Как риалтайм-анализ поможет городской инфраструктуре?
За последние годы в мире произошло много интересных вещей: на радость цифровому поколению технологии развиваются быстрее, чем прогнозировалось в самых смелых планах. Это означает, что уже через 10-15 лет знакомые нам предприятия и города полностью изменятся. Произойдет это не без помощи адаптивного управления и анализа данных в реальном времени.
Систему управления организации можно считать адаптивной, если она способна быстро и качественно реагировать на изменения во внешней или внутренней среде, если способна корректировать задачи и оперативные планы под какие-то новые обстоятельства. Возьмем к примеру, работу газовой службы в городе. Несколько десятков машин с бригадами каждый день выезжают на работы, каждый обслуживает или ремонтирует свой объект. Внезапно происходит неожиданное событие, например, авария. Если система управления адаптивная, то она в этот момент перестраивает план работ бригад под новые обстоятельства. Подход адаптивного управления может на десятки процентов повысить эффективность работы,но переход к нему — достаточно сложная задача для любой организации. В идеале такое управление требует постоянного сбора информации в режиме реального времени, ее анализа, составления прогнозов и планов. Это настоящий сдвиг парадигмы управления, для которой нужны будут новые программные решения.
Управление в реальном времени уже достаточно активно применяется на предприятиях. Крупнейшие западные вендоры продают системы оперативного управления производством, управления активами, цепями поставок. Все они соответствуют концепции адаптивного управления. Исследованиями в этом сегменте занимаются не менее 200 научных коллективов в мире. В последние годы подход к сбору данных в реальном времени, использование прогнозной аналитики и автоматического построения расписаний начали применять и для управления инфраструктурой городов. В России переход от теории к практике в области умных систем управления все еще идет довольно медленно, хотя словосочетания «умный дом» и «умный город» давно на слуху.
Умный город — это город, который управляется данными, охватывающими такие сферы жизни горожан, как энерго-, газо- и водоснабжение, безопасность, транспорт, коммунальное хозяйство и т.д. Источниками данных служат видеокамеры, датчики, информационные системы. В настоящий момент уже несколько сотен городов мира приняли на вооружение эту концепцию и реализуют проекты Smart City в том или ином объеме.
Умная энергетика
В Леоне проект интеллектуальной электросети включает в себя управление энергосистемой на разных уровнях напряжения и применение умных счётчиков, которые сами передают показания коммунальным службам. В Амстердаме многие дома оборудованы интеллектуальными счетчиками электроэнергии, которые стимулируют снижение энергопотребления. Еще одна инициатива — гибкое уличное освещение. Часть уличных фонарей заменили на LED-светильники, подключили к интернету и стали менять интенсивность освещения в зависимости от обстоятельств. В обычном режиме, когда рядом никого нет, фонарь гаснет до минимальной яркости. При появлении человека или автомобиля в пределах видимости, яркость повышается.
Для жителей Глазго разработали приложение, в котором они указывают ежемесячные траты на электричество. Жители могут наглядно увидеть, как именно они используют электричество, сравнить свои расходы с расходами владельцев таких же домов, а также получить консультацию по оптимизации энергопотребления. Например, им могут посоветовать заменить старые бытовые приборы на новые, энергосберегающие. Из приложения также можно узнать, какие полагаются льготы при установке солнечных батарей.
Умный транспорт
Департамент транспорта Лондона, получая различные данные, составляет оптимальные маршруты для городского транспорта и своевременно оповещает население об изменениях в маршрутах движения, о дорожных работах и чрезвычайных ситуациях. Лондонцам доступны несколько десятков мобильных приложений для пассажиров. В Барселоне интеграцию нескольких умных технологий можно увидеть в реализации интеллектуальных светофоров, которые обеспечивают согласованность движения городского транспорта с зелёным сигналом светофора, обеспечивая движение без задержек. А в случае чрезвычайной ситуации маршрут аварийного автомобиля оперативно поступает в систему интеллектуальных светофоров, и на всём протяжении движения устанавливается зелёный свет (учитывающий текущее положение автомобиля).
