Інформаційні технології дослідження параметрів стану довкілля промислового міста

Abstract

Іцкович В.Є. Інформаційні технології дослідження параметрів стану довкілля промислового міста. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп'ютерні науки» – Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору Національна академія наук України, Київ, 2023. Дисертаційна робота присвячена розробці та удосконаленню загального підходу, моделей та алгоритмів для створення інформаційних технологій дослідження параметрів стану довкілля промислового міста. У вступі обґрунтовано актуальність теми, розглянуто зв'язок роботи з науковими темами та актуальними напрямками, сформульовані мета та задачі дослідження, розкрито наукову новизну та практичну цінність. Значну роль приділено аналізу робіт, націлених на вдосконалення розвитку технологій Інтернету речей і функціонуванню «розумних міст», які виступили фундаментом досліджень цієї дисертаційної роботи. У першому розділі проведений теоретичний аналіз та огляд джерел за темою дослідження. Визначено, що одним з відкритих питань побудови інформаційних технологій дослідження параметрів стану довкілля промислового міста є питання аналізу відповідності моделі управління системним потребам об'єкта управління, хоча, при цьому, ретельно досліджуються вимоги до подібних систем, що знайшли своє втілення у «розумних містах» – електронних системах управління функціонуванням населених пунктів. Технології моніторингу стану довкілля націлені на відтворення поведінки системи таким чином, щоб попередити розвиток критичної події. Подібне реалізується через комплекс уніфікованих процедур, засоби автоматизації, алгоритми, моделі управління. Не зважаючи на широкий огляд зазначеного у досліджених джерелах, питання ефективного розміщення датчиків, використання моделей автоматизації, розробка алгоритмізації окремих процедур залишаються не до кінця дослідженими. Можливість розміщення базових станцій на об'єктах комунальної власності, суцільне кодування даних, можливість під'єднання опорної мережі до міських серверів дає можливість побудувати надійну, незалежну, максимально закриту від втручань опорну мережу, та забезпечити бездротовий зв'язок з кінцевими пристроями по всьому місту завдяки сучасній LoRaWAN технології. Наведено прикалд м. Києва у побудові такої мережі та обгрунтована її доцільність. У другому розділі роботи представлені методологічні дослідження формування комплексу системних вимог для реалізації інформаційної технології дослідження параметрів стану довкілля промислового міста. Зокрема, розроблена інформаційна модель процесу управління сучасного міста з врахуванням критерію часу, яка дає можливість при створенні технології усвідомити, що управління ситуацією є процесом підтримання балансу норм, регламентів та протоколів на засадах порівняння екстраполяції поточної ситуації до ідеальної ситуації за критерієм дотримання цільової функції. Представлена системно-технологічна модель циклу управління безпековою складовою міста, як підсистеми складної системи, проведена класифікація процедур циклу управління щодо видів управлінської діяльності, досліджена відповідність процедур циклу управління змісту рішення та виконана класифікація вимог щодо адаптації рекурсивних об'єктів при розробці інформаційної технології. Важливим для даного дослідження є закон різноманіття, що був сформульований У.Р. Ешбі. І якщо розглядати інформаційну модель процесу управління сучасного міста саме через цей закон, а саме, коли різноманіття станів системи більше або дорівнює станам системи великого міста, то можна систему забезпечення безпеки міста представити, як задоволення потреб наявними технологіями штатного та кризового управління в залежності від інформації, що надходить від конкретного давача інформації. При цьому необхідно враховувати фактори багатомірності, нелінійності, неоднорідності, що впливають на процес життєвого циклу об'єктів та процесів в системі, яка піддається моніторингу, що і надає явну перевагу технології LoRaWAN для реалізації моделей та алгоритмів в процесах управління безпекою великого міста. Використовуючи наступні характеристики LoRaWAN можна побудувати інформаційну модель ситуаційного управління: – LoRaWAN дозволяє керувати давачами виконавчими механізмами; – між вузлами «зірки» та шлюзами відстань може складати декілька кілометрів; – низьке енергоспоживання; – простота, безпека та сумісні архітектури з