Smart City: применение ГИС- и FM-технологий в реализации градостроительной политики

Куприяновский В.П., Esri CIS (vk@esri-cis.ru), Синягов С.А., DATA+ (ssinyagov@dataplus.ru), Тищенко П.А., Esri CIS (ptischenko@esri-cis.ru)

Smart City: Usage of GIS and FM-technology for the Urban Policy Implementation

Городу для поддержки непрерывного устойчивого развития необходимо новое качество решений на основе широкого применения информационных технологий, которые обеспечивают экономичное и экологичное использование городских систем жизнедеятельности. Концепция умного города («смарт-сити») предполагает модернизацию инфраструктуры города с принципиально новыми возможностями централизованного управления, новым уровнем предоставляемых сервисов и безопасности. Эта стратегическая разработка объединяет разнообразные факторы городского развития в единую систему. Для смарт-сити характерно объединение областей градостроительной деятельности, для которых необходимо применение IT-инструментов, а также специальных (“smart”) технологий, методов, расчётов. Данная концепция признает роль искусственного интеллекта, информационно-коммуникационных технологий, социального и экологического потенциала как ресурса развития и конкурентоспособности города.

Умный город – это умное управление, умное проживание, умные люди, умная среда, умная экономика, умная мобильность. Перечень областей, которые требуют внедрения smart-технологий, охватывает практически все без исключения сферы городского хозяйства и городской инфраструктуры: аналитика, банкинг, здания, коммерция, электронное правительство, коммуникации, образование, энергетика, чрезвычайные ситуации, общественное питание, здравоохранение, производство и сфера услуг, транспорт, розничная торговля, общественная безопасность, экология и мониторинг окружающей среды, водо- и газоснабжение, и многое другое. Общая схема процесса “интеллектуализации” управления городским хозяйством приведена на рис. 1.

В архитектуре “умного” города можно выделить несколько уровней и принципов, связанных с эффективным управлением, оптимальным использованием ресурсов, информационной поддержкой и комплексным использованием информационных ресурсов, анализом и мониторингом среды и программ развития, визуализацией данных и проектов, прогнозированием и др. (рис. 2).

Рис. 1. Что означает “быть smarter”?

Рис. 2. Архитектура смарт-сити (подход компании Huawei).

Концепция «смарт-сити» неразрывно связана с экологической сертификацией зданий и сооружений города, или т.н. “зелёными стандартами”. В последние два десятилетия во всем мире отмечается повышение спроса на экологичное жильё, офисные здания и промышленные объекты. Соответственно, существуют и экологические нормативы, которые формулируют условия создания и эксплуатации экологичных построек. Методы сертификации зданий, в которых достаточно широко используются и средства ГИС, позволяют быстро и наглядно дать оценку эко-эффективности объекта. А в целом геоинформационные системы (ГИС) и системы “Facility Management” (FM – управление заданными бизнес-свойствами активов; управление инфраструктурой объекта или организации) на базе ГИС играют ведущую роль при реализации концепции “умного” города. Причем, под «городом» в широком смысле могут пониматься как собственно населенные пункты, так и другие крупные территориально распределенные структуры и образования. Так, ярким примером практического воплощения концепции смарт-сити может служить реализация аэропорта г. Пекин, как сложного объекта, во многом сходного с целым городом и выполняющего многие современные бизнес-функции, например такие, как: реализация потребностей бизнеса быстрее, удобнее и дешевле на основе развитой логистической инфраструктуры с ярко выраженным зонированием территории; предоставление возможностей проживания, покупок; проведения деловых встреч; организации выставок и т.д.

ГИС является одной из технологий практического применения концепции Smart-City и единой технологической подложкой применения smart-решений. Это технологическая платформа корпоративного класса, позволяющая понять пространственные взаимосвязи и решать сложные вопросы административно-хозяйственного управления. Кроме того, современная ГИС, такая как полнофункциональная система Esri ArcGIS, является уникальным хранилищем разнородной информации, позволяет создавать детальные 3D-модели объектов и местности, получать точные геометрические параметры данных моделей, в наглядной форме отразить состояние, поведение и взаимосвязь объектов недвижимости. Помимо этого, она позволяют выполнять пространственные запросы, оптимально определять расположение объектов инфраструктуры (парковок, входов-выходов, въездов, систем безопасности, инженерных и коммуникационных систем и т.д.), выявлять существующие критические отклонения от требований, спрогнозировать развитие чрезвычайной ситуации.

