- Окружающая природа, с точки зрения информационной теории, представляет собой, множество взаимодействующих через информационные поля (каналы коммуникаций) объектов (физических, биологических, социальных, технологических: жилище, транспорт, человек, животные, технологические коммуникации, жизненное пространство, социальная система). Человек, как один из объектов природы, участвует в различных видах взаимодействия (то есть в цепочках взаимодействующих объектов надо учитывать человеческий разум). Все объекты, окружающие человека, объединенные различными информационными взаимосвязями, называются средой обитания.
- Современные достижения науки и созданные на ее базе цифровые информационные технологии, позволили сделать среду обитания «интеллектуальной», то есть, снабженной адаптационными системами на основе развитых обратных связей (самообучение и эволюция), системами поддержания стабильности в условиях различных внешних воздействий («иммунитет»), системами обеспечения комфорта, с целью повышения качества жизни и продления жизненного цикла отдельных сообществ. Системный подход к исследованию и развитию «Интеллектуальной Среды Обитания» («ИСО») – важнейший приоритет ученых и разработчиков новых технологий во всех направлениях и отраслях жизнедеятельности.
- ИСО – это совокупность объектов (жилище, населенный пункт, властные и социальные структуры, транспорт, медицинская система, системы жизнеобеспечения и т.п.), которые определяют качество жизни человека, снабженные системами мониторинга текущего состояния, обработки информации по результатам мониторинга, принятия и исполнения принятых решений; с точки зрения теорий управления и информации, ИСО ‑ это сложная система, состоящая из большого количества разнообразных взаимодействующих объектов (биологических, технических, социальных и др.) с развитыми обратными связями и элементами искусственного интеллекта.
- ИСО сама по себе является комплексным объектом (большой системой), параметры которого определяют ее состояние (комфорт, физическая безопасность, коммуникационность, энерго- и ресурсоэффективность, экологическая безопасность и др.). Общая характеристика проблем развития ИСО следующая:
- Различные публикации на тему «умный дом», «умный город» и т.п. содержат в основном рассмотрение отдельных направлений развития и предлагают решения по созданию систем контроля и автоматизации для отдельных задач управления: зданием, средой обитания, транспортом, безопасностью, освещением и др. Эти публикации и обсуждаемые в них подходы, безусловно, полезны и создают благоприятный фон для развития технологий ИСО.
- Системное изучение на основе принципов «Цифрового естествознания» и общих подходов на базе «принципа аналогий» — наиболее перспективный путь, который обеспечивает высокий уровень синергии и, как следствие, экономии ресурсов при создании комфортных, экономичных, безопасных, коммуникационно-развитых систем, обеспечивающих существование и развитие ИСО. Системный научный подход основан на результатах математических теорий (информации, связи и управления, вероятности, принятия решений, нечетких множеств, математической статистике, математической лингвистике, теории сетей, и др.), других естественных и общественных науках (физике, биологии, экономике, социологии, медицине); во внимание принимаются и результаты некоторых гуманитарных наук (история, философия, политология, культурология и др.), которые интегрируют в себя большое количество неформализованных знаний, составляющих важнейшую часть базы знаний, накопленной человечеством (Рисунок 1).
Рисунок 1. Органы власти (небесная канцелярия) наблюдают за всем происходящим и вмешиваются только тогда, когда интеллектуальности у людей «обитающих» в ИСО становится недостаточно, чтобы преодолеть «временные трудности»
- Особая роль у образовательной отрасли, которая должна существенно измениться, чтобы отвечать на изменившиеся запросы общества. Научный подход к анализу и созданию ИСО подразумевает создание крупной междисциплинарной отрасли с комплексом теоретических и практических приложений, которая интегрирует достижения различных наук, технологий, культуры, образования и создает основы для перехода на более высокий уровень цивилизации. Для ее решения требуется создание научных институтов и лабораторий для разработки научных концепций, объединяющих существующие подходы и конкретные решения (в том числе, создание стандартов и принципов унификации), проектных организаций и групп для разработки типовых проектов (в первую очередь программно-аппаратных средств), подготовка научных и инженерных кадров, для участия в разработке, внедрении и эксплуатации сложных систем управления, формирование общественного мнения и культуры поведения в ИСО.