В Сиднее специальная информационная система определяет степень загруженности дорог. Она вычисляет загруженность с помощью вмонтированных в полотно датчиков. Информация поступает в систему, которая управляет светофорами. Результаты действия системы: протяженность пробок сократилась на 40%, время в пути – на 20%, объем сжигаемого топлива – на 12%, а объем выхлопных газов – на 7%.
Читать также: Путевой лист. Как в мегаполисах устроен общественный транспорт
Умная вода
В Барселоне система орошения в Парк-дель-Центр-де-Побленоу была оборудована большим количеством датчиков. Теперь данные о количестве воды, необходимой для растений, передаются озеленительным службам города в режиме реального времени. В Фудзисаве в результате реализации системы активного использования дождевой воды для хозяйственных нужд, а также водосберегающих технологий в домах потребление воды уменьшилось на 30%.
Умная городская среда
На один квадратный километр Лондона приходится свыше 300 камер наружного видеонаблюдения. Информационная система помогает в прогнозировании пожароопасной обстановки. Она анализирует такие показатели жителей как возраст, образование, доход, тип занятости, тип жилья; обнаруживает наиболее подверженные рискам возгорания здания и неблагополучные семьи; строит прогнозную модель, повышающую качество оценок риска пожара в различных районах города. Это существенно сократило случаи уничтожения городских построек от пожаров.
Догоняет Лондон Москва: на один квадратный километр городской территории приходится около 55 видеокамер. С их помощью раскрывается порядка 70% всех совершенных преступлений. В Нью-Йорке мусорные контейнеры оборудованы индикаторами заполнения. Мусоровозы приходят только тогда, когда контейнер полон. Умная система самостоятельно рассчитывает график передвижения коммунального спецтранспорта, чтобы сэкономить топливо, человеческие ресурсы и своевременно вывозить отходы.
Умные здания
В Остине все новые дома оборудованы умными термостатами, способными подключаться к интернету через провод или по Wi-Fi, и имеющими функцию дистанционного управления. В Бруклине строится первая электрическая микросеть: многоквартирный дом будет оборудован литий-ионным накопителем, солнечной панелью и топливным элементом. Все это будет управляться единой операционной системой. Такие маленькие проекты позволят разгрузить питающую микрорайон подстанцию и отложить ее реконструкцию.
А что у нас?
В Москве проектируется умный квартал, в котором будут тестироваться новые городские технологии. Пилотная зона включает в себя несколько домов района Люблино. В ней появятся такие технологии, как интеллектуальный контроль за наполняемостью мусорных контейнеров и вывозом мусора, его автоматическая сортировка, системы, поддерживающие оптимальную температуру отопления, «умное» освещение подъездов (включающееся при появлении людей), «умные» счетчики воды и электричества (автоматически передающие показания коммунальным службам).
Российские Минэнерго и Минстрой разрабатывают законопроект, закрепляющий требование о строительстве исключительно энергоэффективных домов взамен аварийного жилого фонда (разница в себестоимости строительства обычного многоквартирного дома и энергоэффективного дома составляет всего 5%).
Умная эксплуатация
Реализация каждой отдельной из вышеназванных функциональных подсистем умного города весьма позитивно влияет на его развитие. Однако связывание их в единую систему с помощью умной эксплуатации дает синергетический эффект, может кардинально поменять современную городскую среду. Умная эксплуатация – это мониторинг и прогнозирование состояния инфраструктуры, своевременное и эффективное ее обслуживание, планирование развития города с учетом огромного количества факторов реального мира, практически не учитываемых в современных проектах. Внедрение умной эксплуатации сокращает расходы на обслуживание на 20-30%, позволяет снизить число аварий, увеличивает срок службы объектов городской инфраструктуры.
