Умный ландшафт для «умного города»

Гущин Александр Николаевич ORCID: 0000-0002-3466-4038 кандидат физико-математических наук Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный архитектурно-художественный университет им. Н.С.Алфёрова». Кафедра Градостроительства и ландшафтной архитектуры. Доцент, кандидат физико-математических наук. 620075, Россия, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 23 Gushchin Aleksandr Nikolaevich PhD in Physics and Mathematics Associate Professor, Department of Urban Planning and Landscape Architecture, Ural State Academy of Architecture and Arts Karl Liebknecht str., 23, Sverdlovsk region, Yekaterinburg, 620075, Russia alexanderNG@yandex.ru Другие публикации этого автора

Дивакова Марина Николаевна кандидат архитектуры Профессор кафедры Градостроительства и ландшафтной архитектуры. Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский государственный архитектурно-художественный университет им.Н.С.Алферова" 620027, Россия, Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Свердлова, 58-29 Divakova Marina Nikolaevna PhD in Architecture Professor of the Department of Urban Planning and Landscape Architecture. Federal State Educational Institution of Higher Professional Education "Ural State University of Architecture and Art named after N.S.Alferov" 620027, Russia, Sverdlovskaya oblast', g. Ekaterinburg, ul. Sverdlova, 58-29 fpk-d@yandex.ru

Введение

Концепция умного города явилась ответом на возрастающую роль ИТ-технологий в жизни современенного общества. В трактовке понятия «умный город» можно выделить два подхода. Первый из них - технократический (системный). Представители данного подхода рассматривают «умный город» как систему составляющих: «”Умные города” могут быть определены как системы, интегрирующие в рамках единого городского пространства следующие направления (оси) дея­тельности: умная экономика; умная мобильность; умная среда; умные люди; умная жизнь; умное управление» ^[1]. Правительством Российской Федерации создан стандарт «умного города» под названием «Базовые и дополнительные требования к умным городам (Стандарт «умный город»)» ^[2]. В стандарте также используется системный подход и умный город рассматривается в разрезе следующих составляющих:

• 1. Городское управление
• 2. Умное ЖКХ
• 3. Инновации для городской среды
• 4. Умный городской транспорт
• 5. Интеллектуальные системы общественной безопасности
• 6. Интеллектуальные системы экологической безопасности
• 7. Инфраструктура сетей связи
• 8. Туризм и сервис

При всем этом, само понятие «умный город» не имеет четкой дефиниции, на сегодня существует множество определений того, чем является умный город. Именно поэтому актуален противоположный подход – интегративный, основанный на том, чтобы попытаться предугадать общий эффект от внедрения различных ИТ-концепций. Для этого пытаются концептуально описать умный город ^[3], городское сообщество ^[4], человеческий капитал умного города ^[5]. Авторы в настоящей стать также придерживаются интегративного подхода.

Постановка задачи

Целью настоящей статьи является изучение последствий внедрения концепции "умного" города на городскую среду. Для применения интегративного подхода необходим объект анализа, имеющий достаточно общий характер и характеризующий город в целом. В качестве такого объекта авторы выбрали городской ландшафт.

Ландшафт – понятие, заимствованное из географии. Термин введен в отечественную науку знаменитым российским ученым Александ­ром Гумбольдтом, который заимствовал слово из родного немец­кого, где оно бытовало с давних времен и означало die Landschaft - «вид земли», «вид местности», «...большой, обозримый простым глазом участок поверхности, отличающийся от соседних участков характерными индивидуальными чертами» ^{[6, с.6]}.

В настоящее время ландшафтоведению посвящены десятки монографий и сотни книг. «Длящаяся десятилетиями борьба различных географических школ за «единственно верное понимание» феномена ландшафта закончилась закономерным признанием права на параллельное существование нескольких трактовок, которые воспринимаются исследователями как познавательные модели, созданными с различными целями и различающиеся по содержанию отобранных признаков, но тем не менее истинные, каждая в своих условиях» ^[7]. Согласно А.Хорошеву ^[8] в настоящее время существует шесть разных подходов к определению ландшафта. Авторы будут придерживаться одной из шести перечисленных трактовок: ландшафт как территория под воздействием человека. Часто используется термин «культурный ландшафт». Чтобы подчеркнуть роль человеческой деятельности появились уточняющие понятия «антропогенный ландшафт» и «городской ландшафт». Структурные элементы городского ландшафта описаны в работе ^[9]. Еще одной характерной чертой ландшафта является полимасштабность, что проявляется в наличии иерархической структуры ландшафта ^[8].