- Создание инфраструктуры среды обитания, обеспечивающей требования комфортности и безопасности, – предмет многочисленных публикаций в которых рассмотрены многочисленные задачи и методы их решения, которые возникают при проектировании конкретных объектов, составляющих среду обитания человека (домов, населенных пунктов, производственных и транспортных объектов и т.д.).
- ИСО не может быть создано без развитой технологии обмена информацией между объектами (требование коммуникационности). Интернет, мобильная связь, цифровое телерадиовещание, транспортные коммуникации, автоматизированные средства для перевода и изучения иностранных языков, получение общего образования со знанием фундаментальных законов, а не только быстро теряющих актуальность навыков, – необходимые предпосылки, которые предшествуют и являются необходимым базисом создания ИСО. Только, благодаря развитию средств коммуникаций в широком смысле появилась возможность перейти к практической реализации проектов ИСО.
- Важным стимулом создания ИСО является проблема экономии и снижения затрат на энергоресурсы, в том числе, по причине ограничения вредного влияния на экологию, энергоэффективность и энергосбережение являются одним из восьми приоритетных направлений развития науки, технологий и техники. Спрос на энергоресурсы на среднесрочную и долгосрочную перспективу в РФ по прогнозам экспертов достигнет к 2020г. ‑ 135%, а к 2030г. ‑ 160% к текущему уровню. В условиях нарастающего дефицита топливно-энергетических ресурсов все более актуальными становятся проблемы их эффективного использования и создания условий для перевода экономики на энергосберегающий путь развития.
- Россия обладает значительным потенциалом энергосбережения, который оценивается примерно в 350-400 млн. тонн условного топлива в год. Эти экономические вкладки подтверждаются исследованиями, проведенными в России Всемирным банком. В такой ситуации, а также в связи с ухудшающейся экологической обстановкой основным требованием в энергетическом хозяйстве России становится не увеличение имеющихся мощностей, а энерго- и ресурсосбережение — по оценкам специалистов потенциал энергосбережения может составлять от 15-20% до 40-50%.
- Особенно важным является создание интеллектуальных систем обработки информации и выработки управляющих решений, без которых эффективность использования новых компонентов не станет достаточно высокой.
- Интеллектуальная среда обитания (ИСО) ‑ это такая система, в которой взаимодействие происходит через систему обратных связей, которая включает датчики, измеряющие параметры отдельных объектов во времени и интеллектуальные средства анализа измеряемых параметров для принятия управляющих решений и автоматического воздействия на объекты:
- Основной задачей ИСО является построение системы измерения параметров объектов, и обработка результатов измерения, принятие решений на основе обработанных данных и воздействие на исполнительные механизмы, влияющие на параметры объектов и среды в целом. Параметров очень много. Следить за всеми невозможно. И обрабатывать данные обо всех параметрах очень сложно и дорого. Необходимо искать способы и пути сокращения числа контролируемых параметров, создавать алгоритмы, позволяющие предсказать вероятностно о наличии каких-то процессов в контролируемой среде обитания, выработать рекомендации для более детального анализа отдельных объектов (или групп объектов) среды обитания. Еще важно факторизовать параметры (то есть разбить их на относительно независимые с какой то погрешностью. Например, отдельно контролировать: биологические объекты, транспортные, жилища и т.п.).
- С практической точки зрения, удобно рассматривать ИСО, используя принцип факторизации, позволяющий изучить каждый тип объектов по отдельности, а затем, рассмотреть всю систему в целом. При таком рассмотрении модель ИСО становится феноменологической, то есть, может быть рассмотрена на уровне математических описаний без точного и подробного описания деталей структуры. Тем самым, достигается возможность применить достаточно хорошо известные методы и процедуры, теорий управления, информации вероятности, других наук на практике, без огромных затрат, на предварительную разработку подробных математических моделей, и создать практически реализуемую концепцию универсальной ИСО, состоящей из управляемых и взаимодействующих объектов.
- В результате, можно не только прогнозировать развитие ИСО и объектов ее составляющих, но и корректировать состояние конкретных объектов и проектировать подсистемы управления с учетом полученных результатов.