ГИС- и FM-технологии в рамках концепции “умный город” обеспечивают комплексный подход к решению градостроительных задач за счёт интеграции пространственной и временной информации, градостроительных регламентов, объективных и актуальных данных об объектах градостроительной деятельности, знаний и опыта (рис. 3).

Рис. 3. 3D-моделирование зданий с цветовой классификацией помещений по различным параметрам, например, энергопотреблению для помещений.

ГИС, как основа для управления бизнес-свойствами активов, может использоваться при:

• управлении, визуализации и планировании пространства;
• управлении недвижимостью и другими активами;
• управлении арендой;
• планировании действий в чрезвычайных ситуациях;
• планировании коммуникаций, услуг, инфраструктуры;
• оптимизации ресурсов, площадей;
• управлении энергопотреблением;
• управлении обслуживанием;
• а также во многих других сферах городского управления.

Так, система ArcGIS предоставляет широкий спектр мощных и удобных инструментов для проведения геопространственного анализа и моделирования, необходимых при реализации многих программ развития городского хозяйства. Это, например, построение буферных зон, расчёт зон видимости, радиовидимости и затопления, анализ транспортной доступности, диагностика пригодности почв, расчёт близости к источникам воды, пространственный анализ оперативной обстановки и моделирование сценариев ее развития и многое другое (рис. 4, 5).

Рис. 4. Построение буферных зон вокруг точечных и линейных объектов.

Рис. 5. Анализ транспортной доступности.

ГИС- и FM-технологии широко используются в оперативно-технологическом управлении городским хозяйством на основе собранных объективных данных. Примеры информационных комплексов управления городскими активами приведены на рис. 6, 7.

Рис. 6. Интегрирование разнородных данных с различных датчиков, измерителей и т.п.

Рис. 7. Управление мобильными бригадами: расчёт маршрутов, наряды на работы, контроль выполнения.

Стоит обратить внимание и на возможности ГИС по хранению хронологических данных и, соответственно, проведению совместного пространственно-временного анализа. Для пользователей доступны как просмотр различных временных срезов данных диагностики объектов, так и совмещение данных диагностики за разные годы (рис. 8).

Рис. 8. В ArcGIS можно выбрать атрибут, содержащий временные данные, настроить другие параметры, связанные с отображением хронологии, и отобразить их динамику на карте или модели местности.

Фундаментальным вопросом в теме смарт-сити является построение и использование послойной модели городского хозяйства на базе ГИС. Например, в сфере градостроения можно выделить следующие слои:

• цифровая картографическая основа города различных масштабов;
• 3D-модель города, интегрированная с рельефом;
• градостроительная, исходно-разрешительная и др. документация;
• данные адресного реестра, реестра единых объектов недвижимости;
• поэтажные планы зданий и сооружений;
• схема административного и кадастрового деления территории города;
• инженерные сети и сооружения, в т.ч. подземные коммуникации;
• схемы зонирования: функционального, строительного, ландшафтного, экономического и т.п.;
• линии градостроительного регулирования;
• водоохранные зоны;
• особо охраняемые природные территории (ООПТ);
• охранные зоны памятников истории и культуры;
• результаты историко-архитектурного обследования;
• мониторинг природных явлений и экология;
• данные геологических изысканий;
• и др. слои.

Перечислим основные функции систем на базе ГИС- и FM-технологий, реализующих концепцию Smart-City для поддержки градостроительной деятельности:

• получение в автоматизированном режиме сведений об объектах градостроительной политики на различных этапах жизненного цикла;
• сбор, обработка, хранение, отображение данных о территории города и объектах недвижимости в единой среде, актуализация информационных ресурсов;
• ведение паспортов объектов городской инфраструктуры;
• единый источник информации для органов архитектуры и градостроительства, государственной власти, предприятий сферы ЖКХ;
• планирование развития территории города;
• контроль градостроительной деятельности, заблаговременное предотвращение градостроительных ошибок;
• оказание помощи инвесторам при принятии решений о сделках, при взаимодействии с органами государственной власти и местного самоуправления;
• автоматизированная подготовка документов и отчётов;
• информирование населения.