Выбор ландшафта в качестве объекта изучения и предмета настоящей статьи удобен тем, что ландшафт является протяженным, структурно сложным объектом, который наверняка изменится под воздействием ИТ-технологий. Общий вектор изменений также можно предугадать: это повышение управляемости, т.к. любое внедрение ИТ-технологий повышает управляемость системы. Данная гипотеза определяет и методы исследования настоящей статьи. Для построения итоговой картины необходимо построить общую архитектуру системы управления ландшафтом и на ее основе выявить и описать функционал «умного ландшафта».

1. Методы решения

1.1 Кибернетическая парадигма управления

Для реализации поискового подхода необходимо общее видение – общая парадигма рассмотрения. Авторы руководствуются кибернетической парадигмой. Кибернетика использована потому, что это наука «об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе» - Норберт Винер ^[10]. Кибернетике мы обязаны универсальной схемой управления, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема процесса управления в кибернетике

На рисунке 1 есть все компоненты, которые описывал еще один видный кибернетик Келли Кевин ^[11]. Кибернетика включает изучение обратной связи, чёрных ящиков и производных концептов, таких как управление и коммуникация в живых организмах, машинах и организациях, включая самоорганизации. Она фокусирует внимание на том, как что-либо (цифровое, механическое или биологическое) обрабатывает информацию, реагирует на неё и изменяется или может быть изменено, для того чтобы лучше выполнять первые две задачи. Откуда следует, что кибернетика вполне может быть использована для анализа функционирования умного города.

Кибернетический взгляд на традиционную систему управления городом, а, следовательно, и ландшафтом, показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Кибернетическая парадигма системы управления городом

Здесь в качестве объекта управления выступает городская среда (городской ландшафт), в качестве системы управления – городская администрация. Управляющая система имеет сложную структуру, разделяясь на представительную и исполнительную части. Исполнительная власти осуществляет текущее управление, через систему торгов, посылая подрядчикам управляющие сигналы. Представительная часть системы управления создает коммуникационный канал для получения управляющей информации от населения. На рисунке 2 показаны исполнители решений: девелоперы, застройщики, муниципальные унитарные предприятия, подрядные организации. Они преобразуют принятые решения в материальные воздействия на городскую среду. Выходами процесса являются производимые общественные услуги, а входами – запросы общества на качественную и комфортную городскую среду.

1.2 Закон необходимого разнообразия

Закон необходимого разнообразия открыт Уильямом Россом Эшби. Формулировка, принадлежащая самому Эшби: «управление может быть обеспечено только в том случае, если разнообразие средств управляющего (в данном случае всей системы управления) по крайней мере, не меньше, чем разнообразие управляемой им ситуации» ^[12]. Закон необходимого разнообразия на случай иерархической системы управления обобщил кибернетик и философ Е.А.Седов ^[13]. Он сформулировал закон «иерархической компенсации». Одна из наиболее удачных формулировок принадлежит Назаретяну «в сложной иерархической системе рост разнообразия на верхнем уровне обеспечивается ограничением разнообразия на предыдущих уровнях, и наоборот, рост разнообразия на нижнем уровне [иерархии] разрушает верхний уровень организации» ^[14].

2. Городской ландшафт как объект управления

Ранее говорилось, что для описания функционала умного ландшафта необходимо описать архитектуру системы управления ландшафтом. Общую архитектуру системы управления ландшафтом авторы предлагают выстраивать, начиная с самого нижнего уровня. Основываясь на том предположении что, многофункциональные элементы ландшафта будут получать свои системы управления в первую очередь. Такая гипотеза правдоподобна, поскольку совмещение нескольких функций в одном элементе требует внедрения системы управления, которая будет управлять функционалом системы. Выделим многофункциональные элементы ландшафта.

2.1 Фасады зданий

В настоящее время фасады зданий чаще всего выполняют пассивную роль. Но уже прорабатываются способы сделать фасады шумопоглощающими ^[15]. Актуальна также задача создания энергоэффективных фасадов ^[16]. Фасады зданий широко используются для подсветки и разнообразных световых инсталляций ^[17]. Практика показывает, что как только фасады начнут выполнять несколько функций – так сразу появится потребность в управлении разнообразными функциями фасадов. Примером чего является концепция управляемых (динамических) фасадов ^[18].

