Мережева інформаційно-технологічна платформа супроводу об’єктів кіберфізичних систем «розумних міст»

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню науково-практичної задачі – підвищення ступеня повноти подання інформації щодо процесів, що протікають в міських кіберфізичних системах шляхом розроблення моделей, методів та інформаційних технологій для підтримки прийняття рішень під час створення цифрових послуг і сервісів.. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв’язок роботи з науковими напрямками та науково-дослідними концепціями, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання, апробацію результатів та їх висвітлення у публікаціях. У першому розділі подано характеристику множини базових інформаційних та комунікаційних технологій, що використовуються для практичних реалізацій інноваційних проєктів «розумних міст». Проаналізовано ключові напрямки розвитку «розумних міст». На основі проведеного аналізу особливостей використання кіберфізичних систем «розумних міст» сформовано їх класифікацію, подану в графічній формі. Виокремлено причини ускладнення процесів створення унікальних інформаційно-технологічних структур для керування кіберфізичними системами «розумних міст». Сформовано функціональну модель «розумних міст». Проаналізовано особливості комунікаційних мереж та протоколів кіберфізичних систем «розумних міст». Досліджено інформаційні системи та моделі супроводу процесів спостереження та регулювання показників якості повітряного середовища «розумних будівель». У другому розділі вперше сформовано модель інформаційно- технологічної архітектури мережевої платформи супроводу об’єктів кіберфізичних систем «розумних міст» з використанням кіберфізичного, мережевого та хмарного рівнів, які дають можливість інтегрувати парадигми периферійних, туманних та хмарних обчислень. Практична реалізація запропонованої моделі інформаційно-технологічної архітектури мережевої платформи супроводу об’єктів має позитивний вплив на процеси забезпечення розширюваності, сумісності, самоузгодженості та відтворюваності інноваційних цифрових послуг та сервісів на базі міських кіберфізичних систем. На основі запропонованої моделі інформаційно-технологічної архітектури розроблено структуру інформаційно-технологічного набору для формування послуг та застосунків. Це дало змогу розробити метод формування інформаційно- технологічних наборів для цифрових послуг та сервісів на базі кіберфізичних систем «розумних міст» та забезпечило узгодження процесів проєктування, розроблення та розгортання «розумних» послуг та застосунків. Розроблено структуру кіберфізичних систем супроводу процесів спостереження та регулювання повітряного середовища «розумних будівель» та приміщень. На основі проведеного аналізу моделей надання послуг засобами туманних обчислень розроблено структурну модель DaaS для мережевого рівня інформаційно-технологічної платформи супроводу кіберфізичних об’єктів «розумних міст», що дало змогу сформувати NDN-мережу. У третьому розділі отримала подальший розвиток модель формування сховищ даних на основі озер даних, що дало змогу організувати ефективні процедури зберігання інформації щодо об’єктів кіберфізичних міських систем в умовах збільшення обсягів та швидкоплинності наборів та колекцій даних і зростання вимог до продуктивності процесів їх зберігання. Розроблено формалізований опис озер даних для супроводу об’єктів кіберфізичних систем «розумних міст», що дало можливість забезпечити перебіг процесів отримання нових знань, завдяки застосуванню процедур видобування даних та метаданих об’єктів кіберфізичних систем «розумних міст». Сформовано модель управління метаданими об’єктів кіберфізичних систем на основі озер даних та гіперкубів, що дало змогу розробити інформаційну технологію багатовимірного аналізу метаданих, що характеризують перебіг процесів кіберфізичних систем «розумних міст». Проведено класифікацію та параметризацію множини категорій та атрибутів для опису процесів у міських кіберфізичних системах, що дало змогу виконати аналіз та побудову прототипів гіперкубів метаданих «розумної» послуги. Розроблено концептуальну структуру озер даних, що розширює уявлення про перебіг процесів проєктування, створення і запровадження цифрових послуг та дало змогу сформувати основу для їх подальшої уніфікації. У четвертому розділі На основі оригінального методу було розроблено інформаційно-технологічний набір для цифрових послуг спостереження та регулювання показників якості повітряного середовища, що дало змогу провести практичне моделювання відповідних інформаційно-технологічних комплексів. На основі моделі інформаційно-технологічної архітектури мережевої платформи супроводу об’єктів кіберфізичних систем «розумних міст» сформовано туманний кластер. На основі моделі обчислювальної архітектури мережевої платформи «розумного міста» та моделі управління метаданими об’єктів кіберфізичних систем «розумних міст» здійснено розгортання хмарної інфраструктури, що дало змогу виконати практичну апробацію інформаційної технології багатовимірного аналізу метаданих супроводу об’єктів кіберфізичних систем «розумних міст». В процесі макетування прототипів цифрових послуг сформовано дві цілісні інформаційні системи супроводу процесів спостереження та регулювання показників якості повітряного середовища.