Теперь рассмотрим несколько примеров применения так называемых “smart-технологий” в целях реализации концепции “умного” города.

Рис. 9. Расположение зон парковок и вертолётных площадок на территории спортивного сооружения.

В рамках подготовки к Чемпионату мира по футболу в 2018 г. возникла необходимость строительства новых и реконструирования существующих футбольных стадионов в соответствии с требованиями ФИФА. ПО ArcGIS предоставляет необходимый инструментарий для реализации пространственной и географической составляющей рекомендаций и требований ФИФА (рис. 9), например:

• сбор, обработка и хранение данных о местности, подготовка картографических материалов;
• визуализация текущей ситуации на местности совместно с материалами ДЗЗ;
• отображение тематических слоёв и наборов данных всех заинтересованных служб, предоставление общего доступа (с разграничением прав) к геопространственной информации;
• построение на карте графиков и диаграмм (с привязкой к конкретным объектам и местности), отражающих качественные и количественные характеристики объектов и территорий;
• моделирование (в т.ч. в 3D) будущих объектов стадиона с их характеристиками и свойствами, «встраивание» их в ландшафт;
• проектирование, выбор оптимального расположения объектов и оборудования, зон, парковок и др.
• точное измерение координат, углов, радиусов, площадей, расстояний (с учётом рельефа), объёмов;
• автоматический контроль заданных расстояний и габаритов;
• учёт объектов социальной, инженерной, транспортной и др. инфраструктур;
• расчёт оптимальных маршрутов для транспортных и людских потоков;
• геопространственный и сетевой анализ;
• доступ к кадастровой информации;
• и т.д.

Применение «Smart-технологий» крайне полезно и для решения широкого спектра задач управления парковым хозяйством города:

• подготовка различных тематических картматериалов, схем, 3D-моделей;
• планирование мероприятий по созданию, реставрации, реконструкции, ремонту и содержанию зелёных насаждений;
• определение объёмов вырубки, вырубки ухода;
• планирование обустройства парковых территорий;
• инвентаризация и паспортизация объектов парковой инфраструктуры;
• повышение эффективности использования территорий и внутренних пространств зданий, управление арендой;
• мониторинг состояния природных и техногенных объектов на парковых территориях;
• обеспечение и сопровождение научных исследований;
• мониторинг строительства парковых сооружений;
• планирование мероприятий по восстановлению численности редких животных и растений;
• управление энергопотреблением;
• обеспечение безопасности парковых территорий, планирование действий в чрезвычайных ситуациях;
• ведение кадастра ООПТ;
• создание информационной системы на вэб-основе для сотрудников природоохранных ведомств, учёных, населения и всех заинтересованных лиц.

Трудно переоценить роль туризма для наполнения городского бюджета, создания дополнительных рабочих мест для населения. В привлечении туристов исключительную роль играют геоинформационные системы. Опыт многих стран показывает, что мало иметь хорошие туристические возможности, памятники культуры, архитектуры, природную среду и т.д. Их нужно сделать привлекательными с использованием тех технологий, которые воспринимаются потенциальными туристами, с объяснением и наглядной демонстрацией всех преимуществ, методов и возможностей по их реализации. Опыт США, где развитию внутреннего и внешнего туризма придаётся огромное значение, показывает, что для реализации и описания всех возможностей для визитёров используется привязанный к реальным условиям и объективным данным ГИС набор сведений о тех или иных туристических центрах: национальные парки, памятники, музеи, новые виды туризма (например, выезд горожан в фермерские хозяйства), спортивные соревнования и т.п. Речь идёт об интерактивных картах, на которых отображаются сами памятники, отели, дороги, рестораны, кемпинги и т.п. Всё это размещается в интернете, обычно в рамках программ е-региона и е-правительства, и является вкладом местных и федеральных властей в развитие бизнеса и повышение привлекательности регионов. Аналогичная ситуация и для инвесторов. Инвестор должен знать все условия своего бизнеса, его страхования, отношение властей в виде льгот, поощрений и т.п. и, в конечном итоге, оценить окупаемость вложений. А турист – это небольшой инвестор. Но их может быть очень много, и он, например, захочет купить не только сувениры, но и квартиру, дом и т.д. В таком случае он станет средним инвестором, а крупный инвестор обеспечивает поток обработки желаний небольшого и среднего инвестора. Сведения о тех или иных местах, их привязке к городской инфраструктуре размещаются не только в интернете, но и в навигаторах, мобильных телефонах, планшетных компьютерах и т.п. Есть трёхмерные программы городов, есть понятие виртуального туриста, который из интернета “гуляет” по музеям, улицам и площадям. Виртуальный туризм также нуждается в поощрении. Как же доставить весь этот объём данных до всех желающих по всему миру? Для этого электронная система делается однородной и имеющей возможность быстро перетекать на новый интернет или на облачные вычисления. Даже мобильная телефония становится сегодня широкополосной. Программа строительства гостиниц или обустройства мест массового туризма не может быть реализована вне стыка с интеллектуальной транспортной системой города, логистических узлов и других сопутствующих программ.