2.2 Транспортные узлы (остановки)

В проектировании остановок общественного транспорта имеются две тенденции. Тенденция управления транспортом – переход к «умной остановке». «” Умные” остановки – это комплекс различных систем, позволяющий пассажирам удобно пользоваться общественным транспортом, точнее рассчитывать время в пути, и регулировать свое время при пользовании общественным транспортом». ^[19]. С другой стороны, остановка общественного транспорта – функциональный объект в городской среде. «Остановочный павильон должен быть заметен. Это необходимо для того, чтобы гости города быстро ориентировались и находили остановки общественного транспорта. Заметная подсветка остановки поможет при плохой видимости при дожде, снеге, тумане и в ночное время суток, лучше ориентироваться участникам дорожного движения. Остановочный павильон должен обеспечивать комфортное пребывание людей в разные сезоны года. В зимний период остановка должна подогреваться нагревательными элементами. В летний период – за счет распыления мелкодисперсной воды, создавать прохладный микроклимат в районе павильона. Также остановка должна быть сконструирована таким образом, чтобы находящихся внутри павильона люди были максимально возможно защищены от осадков и ветра» ^[20]. Таким образом, остановки общественного транспорта становятся многофункциональными объектами.

2.3 Система освещения

Освещение – одна из наиболее динамично развивающихся составляющих городского ландшафта. «Умное» освещение будет отличаться, прежде всего, адаптивностью. Оно будет подстраиваться под количество автомобилей или людей, проходящих по улицам. Согласно данным работы ^[21] «умное освещение» входит в список наиболее часто реализуемых проектов.

2.4 Транспортные магистрали и уличные покрытия.

Современные уличные покрытия – это одна из наиболее стабильных составляющих ландшафта. Но и одна из наиболее важных с точки зрения создаваемого микроклимата города. Поэтому идут по пути поиска более подходящих материалов, примером чего является повсеместная практика замены асфальтовых покрытий на покрытия из тротуарной плитки. Существует также проект «Умная дорога» ^[22]. Предполагается, что «умная дорога» может выполнять несколько функций; менять визуальный рисунок для информирования водителя о погодных условиях, управление температурным режимом дорожного полотна, поглощение солнечной радиации, извлечение энергии из движения транспорта.

В условиях климатической нестабильности, следует ожидать, что уличные покрытия будут играть более активную роль в формировании микроклимата, например, приобретут функции изменения свойств поверхности в зависимости от климатических условий для улучшения сцепления с покрытием, а также функцию поглощения избыточной солнечной радиации. Естественно, что совмещение такого количества функций потребует системы управления. Конструктивно это возможно уже сегодня ^[22].

2.5 Зеленая инфраструктура.

Система озеленения (зеленая инфраструктура) – также одна из наиболее консервативных составляющих ландшафта. «Функции зеленых насаждений в городах заключаются в другом - очищении атмосферного воздуха от химического загрязнения, их благоприятном воздействии на городской климат и снижении уровня шума» ^[23]. Также большим достоинством системы озеленения является возможность управления городским климатом. Для этого необходимо правильное построение системы озеленения на уровне города. В более мелких масштабах эволюция системы озеленения происходит в направлении «захвата» новых типов: фасадов зданий – «зеленые фасады» ^[24] и крыш – «зеленые крыши» ^[25]. Таким образом, зеленая инфраструктура будет играть роль элемента стабилизирующего элемента ландшафта, предназначенного для решения долгосрочных проблем.

3 Архитектура системы управления

Описание общей архитектуры системы начнем с нижнего уровня: с уровня управления всеми отдельными элементами ландшафта. Каждая подсистема нижнего уровня имеет свой репертуар управляющих воздействий и информации об управлении. Поскольку систем нижнего уровня много, и горожанин может находиться в поле действия нескольких из них одновременно, то и управляющие воздействия, и информация об управлении должны интегрироваться. Например, когда пешеход переходит через «умный» перекресток, то он находится под действием как минимум двух подсистем «умного» города: подсистемы перекресток и шумопоглощающей системы фасада здания. Объединения многочисленных систем управления для многофункциональных элементов ландшафта можно добиться только за счет перехода к концепции интернета вещей. Основное преимущество интернета вещей заключается в наличии новых связей между объектами, что придает им совершенно новые свойства. «В самом общем виде с инфокоммуникационной точки зрения Интернет вещей можно записать в виде следующей символической формулы:

IoT = Сенсоры (датчики) + Данные + Сети + Услуги» ^{[26, c.9]}.

Формула описывает физическую структур интернета вещей как информационной системы. Интернет вещей в концепции умного города представляет собой систему датчиков и сенсоров управляющих отдельными элементами ландшафта.