системами керування, які вже можуть бути встановлені; – стандарт в системі Інтернету речей. Якщо під деякою невизначеною ситуацією розглядати стан з неповторюваних подій, то ситуаційне управління можна розглядати, як управління на базі оцінки поточної ситуації. Ситуація має чітко відрізняти міру достовірності та невизначеності інформації, що отримано з системи моніторингу об'єкта. Специфіка предметної галузі організаційних систем криється в самій моделі процесу управління безпекою сучасного міста, як унікального об'єкта управління завдяки врахуванню в моделі не тільки специфічного регламенту функціонування, а й мотивації поведінки інших об'єктів управління та можливостей еволюції системи в часі. Для такого класу систем потрібен підхід, який на єдиній мові давав би змогу описувати сам об'єкт управління, регламент його функціонування та процедури управління ним. Саме таким підходом і є ситуаційний підхід. У результаті проведеного аналізу системних ознак безпекової складової великого міста за умов невизначеності при змінах цільової функції було виявлено і доведено, що причиною зміни цільової функції безпекової складової міста може виступити надзвичайна ситуація: в штатному режимі роботи відбувається контроль і моніторинг, у разі виникнення аварійної ситуації – локалізація, ліквідація, мінімізація наслідків та повернення до штатного функціонування. Також розроблена блок-схема комплексу процедур формування пулу інформації для осіб, що приймають рішення. Досліджені особливості щодо узгодженості інформаційної технології з потребами системи, щодо якої відбувається моніторинг параметрів стану. Визначені особливості структури записів у базі даних інформаційної технології для можливості порівняння з метою отримання міри невизначеності інформації, яка надається особам, що приймають рішення, для прийняття рішення і дозволяє визначити ефективність інформаційної технології дослідження параметрів стану довкілля промислового міста. У третьому розділі, з використанням методів математичного аналізу, представлені моделі та методи до створення сервісу формування пулу інформації із забезпеченням аналітичної функції та візуалізації. Зокрема, розглянуто поняття пулу інформації та наведені математичні основи до його формування з врахуванням набору фізичних чи віртуальних об'єктів для виконання однієї спільної функції. Прийнято до уваги, що в технології, яка розробляється, інформація пулу повинна формуватися за необхідністю (за запитом) і після цього її збереження не обов'язкове, адже множина первинних даних знаходиться в базі даних і в будь-який момент можна зробити новий запит на вибірку. Створення інформаційного пулу може базуватися на наявній у базі даних інформації про ресурси та технології функціонування об'єкта спостереження. Для цього можна використати технологічні карти та мережні графіки процедур, що входить до стандарту специфікації LoRaWAN. Відповідні рішення ОПР щодо управління ситуаціями різних часових періодів також варто формалізувати із занесенням в базу даних. У підсумку були визначені множини даних, якими оперуватиме ІТ дослідження параметрів стану довкілля промислового міста на базі технології LoRaWAN. На цій основі розроблені підходи з метою побудови вибірки для створення пулу інформації. Наведена можливість реалізації цієї задачі мовами програмування з використанням стандартних бібліотек (наприклад, C#) без обмежень за розмірами. Також визначені вимоги до організації інформації в базі даних для отримання вибірок за запитом. Зокрема, розглянуто показник повноти інформації в системі управління джерелами (давачами) інформації, де неповнота ситуації визначається на граничному значенні, коли давач інформації перестав реагувати на запити. Показник несуперечності інформації при її надходженні від давачів визначений через порівняння ідентичних ознак у записах про різні види інформації, що належать до одного імені. Показник управління в реальному часі розглядається як результати здійснення моніторингу об'єкта спостереження на момент часу Т. Міра невизначеності інформації управління Е(x,y,q) розглядається як показник неповноти інформації для визначення ситуації та прийняття відповідних до ситуації рішень. Основний критерій оцінки стану об'єкта моніторингу визначається як здатність об'єкта управління функціонувати за призначенням. Відповідно до системного погляду на складну систему з позиції метасистеми (міста), можна визначити три види ситуації, за