Концепция умной эксплуатации требует учета взаимосвязей, существующих в умных и «классических» инженерных сетях, зданиях. Реализация этой концепции требует привлечения самых современных инженерных и математических методов: BIM-моделирования, анализа больших данных, искусственного интеллекта и т.п. Так или иначе, должна сложиться система управления городской инфраструктурой в реальном времени. На наш взгляд, она должна базироваться на четырех основных принципах:
• система должна быть прозрачной за счет постоянного мониторинга (в реальном времени) текущего состояния инфраструктуры и работ исполнителей. Это позволит уменьшить простои ресурсов и сильно снизить затраты.
• система должна подразумевать совместное планирование работы различных служб. Это можно сделать за счет учета сложных взаимосвязей между объектами инфраструктуры. Это позволит исключить накладки, когда работу приходится переделывать. Например, когда сначала сажают деревья, а потом их выкапывают, чтобы положить трубу.
• переход от обслуживания «по графику» к обслуживанию «по состоянию». Такой принцип даст возможность экономить на ремонтах, но при этом снижать аварийность, поскольку ремонтируются только нужные элементы инфраструктуры.
• компьютерное моделирование должно помочь эффективно управлять развитием и модернизацией городской инфраструктуры. Так мы сможем заранее просчитать возможные последствия: например, сказать, как повлияет на состояние существующей электросети подключение нового здания.
Сегодня систем управления городской инфраструктурой, полностью отвечающих всем этим принципам, в мире нет. Но в некоторых небольших локальных образованиях – кампусах, эти подходы уже начинают применять. Один из примеров – университет Бентли, где для управления инфраструктурой кампуса используется кастомизированное решение для управления производственными активами.
Вероятно, самым передовым городом, ставшим на путь построения такой системы, является сегодня Барселона. Там действуют более 80 «умных» инициатив и внедрена общая платформа для сбора показаний с 600 видов датчиков, собирающих информацию об обстановке в городе.
Откуда деньги?
Понятно, что переход к новой модели управления городской инфраструктурой стоит денег. В связи с этим многие говорят, что у обычных российских городов на это в бюджете средств нет. Но нам кажется, вопрос стоит поставить по-другому.
Переход на адаптивное управление городской инфраструктурой позволяет, по мнению экспертов, сэкономить до 30% энергии, сократить до 15% потери воды и до 20% время пребывания водителями и пассажирами в дорожных заторах. Это огромная экономия будущих расходов. Поэтому решение проблемы финансирования изменений – это просто поиск тех субъектов, которые готовы уже сегодня взять на себя расходы в обмен на получение денежных потоков из сэкономленных денег в будущем. И это совсем не обязательно сами города. Во всем мире сейчас активно используются такие формы как государственно-частное партнерство, расширение платных услуг, поставка оборудования и программного обеспечения как сервисов, финансирование из результатов экономии. Применение таких методов – это не теоретические размышления. Стартапы в этой сфере могут искать коммерческих заказчиков (компания авторов, Adeptik, в консорциуме компаний НТИ разрабатывает систему управления производственными активами для энергетических предприятий, заказчики – производители умного энергетического оборудования - Forbes). Они могут и не просить денег у государства, а могут, например, привлекать кредиты в банках. Поставлять оборудование, с использованием принципов адаптивного управления, конечным пользователям можно по сервисной модели – они сразу ничего платить не будут, а заплатят потом, из денег, которые сэкономят в результате внедрения нового оборудования и информационных систем.
Сотрудничество всех заинтересованных сторон
Самое важное (а в российских реалиях — и самым трудным) в вопросе перехода к современному адаптивному управлению городской инфраструктурой — согласовать интересы всех стейкхолдеров: государственных и муниципальных органов управления, частных инвесторов, градостроителей, поставщиков решений и услуг, некоммерческих организаций и, конечно же, населения.
