Побудова гіперскладної системи «Розумне місто»: інформаційно-технологічні інструменти

Abstract

Побудова гіперскладної системи «Розумне місто»: інформаційно-технологічні інструменти. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 122 «Комп’ютерні науки». – Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2024. Підготовка здійснювалась на кафедрі комп’ютерних наук Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України. Зміст анотації. Дисертація присвячена вирішенню науково-практичної задачі – розроблення методів, засобів та інструментів для формування інформаційно-технологічних платформ гіперскладної системи «Розумне місто». У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв’язок роботи з науковими напрямками та науково-дослідними працями, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет і методи дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, подано інформацію про апробацію результатів та їх висвітлення у публікаціях. У першому розділі проведено аналіз концепту «Розумне місто» як обширної множини взаємозалежних елементів та інформаційних сутностей, що дало змогу виокремити набір примананних йому характеристик складних систем та вважати «Розумне місто» гіперскладною системою. Проаналізовано множину інформаційних та комунікаційних технологій, зокрема, Інтернет речей, «великі дані», блокчейн, хмарні технології, штучний інтелект, машинне навчання та «відкриті дані» для формування гіперскладної системи «Розумне місто», що дало змогу формалізувати модель життєвого циклу данихв системах такого класу. Сформовано структурну схему інформаційних потоків та узагальнену модель життєвого циклу даних «розумного міста», що дало змогу дослідити процеси стандартизації елементів гіперскладних систем «розумних міст». Досліджено характеристики, фактори та критерії, що використовуються для створення інформаційно-технологічних інструментів рейтингування «розумних міст», що дало змогу забезпечити сталість процедур оцінювання. У другому розділі проведений аналіз інформаційно-технологічних платформ, що використовуються для створення «розумних міст», дав змогу зробити висновок, що управління наборами та колекціями даних щодо міських систем вимагає розробки комплексної інформаційно-технологічної платформи гіперскладної системи «Розумне місто», яка зможе забезпечити виконання різнотипових завдань управління на основі життєвого циклу даних. На основі проведеного аналізу виділено множину характеристик, що дало змогу сформувати задачу вибору серед п’яти інформаційно-технологічних платформ «розумних міст». Проаналізовано розлогий список поширених у виробничих та дослідницьких колах моделей інформаційно-технологічної архітектури «розумних міст», що дало змогу сформувати перелік ключових характеристик для постановки задачі їх вибору. У третьому розділі розроблено метод вибору моделі інформаційно- технологічної архітектури «розумного міста» з використанням правила Байєса, що на відміну від існуючих, надав можливість адаптації ймовірнісних показників критеріїв відповідно до мінливих характеристик гіперскладної системи «Розумне місто». Результати використання методу застосовано в процесі створення інформаційно-технологічних інструментів консолідації та візуалізації «відкритих даних» «розумних міст». Розроблено метод вибору інформаційно-технологічної платформи «розумного міста» з використанням методу Сааті для вирішення багатокритеріальної задачі на основі оригінальної узагальненої множини категорій – «масштабованість», «гнучкість», «повнота життєвого циклу даних», «множина ІТ-технологій та повнота реалізації ІТ-архітектури», «варіанти використання», «спеціалізація інформаційно-технологічної платформи» і «умови обслуговування та безпека», що, на відміну від існуючих, дало змогу розширити умови вибору критеріїв для гіперскладної системи «Розумне місто». Створено інформаційно-технологічні інструменти для супроводу процесів консолідації, аналітичного опрацювання та візуалізації даних в гіперскладній системі «Розумне 4 місто» у вигляді інформаційних панелей з рекомендаційними функціями для виявлення проблемних локацій водопровідної мережі на основі «відкритих даних» щодо запитів громадян до КП «Тернопільводоканал» і установ та організацій при отриманні дозволів на обслуговування міської інфраструктури. У четвертому розділі розроблено метод вибору засобів оцінювання інформаційно-технологічних платформ на основі оригінального застосування принципу Парето, що дало змогу сформувати комплексну множину засобів та інструментів оцінювання результатів практичної реалізації інформаційно- технологічної платформи для формування гіперскладної системи «Розумне місто». На основі вибору методом головного критерію із множини Парето для оцінювання впровадження інформаційно-технологічних платформ «розумного міста» рекомендовано застосовувати індекс «розумності» міста. Розроблено оригінальний метод оцінювання показників «розумності» гіперскладної міської системи, який на відміну від існуючих враховує різнорідні характеристики її елементів. Метод використано для оцінювання показників «розумності» українських міст. Розроблено програмно-алгоритмічний комплекс, який може застосовуватись як інструмент оцінювання показників «розумності» міст за розширеними наборами характеристик та множинами критеріїв гіперскладної системи «Розумне місто».