- В настоящем выпуске рассматривается комплексный подход к мониторингу среды обитания, в котором на основе математических процедур, вытекающих из теории информационного взаимодействия объектов, создаются системы контроля здоровья человека, состояния жилища, технической безопасности транспортных средств, состояния социальных объектов, состояния промышленных объектов.
- Программно-техническая платформа для обработки данных измерений, поступающих в процессе мониторинга в единый процессинговый центр, обеспечивает непрерывное взаимодействие между системой и контролируемым объектом. На основе разработанных критериев выбора периода наблюдения, типа контролируемых параметров и формул для расчета интегральных характеристик (по которым можно судить о состоянии и вероятном развитии объекта и системы, включающей эти объекты, в целом) создается Программно-технический комплекс, обеспечивающий сбор, обработку данных, выработку рекомендаций и связь с объектами наблюдения и реагирующими структурами.
- Указанный подход реализован во всех рассматриваемых в настоящем выпуске прикладных решениях и обеспечивает возможность не только прогнозировать развитие ИСО и объектов ее составляющих, но и корректировать их состояние на основе управляющих решений формируемых путем анализа результатов мониторинга.
- Концепция «экосистемы» для ИСО включает ряд подсистем, объединенных в единый комплекс (ИСО), обеспечивающий развитие и поддержание базовых функций, которые определяют качество жизни (коммуникационность (транспортную и электронную), безопасность (физическую и экологическую), энерго- и ресурсо- эффективность, экономичность, комфортность). Используется, как наиболее распространенная, но пока еще перспективная, «коалиционная» схема функционирования, в рамках которой существуют отраслевые (профильные) направления (торговля, транспорт, строительство, энергоснабжение, медицина, образование, развлечение и спорт и др.), связанные между собой через общие системы управления, обеспечения связи и финансовых услуг, безопасности. В рамках каждого направления действуют государственные и коммерческие структуры разного уровня и формата, в частности: розничные сети и магазины, фирмы и компании по оказанию транспортных, медицинских, развлекательных и т.д. услуг, производители и поставщики товаров и услуг или их представители, образовательные, медицинские учреждения и службы, муниципальные и государственные структуры управления, банковские и финансовые организации. Коалиционная схема функционирования подразумевает объединение разных структур через общих пользователей, системы коммуникации и связи, безопасности, образования, энергоснабжения, эксплуатации ЖКХ и т.п.
- В настоящее время во всех отраслях происходит новая технологическая революция, основными признаками которой являются автоматизация технологических операций, конвергенция отраслей, изменение понятия «анонимности» объектов ИСО, в том числе, людей, применение интеллектуальных алгоритмов и систем. Самым очевидным признаком очередной технологической революции является переход от «нишевых» социальных систем, которые объединяли целевые аудитории по ориентации на определенное направление деятельности, к сетевым «экосистемам», в которых все участники имеют возможность получать «синергическую выгоду» от информационного взаимодействия между представителями разных направлений. Самыми крупными направлениями, по которым создаются «нишевые» системы для граждан, охватывающими практически все аспекты жизни человека, являются:
- Инфокоммуникации (мобильная связь, интернет, телевидение, СМИ и др.).
- Торговля
- Производство бытовых товаров и продуктов питания
- Транспортные услуги
- Жилищно-коммунальное хозяйство
- Услуги по поддержанию здоровья (фитнес и спорт-центры, медицина и т.п.)
- Образование
- Финансовые услуги
- Семья, отдых, развлечения
- Производство средств производства и исследования военной техники
- В представленных в настоящем выпуске разработках, которые внедрены или находятся в состоянии внедрения, использован подход, в котором все участники идентифицируются по единому базовому ID (номеру мобильного коммуникатора: телефона, смартфона, планшета и т.п.), с которым по принципу «связки ключей» соединены банковские и транспортные карты, другие ID-носители, которые могут использоваться для авторизации пользователя в любой из систем, перечисленных выше направлений [10]. Достоинство указанного подхода в том, что мобильный коммуникатор является неотъемлемой частью современного человека и, одновременно, инструментом для получения и передачи информации, оплаты, общения, развлечения, образования, взаимодействия при управлении бытовыми объектами, автомобилями и т.п. Сопоставляя данные, получаемые от различных подсистем, можно на основании цифровых методов обработки информации (в частности, «Big Data» и «Data Knowledge»), добиться существенной экономии ресурсов как покупателей, так и производителей, поставщиков, продавцов и других участников технологического процесса. В результате, предлагаемая технология, позволяет поставить и решить важнейшую задачу повышения эффективности процесса от производства товаров и услуг до их доставки в интересах всех участников процесса.