Итак, кратко перечислим основные свойства ГИС, влияющие на привлечение туристов:

• ГИС – хранилище пространственных данных, являющихся основой для формирования туристических атласов, схем, карт и 3D-моделей объектов и прилегающей местности.
• Функциональность ГИС и БД позволяет проводить многофакторный анализ и выявлять особенности туристических объектов, непосредственно влияющих на их привлекательность.
• Оценка средствами ГИС привлекательности будущего туристического объекта с учётом данных о местности, населении, степени развития инфраструктуры, криминальной и экологической ситуации.
• Наглядное отображение результатов анализа в виде графиков, диаграмм, привязанных к конкретной местности.
• Организация услуг регулярной поставки обновлённой и достоверной информации для актуализации баз данных туристических объектов.

ГИС- и FM-технологии активно применяются впроектах реставрации, реконструкции и переустройства объектов недвижимости в соответствии с требованиями норм архитектуры и ландшафта, а также в археологии (рис. 10-12). Инновационная технология сбора данных (лазерное сканирование) позволяет точно и в минимальные сроки создавать достоверные 3D-модели зданий, сооружений (в т.ч. внутреннего пространства), ландшафта.

Рис. 10. Проект нового многофункционального сооружения на территории, операции по которой должны соответствовать специальным требованиям и нормам (церковь замка Годего, г.Тревизо, Италия).

Рис. 11. Амфитеатр Театра Ла Ферниче, Венеция.

Рис. 12. Точная, созданная средствами ГИС модель состояния древнего памятника: археологические исследования захоронения князя Дмитрия Пожарского по программе «Национальное достояние России».

ГИС- и FM-технологии могут быть задействованы впроектах сохранения и распространения российского исторического наследия. ПО Esri уже используется при разработке справочно-информационной системы боевых действий Великой Отечественной Войны. Геоинформационные системы могут также применяться с целью активной защиты фактов истории, противодействия фактам фальсификации. Есть возможность интерактивного представления боевых действий и других исторических событий через интернет (рис. 13).

Рис. 13. Справочно-информационная система боевых действий ВОВ на базе ArcGIS.

ГИС-технологии служат ключевым элементом в построениисовременных,эффективных и безопасныхэнергетических систем на всех уровнях. Именно с помощью ГИС решается самый широкий спектр задач, включающий создание ситуационно-аналитических центров, мониторинг сетей и оптимизацию энергопотребления, технического обслуживания, управления имущественным комплексом.

Сложно переоценить роль ГИС для управления дорожной сетью. Она является основой для интеллектуальных транспортных систем (ИТС). Это есть “единое окно” на всех уровнях ИТС: от мобильных решений до ситуационно-аналитического центра. Основные задачи геоинформационных систем в данной области выглядят следующим образом:

• сбор детальной, с точной привязкой к местности информации о таких объектах дорожного хозяйства, как дорожное покрытие, знаки, мосты, освещение и проч.;
• транспортное моделирование, анализ транспортных сетей, планирование транспортных потоков;
• отображение оперативной дорожно-транспортной ситуации на 3D-цифровой карте города;
• диспетчеризация общественного транспорта и реагирование на аварии;
• определение местоположения объектов и трассировка;
• планирование и маршрутизация, в т.ч. между разными видами транспортных сетей;
• АСУДД, управление содержанием автодорог;
• управление путевым хозяйством рельсового транспорта;
• энергообеспечение, связь, сигнальное оборудование;
• анализ происшествий;
• демографический анализ и изменение транспортных маршрутов;
• метеорологическое обеспечение, экологический мониторинг.