Концепция интернета вещей на нижнем уровне системы управления обеспечивает большое разнообразие реакций системы. Чтобы достигнуть необходимого разнообразия реакций система управления должна содержать несколько иерархических уровней, каждый из которых обладает сравнительно небольшим спектром реакций, но, действуя вместе, все уровни обеспечивают необходимое разнообразие поведения. Ограничение необходимых реакций системы диктуется законом необходимого разнообразия. Общая схема представлена на рисунке 3. На схеме представлена многоуровневая архитектура системы управления, которая за счет наличия различных иерархических уровней, обеспечивает необходимое разнообразие реакций. На сегодняшний момент достаточно сложно предсказать необходимое число уровней для создания иерархии.

Рисунок 3. Многоуровневая архитектура системы управления.

Важным элементом системы управления является выделенная система согласования предпочтений. В настоящее время эту функцию выполняет представительная часть городской власти. Развитие информационно-коммуникационных технологий упрощает коммуникации с властью и многократно повышает количество информации об управлении. На муниципальном уровне появляются сайты для прямого общения с администрацией, куда любой горожанин может пожаловаться на качество услуг или инфраструктуры. Таким образом, система согласования предпочтений горожан выполняет важную роль, ограничителя разнообразия реакций, что делает возможным функционирование всей системы управления.

Благодаря наличию системы согласования предпочтений, наличие которой диктуется законом необходимого разнообразия, объектом управления в городской среде оказывается не отдельный горожанин, а группа горожан. Вместе с тем, внедрении информационно-коммуникационных технологий в систему обратной связи и, как следствие, повышение объемов управляющей информации имеет оборотную сторону: сложнее становится согласовать мнения для принятия единого решения.

Цели управления ландшафтом разнообразны. От обеспечения условий для производства качественных и разнообразных общественных благ – экологических услуг - как говорят в последнее время ^[27], до создания комфортной городской среды. Для определения термина «комфортная городской среды» существует несколько трактовок. Одним из первых исследователей в этом направлении стал Ян Гейл, который сформулировал свою систему «12 критериев» комфортности городской среды ^[28]. В дальнейшем исследования продолжились, на тему качества и комфортности городской среды имеется множество работ, например, ^[29],[30]. Для целей бюрократического управления разработана методика оценки индекса качества городской среды ^[31]. В последнее время актуализировались климатические проблемы, в связи с чем целью управления ландшафтом может быть обеспечение микроклиматического комфорта, для этого появляется все больше возможностей.

4. Каким будет «умный ландшафт»

После того, как описаны структура и функции системы управления, можно перейти к описанию функционала «умного» ландшафта, т.е. к тому, каким будет «умный ландшафт».

Первое качество, вытекающее из возможностей настройки отдельных элементов ландшафта – адаптивность. Адаптивность к внешним условиям и способность сохранять микроклиматический комфорт. Климатический комфорт – тема научных исследований, которая актуальна в связи с глобальными климатическими изменениями. Так в работе Е.А.Григорьевой ^[32] приводятся четыре стратегии снижения температуры в городе: 1) специальные виды застройки «городские каньоны», 2) эффективное использование зеленых насаждений, 3) различные водные объекты и системы увлажнения, 4) применение специальных материалов для уличных покрытий и тротуарной плитки. Как видим, все указанные возможности не просто доступны в рамках концепции «умного ландшафта», но и могут многократно усиливаться по эффективности за счет повышения управляемости системы и достижения синергетического эффекта.

Адаптивность ландшафта понимается также как возможность подстраиваться под индивидуальные и групповые предпочтения горожан. В этом случае адаптивные возможности ограничиваются возможностями горожан договориться между собой и принять согласованное решение. Система управления, согласно рисунку 3, имеет дело с поведением не единичного горожанина, а группы горожан. Для этого в системе управления выделена отдельная подсистема согласования предпочтений. По сути, данная подсистема – развитие той практики общественных слушаний и голосования по проектным решениям, которая имеется уже сейчас. Тренд в отношении привлечения общественности к проблемам благоустройства виден уже сейчас. Усиливается роль общественности в разработке проекта, в контроле за выполнением строительных работ, в участии в строительных работах, что зафиксировано в стандарте комплексного развития территорий ^[33] и в более ранних методических рекомендациях по подготовке правил благоустройства ^[34]. Более того, создан стандарт по вовлечению населения в проекты благоустройства ^[35]. Естественным следствием тенденции к индивидуализации проектов является тенденция к разнообразию проектных решений. С развитием технологий умного города тенденция к индивидуализации благоустройства будет только усиливаться, и любая группа горожан сможет заказать себе по интернету индивидуальный проект благоустройства (локальной городской среды) в соответствии со своими предпочтениями или своими жизненными обстоятельствами. Способность горожан договариваться и приходить к согласованным решениям определит и пространственный размер индивидуального благоустройства. Выдающий архитектор Кристофер Александер считал, что размер индивидуального жилого района должен быть не более 300 метров в поперечнике и включать в себя не более четырехсот, пятисот человек ^{[36, с.124]}. Эту оценку разумно взять в качестве оценки размера зоны индивидуального благоустройства. Наряду с локальными зонами благоустройства ландшафт будут формировать и крупные протяженные объекты: особенности рельефа, магистрали, бульвары, парки. В результате чего ландшафт станет еще более сложной полимасштабной структурой.