The dissertation is devoted to solving a scientific and practical problem - increasing the degree of information completeness on the processes taking place in urban cyber-physical systems by developing models, methods and information technologies to support decision-making in the creation of digital services and services. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, indicates the connection of the work with scientific areas and research concepts, formulates the purpose and study objectives, defines the object, subject and study methods, shows the scientific novelty and practical significance of the results obtained, provides information on the practical use, testing results and their coverage in publications. The first section describes the set of basic information and communication technologies used for the practical implementation of innovative smart city projects. The key areas of smart city development are analysed. Based on the analysis of the peculiarities of using cyber-physical systems of smart cities, their classification is formed, presented in graphical form. The reasons for the complication of the processes of creating unique information and technological structures for managing the cyberphysical systems of "smart cities" are highlighted. A functional model of "smart cities" is formed. The features of communication networks and protocols of cyber-physical systems of smart cities are analysed. The information systems and models for supporting the processes of monitoring and regulating the quality of the air environment of "smart buildings" are investigated. In the second section, a model of the information and technological architecture of the network platform for supporting the objects of cyber-physical systems of "smart cities" is first formed using the cyber-physical, network and cloud levels, which make it possible to integrate the paradigms of peripheral, fog and cloud computing. The practical implementation of the proposed model of information technology architecture of the network platform for object support has a positive impact on the processes of ensuring the extensibility, compatibility, self-consistency and reproducibility of innovative digital services and services based on urban cyber-physical systems. Based on the proposed model of information technology architecture, the structure of the information technology set for the formation of services and applications is developed. This made it possible to develop a method for the formation of information technology suites for digital services and services based on cyber-physical systems of smart cities and ensured the coordination of the processes of designing, developing and deploying smart services and applications. The structure of cyber-physical systems for monitoring and regulating the air environment of smart buildings and premises was developed. Based on the analysis of fog computing service delivery models, a DaaS structural model was developed for the network level of the information technology platform for supporting cyber-physical objects of smart cities, which made it possible to form an NDN network. In the third section, the model of data warehousing based on data lakes was further developed, which made it possible to organise effective procedures for storing information on objects of cyber-physical urban systems in the context of increasing volumes and rapidity of data sets and collections and increasing requirements for the productivity of their storage processes. A formalised description of data lakes was developed to support the objects of cyber-physical systems of smart cities, which made it possible to ensure the process of obtaining new knowledge through the use of data extraction procedures and metadata of objects of cyber-physical systems of smart cities. A model for managing metadata of objects of cyber-physical systems based on data lakes and hypercubes has been formed, which made it possible to develop an information technology for multidimensional analysis of metadata characterising the processes of cyber-physical systems of "smart cities". The classification and parameterisation of a set of categories and attributes to describe processes in urban cyber-physical systems was carried out, which allowed the analysis and construction of prototypes of smart service metadata hypercubes. A conceptual structure of data lakes was developed, which expands the understanding of the processes of designing, creating and implementing digital services and allowed us to form the basis for their further unification. In the fourth section, based on the original method, an information technology kit for digital services for monitoring and regulating air quality indicators was developed, which made it possible to conduct practical modelling of the relevant information technology complexes. A fog cluster is formed on the basis of the model of information technology architecture of the network platform for supporting the objects of cyber-physical systems of "smart cities". Based on the model of the computing architecture of the smart city network platform and the model of metadata management of objects of cyber-physical systems of smart cities, the cloud infrastructure was deployed, which made it possible to perform practical testing of the information technology for multidimensional analysis of metadata for the maintenance of objects of cyber-physical systems of smart cities. In the process of prototyping digital services, two integral information systems were formed to support the processes of monitoring and regulating air quality indicators.