- ИСО – комплексная система, одним из элементов которой является автоматизированная система, основанная на анализе потоков данных от различных источников информации, которая позволяет производить обработку данных в реальном времени, анализировать и инициировать оперативное реагирование.
- Наглядным примером, показывающим насколько быстро развиваются интеллектуальные системы, является внедрение этих систем в города, а так же в объекты среды обитания (например, квартиры).
- ИСО содержит датчики (периферийные устройства), измеряющие параметры отдельных объектов во времени и интеллектуальные средства (с участием человека или автоматические) анализа измеряемых параметров для мониторинга объектов, прогноза, принятия управляющих решений, а так же автоматического воздействия на объекты. Важнейшими элементами структуры ИСО являются подсистемы мониторинга параметров объектов, принятия решений на основе данных мониторинга и исполнительные механизмы, влияющие на параметры объектов и среды в целом.
- Наиболее важной частью ИСО является система комплексного мониторинга, которая обеспечивает комплекс мероприятий по сбору, обобщению и анализу сведений об объектах, с целью оценки их состояния и прогнозирования развития. Мониторинг производится в реальном времени, чтобы при возникновении чрезвычайных ситуаций сразу сигнализировать о необходимости принятия мер. Одной из главных функций мониторинга является автоматизированный запуск алгоритмов предупреждения и предотвращения чрезвычайной ситуации. Например, включение средств пожаротушения, автоматический вызов сотрудников служб для устранения проблем, прекращение подачи воды, газа т. п.
- Прогнозирование – это математический процесс о предстоящем развитии, основанный на априорных знаниях о системе, алгоритме построения предсказаний будущего значения интегрального параметра на основе текущих данных (текущей ситуации). Этот процесс обеспечивается автоматическими системами и полуавтоматическими, включающими эксперта – человека в систему оценивания и прогнозирования. Алгоритмы этого типа достаточно хорошо изучены и применяются на практике. Риск и неопределенность являются центральными факторами для прогнозирования.
- Принятие решений – это последовательность действий (процесс) при анализе информации, результатом которой является решение какой либо управленческой задачи. Через систему принятия решений (автоматическую или полуавтоматическую с участием человека) определяются цели и задачи, способы их достижения и оценивания результатов.
- ВЫВОДЫ
- Основными характеристиками ИСО, которые служат показателями ее качества, являются:
- Комфортность – возможность гибкой адаптации среды обитания к потребностям и особенностям поведения человека. В данном контексте комфортность понимается как автоматизация принятия и исполнения решений по воздействию на окружающие объекты.
- Энергоэффективность – рациональное использование энергетических ресурсов. Экономия энергоресурсов достигается за счет применения инновационных решений, приемлемых с экологической и социальной точек зрения, а так же не изменяющих привычный образ жизни.
- Безопасность – часть ИСО, которая включает в себя проблемы физической защиты от вредных природных и искусственных явлений, угроз жизни и здоровью, защите имущества и интеллектуальной собственности и т.п. Важнейшим условием обеспечения комплексной безопасности является максимальная незаметность средств, используемых для ее обеспечения, что, безусловно, связано с интеллектуализацией системы.
- Коммуникационность – возможность общения на различных уровнях между объектами, входящими в ИСО, в том числе, между людьми (способность к передаче и восприятию информации, коммуникативность).
- Основные функциональные подсистемы ИСО, которые обеспечивают управление технологическими процессами и определяют устойчивость:
- Мониторинг интегральных параметров
- Формирование проектов управленческих решений
- Система исполнения решений