Возьмем те же вопросы финансирования: сегодня от городских властей скорее требуется не найти в бюджете деньги, а инициировать переговоры и гарантировать будущие доходы для тех субъектов, которые согласятся потратить деньги уже сегодня. Органам власти сегодня в принципе не разумно не использовать ресурсы, время, энергию тех игроков, которые готовы их тратить на дело развития города. И самое главное – это построить постоянный диалог с максимальным числом активных граждан.
Та же Барселона, где был запущен проект городского протокола, стала примером целостного подхода. Внедренные инновации и концепция сотрудничества позволили ей стать ярким примером интеллектуального города. В Бостоне разработали бесплатное пользовательское мобильное приложение, и с помощью него активно вовлекают граждан в управление городом, а их мнения и предложения используют при планировании городского развития и бюджета. В Чикаго специальное приложение отражает информацию об очистке улиц зимой от снега в реальном времени, показывая в том числе движение снегоуборочной техники, а также привлекает волонтёров и размещает заказы на работу.
Открытые данные
С появлением такого количества технологий индустриального интернета вещей, доступности интернета и распространением социальных сетей появляется большое количество данных, отражающих различные параметры функционирования городской инфраструктуры. Их можно различным образом анализировать, строить на их основе прогнозы, предлагать решения проблем. Математической особенностью больших данных является то, что в момент их сбора невозможно полностью предугадать к каким новым эффективным решениям приведет анализ этих данных. Поэтому успешные умные города применяют прозрачные правила, по которым эти данные могут быть предоставлены сторонним организациям, как в рамках свободного обмена, так и за плату, для покрытия расходов на управление данными.
Например, данные о транспортной ситуации в Лондоне являются открытыми. Это позволяет независимым разработчикам создавать специальные приложения и онлайн-сервисы, которые помогают пассажирам ориентироваться в схеме уличного транспорта и удобно планировать поездки. А в Глазго анализ больших данных о передвижениях людей позволяет частным организациям прогнозировать прибыльность магазинов и торговых центров в тех или иных районах города (для сбора таких данных используются датчики движения общественного транспорта, сенсоры в тротуарах и данные служб такси). Можно предполагать, что именно большие открытые данные и технологические новшества по их хранению, доступу и обработке внесут главный вклад в возможности повышения эффективности городов.
Как будут развиваться умные города?
Существует, на мой взгляд, два пути расширения интеллектуальных возможностей городов. Путь первый предусматривает развертывание в городе одного или нескольких отраслевых решений, направленных на наиболее острые проблемы, такие как безопасность или транспортная ситуация. Затем оценивается их эффективность и принимается решение о комплексной интеграции.
Путь второй, под названием «платформа», в противоположность первому подходу, заключается в изначальной проработке единой концепции умного города и создании базовой инфраструктуры (методологии и IT-платформы), необходимой для поддержки широкого набора интеллектуальных продуктов и сервисов.
Мы предлагаем еще и третий путь. Понимая, что проект автоматизации пока является сверхсложным для городской администрации среднего российского города, мы предлагаем начинать преобразования не только в традиционных городах, но и в в кампусах коммерческих предприятий, учебных и лечебно-профилактических учреждений, в отдельные жилищных комплексах. Они испытывают те же проблемы с инфраструктурой, что и города, и готовы их решать. Только в России таких кампусов, по нашим оценкам, более 50 000.
Превратить обычный город в город интеллектуальный — задача непростая. Бизнес-модели и технологии развиваются сегодня столь стремительно, что приводят к неопределенности во многих аспектах. Стандарты еще не сложились, опыта комплексной реализации проектов пока не много, но именно к их созданию и нужно стремиться, чтобы сделать города удобнее и эффективнее.
Текст подготовлен совместно с «Коммуникационной лабораторией». Образовательный проект создан для укрепления диалога между учеными, широкой общественностью и бизнесом. В материалах проекта — рассказы об опыте ученых, успешно коммерциализирующих свои разработки.