якими особи міста, що приймають рішення, потребують деталізації інформації і створення певної вибірки даних для прийняття рішення: – локальна криза А – дані одного з давачів інформації значно відрізняються від даних інших давачів, розташованих у «зірці» (серед аналогічних кінцевих пристроїв, від яких йдуть дані на один сервер); – локальна криза В – нездатність кінцевого пристрою реалізувати кілька своїх базових функцій в поточному функціонуванні (ймовірна несправність давача); – криза С на масштабі життєвого циклу – інформація від давачів свідчить про наявність надзвичайної ситуації. Показник ситуації на масштабі життєвого циклу буде фільтруватись із загальної суми неповних записів за ознаками належності записів до знань про життєвий цикл об'єкта. Для реалізації поставлених в роботі задач проаналізований підхід із застосування рекурсивного копіювання даних для інформування та моніторингу стану об'єкта спостереження. Підхід реалізовано на прикладі системно-технологічної моделі циклу управління безпековою складовою міста, розробленої в попередньому розділі. Наведений аналіз номограм, за яким доведена ефективність застосування паралельної моделі інформування осіб, що приймають рішення, шляхом інформування пулів інформації про стан об'єкта спостереження. Представлений підхід до формування пакетів формалізації знань про складну систему, яка є об'єктом спостереження. Розроблені підходи до формування пакету інформації при зміні ситуації на об'єкті управління, подачі інформації через дашборди, та створення для цього інформаційних згорток. У четвертому розділі розроблені моделі, алгоритми та реалізовані сервіси інформаційної технології дослідження параметрів стану довкілля промислового міста. Зокрема, розроблено сервіс отримання інформації від давачів для наступної обробки та представлення через дашборди. Для цього було застосовано метод інформаційної згортки для забезпечення збереження всіх даних, що надходять у сховище, для їх подальшої обробки, вибору за запитом і візуалізації. Розроблений сервіс було реалізовано у інформаційно-телекомунікаційній системі «Платформа великих даних» та платформі цифрових мобільних сервісів «Київ Цифровий» для отримання та обробки даних від екологічних сенсорів Oizom Polludrone та Talkpool OY1210. Особливістю розробленого сервісу є розподіл даних за автоматичними чергами із обов'язковою фіксацію помилок для повторного опитування давачів. Результати формуються у вигляді HTTP кодів. Розроблено алгоритм представлення рекурсивних структур даних для створення списків, кортежів з наступною програмною реалізацією вибору окремої інформації з масиву даних на основі машини Тюрінга. Представлено алгоритм реалізації рекурсивного дерева пошуку через функцію, яка формує дерево шляхом вбудови вузла із значенням (інформацією, списком), яке задане для пошуку. Для цього запропонований та реалізований алгоритм, який спочатку дозволяє порівняти значення, яке потрібно вставити, як нову «інформаційну» гілку, із значенням у кореневому вузлу дерева. Потім реалізуються процедури порівняння та перебору, допоки не буде сформовано вузол (вибірка інформації) згідно заданого пошуку. Функція бере значення і дерево та повертає нове дерево, в яке вбудовано новий елемент із цим значенням (гілка на дереві). У підсумку, на базі функціонального рівняння Беллмана була побудована модель оптимальної кількості давачів системи моніторингу, які повинні зберігатися на складі для ремонту та обслуговування давачів інформаційної технології дослідження параметрів стану довкілля. У підсумку був отриманий оптимальний план заміни давачів системи по одному з районів м. Києва, із можливістю скорочення витрат у 31,9% на покупку і зберігання нових давачів. Результати роботи впроваджені у діяльність Спеціалізованого комунального підприємства «Київтелесервіс», що є провайдером мережі LoraWAN та всіх складових інтернету речей в м. Київ, для вдосконалення механізму систем опитування давачів інформації – застосовано інформаційну модель поєднання різних рівнів управління давачами та пристроями мережі та систему обмежень при моніторингу роботи окремих об'єктів, включаючи методику обробки даних, для обґрунтування необхідної кількість давачів мережі за критерієм доцільної необхідності та можливості обслуговування і заміни, а також у навчальних цілях та Комунального підприємства «Головний інформаційно-обчислювальний центр» м. Києва, для вдосконалення сервісів обробки даних.