Ярким примером реализации интеллектуальной транспортной системы для автодорог является система, развернутая в Токио. Она базируется на десятках тысяч достаточно простых сенсоров, не очень большом количестве интеллектуальных видеокамер (порядка 400) и обеспечивает сбор информации с движущихся объектов и информирование водителей о ситуации впереди на дорогах, альтернативных маршрутах и т.д. В основе системы – большой вычислительный ресурс, объединённый с телекоммуникациями, и детальная дорожная ГИС. С учётом того, что автомобилей в Токио больше, чем в Москве, всё развёртывание системы стоило порядка 10 млн. рублей. Система помогла за несколько часов восстановить нормальное дорожное движение после землетрясения и цунами 2011г.

ГИС “спускаются” также и под землю. Вот примерный перечень информации, получаемый пассажирами метро из системы на базе ГИС:

• график движения поездов;
• пересадочные пункты;
• расстояния между станциями и для всей поездки;
• расстояния между станциями метро и прилегающими к ним достопримечательностями, зданиями, а также ресторанами, магазинами;
• номинальное время ожидания поезда;
• расположение парковочных терминалов;
• закрытые на ремонт станции и переходы;
• автобусные маршруты и маршруты других видов транспорта, связанных с метро.

С помощью ГИС- и FM-технологий осуществляется построение точных 3D-моделей станций метрополитена, расстановка камер видеонаблюдения, наглядная локализация месторасположения скрытых дефектов, предупреждение внезапного разрушения строительных конструкций, что существенно облегчает обеспечение безопасности объектов и всей инфраструктуры метрополитена (рис. 14).

Рис. 14. 3D-модель станции метро с привязанным к конкретной точке изображением от обзорной видеокамеры.

Крайне эффективно применение «smart»-технологий при создании электронного правительства города. Ниже приведён неполный перечень ГИС-услуг, предоставляемых системой «е-город»:

• Отображение цифровой модели местности (ЦММ) в виде (по выбору пользователя):
  • растровой (сканированной) карты
  • векторной карты с утверждённым перечнем слоёв (с возможностью управления слоями: перемещение, отключение, изменение прозрачности и т.д.)
  • цифрового аэрофото- или космоснимка;
  • 3D-модели с наложенной текстурой (по выбору- снимок/карта/без текстуры);
• Стандартные средства управления отображением (зуммирование, перемещение и т.д.);
• Совместное отображение объектов оказания госуслуг (в соответствии с утверждённым классификатором, в виде условных знаков) с ЦММ;
• Построение буферной зоны заданного радиуса вокруг указанного на цифровой карте объекта (объектов) или точки (точек);
• Измерения расстояний, площадей;
• Статистический анализ данных по объектам, хронологический анализ (отображение динамики изменений во времени);
• Получение адресной информации по объектам оказания госуслуг;
• Возможность выбора объекта и получение информации и документов по нему (согласно утверждённого перечня запросов), в т.ч. из внешних информационных систем (баз данных);
• Поиск объектов оказания госуслуг по различным критериям, например:
  • указанному адресу
  • находящихся в определённом районе или построенной буферной зоне
  • ближайших к указанному местоположению
  • находящихся в районе заданной (например, 15-мин) транспортной или пешей доступности
  • и др. критериям;
• Прокладка вариантов маршрутов к найденным или выбранным объектам, выбор оптимального по различным критериям, например:
  • мин. время проезда
  • мин. пересадок на общественном транспорте
  • мин. пересекаемых авто- и железных дорог
  • и т.д.;
• Отображение утверждённого перечня статистических и др. данных в целях информирования населения, например:
  • уровня социальной напряжённости
  • уровень преступности и основные криминогенные районы и точки
  • демографическая ситуация
  • результаты экологического мониторинга и мониторинга угроз внешней среды
  • и др.;
• подготовка отчётных материалов, выдача на печать результатов поиска объектов с оптимальными маршрутами доступа к ним и иной информацией, возможность сохранения изображения пользователем в различных растровых форматах.