Полимасштабность ландшафта приобретет новое качество за счет иерархической структуры системы управления. Ранее говорилось, что разнообразие поведения на нижнем уровне должна компенсироваться ограничениями на верхнем уровне. Верхний уровень системы управления будет предназначен для управления крупными ландшафтными объектами: улицами магистралями, площадями.

Следующая важная характеристика ландшафта – динамизм. Благодаря своей адаптивности умный ландшафт будет по-разному выглядеть в разные времена года, по-разному выглядеть в разную погоду и по-разному выглядеть в зависимости от времени суток.

Для того, чтобы в результате сложился образ, приведем несколько визуализаций. Графическая основа для визуализаций ^[33]. На рисунке 4 представлена одна из визуализаций.

Рисунок 4 Визуализация концепции «умный ландшафт». Обозначения: 1 - электрический и водородный транспорт, 2 - "умный" переход - часть единой и системы управления движением пешеходов и транспорта, 3 - "умное" освещение - часть единой системы управления движением пешеходов и транспорта, 4 - зеленая крыша для формирования комфортного микроклимата, 5 - уличное покрытие, формирующее комфортный микроклимат, 6 - трансормируемые зеленые островки, 7 - адаптивные фасады зданий с функциями свето- и шумопоглощения.

На рисунке 5 представлена визуализация «локального благоустройства», когда жители двух близких друг к другу территорий выбирают разное благоустройство, отражающее приоритетные интересы.

Рисунок 5 Визуализация концепции «локального благоустройства». Обозначения: 1- электрический и водородный транспорт, 2 - "умный" переход - часть единой системы управления движением пешеходв и трансопрта, "умное" освещение - часть единой системы управления движением пещеходов и транспорта, 4 - выделенная велодорожка как часть "локального благоустройства", 5 - уличное покрытие, адаптированное для прогулок с домашними животными, тоже часть "локального благоустройства", 6 - зеленый островок для целей релаксации, 7- "умная" площадка для детских игр.

Заключение

Цель настоящей работы состояла в том, чтобы на основе выбранной парадигмы получить интегральное представление о том, как будет трансформироваться городской ландшафт в условиях внедрения концепции умного города. В статье использован оригинальный авторский подход к описанию свойств ландшафта. Подход основан на использовании кибернетической парадигмы. Согласно этому подходу авторы сначала исследуют умный город как систему управления, затем на основе свойств системы управления, выявляют функциональные характристики ландшафта, как объекта управления. Архитектуру системы управления авторы выстраивают по принципу "снизу-вверх", начиная с нижнего уровня. Для описания нижнего уровня системы управления авторы провели анализ литературы и выделили многофункциональные элементы ландшафта, которые должны быть снабжены системами управления в первую очередь. Авторы считают, что объединение систем управления элементами ландшафта будет происходить на основе концепции интернета вещей. В целом архитектура системы управления будет иерархической, что следует из закона необходимого разнообразия, требующего ограничить многообразие реаций системы управления верхнего уровня. Авторы считают, что в качестве ограничителя разнообразия реаций системы верхнего уровня будет использоваться система согласования предпочтений горожан.

Продолжая выбранный огигинальный подход, авторы переходят к описанию характеристики "умного" ландшафта, наделяя его свойствами динамичности, адаптивности и полимасштабности. Динамизм "умного" ландшафта определяется характеристиками и возможностями управления структурными элементами ландшафта. Динамизм "умного" ландашфта наделяет ландшафт адаптивностью. Адаптивность "умного" ландшафта авторы понимают в двух аспектах. Как возможность подстраиваться к внешним изменениям, сохраняяя комфортную городскую среду. И как вохзможнсоть подстраиваться под индивидуальные предпочтения горожан. Полимасшабность ландшафта ранее известна и описана. В концепции "умного" ландашафта возникает дополнительное масштабирование, связанное с иерархической структурой системы управления, структура которой определяется возможностями согласования препочтений горожан. Таким образом, в концепцию полимасштабности ландшафта вносится дополнительный фактор.

В целом авторами предложена концепция "умного" ландшафта как составной части концепции "умного" города и выявлены основные характеристики "умного" ландшафта.