уровня. Функционирование элементов этого уровня обеспечивает актуализацию параметров цифрового образа города. Слой межотраслевых функциональных элементов является связующим для всей инфраструктуры умного города и определяет структуру цифрового образа в целом. Структура третьего слоя представляет собой взаимосвязанную совокупность отраслевых функциональных элементов в иерархии.

Процесс внедрения в Санкт-Петербурге предполагает проведение ежегодного цикла мероприятий (рис. 7):

  • Этап 1. Определение приоритетных направлений внедрения составляющих «умного города». Выполняются мероприятия по актуализации характеристик и параметров цифрового образа города и выявлению проблем и перспектив развития на его основе.
  • Этап 2. Проведение конкурсного отбора проектов для включения в состав «умного города» по приоритетным направлениям. По результатам оценки проектов формируется перечень проектов, предлагаемых для реализации в составе «Умного Санкт-Петербурга» для окончательного принятия решений ответственным органом государственной власти.
  • Этап 3. Реализация и внедрение проектов. Внедрение составляющих «Умного Санкт-Петербурга» осуществляется согласно структурной схеме «умного города», представленной на рис. 6.
  • Этап 4. Проведение мониторинга и оценки целевых показателей эффективности внедрения «Умного Санкт-Петербурга» и его составляющих.
    Порядок отбора и экспертизы проектов в проектном офисе «Умный Санкт- Петербург»

    Рис. 7. Порядок отбора и экспертизы проектов в проектном офисе «Умный Санкт- Петербург»

Порядок отбора и экспертизы проектов

Отбор проектов в рамках «Умного Санкт-Петербурга» осуществляется на основе системы критериев с целью формирования состава и плана реализации проектов, наилучшим образом соответствующих приоритетам и проблематике развития города. Для этого разработан подход к экспертизе проектов, включаемых в состав инфраструктуры «умного города» (рис. 8). Он предусматривает информационное обеспечение деятельности экспертов по определению критериев оценки проектов на основе цифрового образа города. Критерии оценки проектов разбиты на четыре категории:

  • новизна, определяющая ценность проекта с точки зрения инновационности, конкурентных преимуществ, наличия ранее реализованных аналогов, и актуальности для города;
  • ориентация на человека, включающая оценку социального эффекта, общественное одобрение и фокусировку на вопросах взаимодействия с городом конкретных групп населения;
  • реализуемость, включающая оценку квалификации заявителя, легкость интеграции технологии в городскую инфраструктуру, качество оценочных индикаторов проекта, соответствие целям и проблематике развития города;
  • финансирование, включающее экономический эффект от проекта и финансовое обеспечение.

Сочетание характеристик проектов и выявленных на основе анализа цифрового образа приоритетных направлений позволяет сформулировать задачу отбора проектов в логике оптимального планирования, повышающего интегральный показатель оценки качества жизни населения.

 Порядок отбора и экспертизы проектов в проектном офисе «Умный Санкт-Петербург»

Рис. 8. Порядок отбора и экспертизы проектов в проектном офисе «Умный Санкт-Петербург»

Оценка эффективности мероприятий по созданию «умного города»

Эффективность «умного города» определяется в соответствии с принципами «Умного Санкт-Петербурга» и выражается в оценке воспринимаемого качества жизни населения как удовлетворенности субъективных и объективных потребностей и ожиданий горожан при их взаимодействии с городской средой. Под потребностями понимаются текущие нерешенные проблемы, возникающие при взаимодействии жителей с городом. Под ожиданиями — суждения жителей о желательных элементах городской среды, атрибутах своего существования и формах взаимодействия с органами власти. При этом учитываются перспективы проживания в городе, исходя из мнения жителей о возможности достижения ожиданий и степени соответствия будущего «Умного Санкт-Петербурга» ожиданиям. Количественно оценка достижения основной цели «Умного Санкт-Петербурга» производится по ранговой шкале, представленной на рис. 9. Наивысший уровень по степени достижения основной цели «Умного Санкт-Петербурга» предполагает формирование благоприятной городской среды для всех категорий населения. В свою очередь, это требует учета структуры и развития человеческого капитала Санкт-Петербурга. Таким образом, задача внедрения «умного города» не является самодостаточной  — она должна коррелировать с социальной стратегией развития города.

Ранговая шкала оценки достижения цели «Умного Санкт-Петербурга»

Рис. 9. Ранговая шкала оценки достижения цели «Умного Санкт-Петербурга»

Таким образом, уровень развития городов в их способности обеспечить достойный уровень жизни населения определяется не столько насыщенностью отдельными технологическими решениями «умного города», сколько качеством и разумностью их выбора и внедрения. В этом случае главной задачей комплексного создания «умного города» выступает обоснование выбора решений и технологий, наилучшим образом соответствующих перспективам и проблематике развития города. Эта задача предполагает учет множества взаимосвязанных факторов, что делает ее нетривиальной. В целом системное управление процессами внедрения ИКТ в городах в настоящее время является нерешенной задачей как в РФ, так и в мире в силу увеличения комплексности проектов, предлагаемых к реализации. Как следствие, использование современных информационных технологий описания, систематизации и моделирования городских сущностей и процессов, заключенных в цифровом образе «умного города», становится важнейшей частью обсуждаемого подхода.