Вызывает интерес и применяемая в западных странах концепция “гражданин как сенсор”. В данном разрезе ГИС-технологии используются для сбора данных от граждан в целях локализации информации для городского правительства о событиях в городе. Граждане могут сообщать о возникновении и местоположении широкого круга инцидентов, например: выбоины на дорогах, открытые крышки люков, появление граффити, ДТП, неправильно припаркованные автомобили, свалки мусора, и т.д. Данные от граждан поступают с помощью мобильных устройств и вэб-сайтов, анализируются с помощью ГИС, что позволяет выявить причину инцидента (например, данные о месте затопления позволяют определить неисправный водопровод или канализацию). Данный подход позволяет:

• принимать более взвешенные решения;
• быстро решать текущие проблемы и предотвращать будущие;
• улучшить качество госуслуг;
• получить общую картину оперативной обстановки реального времени в случае ЧС;
• выявлять тенденции и закономерности возникновения проблем.

Такая технология предполагает обратную связь: ГИС позволяет гражданам проследить, как власти города реагируют на их сообщения; есть возможность быстрой организации опроса граждан – например, где необходимо проложить велосипедный маршрут, пешеходные дорожки и т.д. Таким образом, имеется возможность наглядно видеть мнение всех жителей района и всего города и получить чёткое представление, почему принимается то или иное решение. Стоит учесть и возможность быстрого информирования граждан в случае угрозы ЧС (с указанием рассчитанных маршрутов эвакуации, мест укрытия и т.д.).

Ещё одна область применения “smart”-технологий: формирование электронного бюджета города с учётом геоданных. Распоряжение Правительства РФ от 20 июля 2011 г. N 1275-р гласит: «Среди основных направлений создания и развития системы «Электронный бюджет» – построение единого портала бюджетной системы РФ с использованием инфраструктуры пространственных данных (ИПД) РФ. Для этого предлагается сформировать требования к перечню базовых пространственных данных и базовой пространственной информации, связанных с системой управления общественными финансами. Пространственные данные будут использованы в подсистеме информационно-аналитического обеспечения для анализа информационных ресурсов системы «Электронный бюджет» и других внешних источников информации, мониторинга и оценки результативности и эффективности деятельности публично-правовых образований в сфере управления общественными финансами».

Рис. 15. Карта развития эпидемии в городе и поэтажный план госпиталя с индикацией местонахождения инфицированных пациентов.

Важная тема – охрана здоровья граждан. Здесь также находят применение современные «smart»-технологии (рис. 15). Геоинформационные системы предоставляют единую платформу и инструментарий для:

• оценки ситуации в сфере здравоохранения
  • мониторинга ситуации
  • выявления тенденций и исследования рисков, связанных со здоровьем населения;
• помощи в определении путей улучшения здоровья населения
  • информирование, обучение, оказание поддержки населению
  • партнёрство с общественными организациями для выявления и решения проблем здоровья
  • определение направлений развития здравоохранения;
• медицинского страхования
  • обеспечение доступа людей к требуемым мед. услугам
  • оценка страховых рисков
  • платформа для сбора и визуализации данных между страховым агентом и офисом;
• “ситуационной осведомлённости”
  • интернет-система запросов
  • общая картина ситуации
  • интеграция разнородных данных на одном экране на геоинформационной основе;

Упомянем и ряд других областей, где также могут быть использованы «smart»-технологии в интересах развития города:

• проектирование, моделирование, учёт и контроль состояния объектов городской инфраструктуры (в т.ч. подземной), ведение паспортов объектов;
• проектирование баз геоданных для городской инфраструктуры (с использованием моделей, разрабатываемых с помощью Esri);
• автоматизация управления выездными ремонтно-восстановительными бригадами;
• управление земельно-имущественным комплексом;
• обеспечение безопасности городских объектов, в т.ч. при их ликвидации;
• “Ситуационная осведомлённость” – визуализация общей картины оперативной обстановки в городе путём комбинации ГИС-слоёв с актуальными данными.

Очевидно, что подобных «муниципальных» задач намного больше. И ГИС уже реально помогают в их решении.