Construction of a hyper-complex system "Smart City": information and technological tools. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the Doctor of Philosophy scientific degree in specialty 122 "Computer Science". – Ternopil Ivan Puluj National Technical University, Ternopil, 2024. The training was carried out at the Computer Sciences Department of the Ternopil Ivan Puluj National Technical University of the Ministry of Education and Science of Ukraine. Content of the abstract. The dissertation is devoted to solving a practical and scientific problem – the development of methods, means and tools for the formation of information technology platforms of the hyper-complex system "Smart City". The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, indicates connection of the thesis with scientific areas and research works, formulates the purpose and objectives of the study, defines the object, subject and methods of the study, presents the scientific novelty and practical significance of the results obtained, provides information of the test results and their coverage in publications. In the first chapter, an analysis of the "Smart City" concept as a vast set of interdependent elements and information entities was carried out, which made it possible to single out a set of complex system characteristics inherent in it and to consider the "Smart City" as a hyper-complex system. A number of information and communication technologies were analyzed, in particular, the Internet of Things, big data, blockchain, cloud technologies, artificial intelligence, machine learning and open data for the formation of a hyper-complex system "Smart City", which made it possible to formalize the model of the life cycle data in systems of such a class. A structural diagram of information flows and a generalized model of the smart city data life cycle were formed, which made it possible to investigate the processes of standardization of elements of hyper-complex smart city systems. The characteristics, factors and criteria used to create information and technological tools for rating smart cities were studied, which made it possible to ensure the stability of the evaluation procedures. In the second chapter, the analysis of information technology platforms used to create smart cities allowed to conclude that the management of data sets and collections regarding urban systems requires the development of a comprehensive information technology platform of the hyper-complex system "Smart City", which will be able to provide performance of various management tasks based on the life cycle of data. On the basis of the conducted analysis, a set of characteristics was highlighted, which made it possible to formulate the task of choosing among five information and technological platforms of smart cities. An extensive model list of information and technological architecture of smart cities common in production and research circles was analyzed, which made it possible to form a list of key characteristics for setting the task of their selection. In the third chapter, a method of choosing a model of the smart city informationtechnological architecture was developed using the Bayes rule, which, unlike the existing ones, made it possible to adapt the probability indicators of the criteria in accordance with the changing characteristics of the hyper-complex system "Smart City". The results of using the method were applied in the process of creating information technology tools for consolidation and visualization of open data of smart cities. A method of selecting a smart city information technology platform was developed by using the Saati method for solving a multi-criteria problem based on an original generalized set of categories – "scalability", "flexibility", "completeness of the data life cycle", "set of IT technologies and completeness of implementation ITarchitectures", "options of use", "specialization of the information technology platform" and "conditions of service and security", which, unlike the existing ones, made it possible to expand the conditions of selecting criteria for the hyper-complex system "Smart City". Information and technology tools have been created to support the processes of consolidation, analytical processing and visualization the data in the hypercomplex system "Smart City" in the form of information panels with recommendation functions for identifying problematic locations of the water supply network based on open data regarding citizen requests to ME "Ternopilvodokanal", institutions and organizations when obtaining permits for the maintenance of city infrastructure. In the fourth chapter, a method of selecting tools for evaluating information technology platforms was developed based on the original application of the Pareto principle, which made it possible to form a complex set of tools for evaluating the results of the practical implementation of information technology platforms for the formation of a hyper-complex system "Smart City". Based on the selection of the main criterion from the Pareto set, it is recommended to use the smart city index to evaluate the implementation of smart city information technology platforms. An original method of evaluating the indicators of the "smartness" of a hypercomplex urban system has been developed, which, unlike the existing ones, takes into account the heterogeneous characteristics of its elements. The method was used to evaluate the "smartness" indicators of Ukrainian cities. A software-algorithmic complex has been developed that can be used as a tool for evaluating the indicators of the "smartness" of cities based on extended sets of characteristics and sets of the hyper-complex system "Smart City" criteria.