Cidades Inteligentes: Conceitos, plataformas e desafios

JAI'2016 - CSBC

Prof. Fabio KonEduardo Felipe Zambom Santana

Departamento de Cincia da ComputaoIME-USP

Fabio Kon

Professor Titular, IME-USP Coordenador Adjunto de Pesquisa para Inovao, FAPESP

Adora Sistemas Distribudos, Engenharia de Software, Internet, Web, Mtodos geis e Tecnologia

Gostaria de ter mais tempo para:

Programar, tocar vibrafone e bateria, ajudar statups, viajar, ficar com a famlia (no necessariamente nessa ordem).

Eduardo Felipe Zambom Santana

Bacharel e Mestre em Cincia da Computao (UFSCar)

Aluno de doutorado no IME-USP

Professor na Universidade Anhembi Morumbi

Mais de 10 anos de experincia como Programador e Arquiteto de Sistemas

Contedo - Parte 1

Introduo Definio de Cidade Inteligente

Dimenses de Cidades Inteligentes

Expresses Relacionadas Iniciativas e Pesquisas sobre Cidades Inteligentes Tecnologias relacionadas

Internet das Coisas Big Data Computao em Nuvem

Iniciativas de Cidades Inteligentes

Contedo - Parte 2

Plataformas de Cidades Inteligentes

Requisitos Funcionais e no Funcionais

Contedo - Parte 3

Arquitetura de Referncia

Desafios Tecnolgicos e Cientficos

Implicaes

Concluses

Parte 1: Cidades Inteligentes: Definies, Tecnologias e Iniciativas

Todas fotos de Nelson Kon

Introduo

Introduo

Maioria da populao mundial vive em cidades

Atual infraestrutura e quantidade de recursos pode no atender demanda

O padro um enorme desperdcio de recursos em todas as reas. Por exemplo, em transportes:

Txis, Carros

nibus

Semforos

Introduo

Como tornar a cidade mais inteligente?

Otimizar o uso de recursos e da infraestrutura

Emprego de Tecnologias da Informao e Comunicao (TIC)

Para que?

Melhorar a qualidade de vida da populao

Sustentabilidade

Como ser esse futuro?

Grande quantidade de dados coletados

Criao de aplicaes e servios para a populao da cidade

Muitos domnios de aplicao

Transporte pblico e privado, Trnsito, Sade e Qualidade de Vida,

Educao, Entretenimento, Energia Eltrica, Distribuio de gua, Coleta de Lixo, etc.

Plataforma de software para a integrao dos domnios

Definies de Cidades

Inteligentes

Definies de Cidades Inteligentes

Quatro temas principais nas definies: Melhora da qualidade de vida da populao com melhores servios e

uso mais inteligente de recursos Integrao entre os servios da cidade Participao popular na tomada de decises da cidade Uso de Tecnologia da Informao

Algumas definies citam ainda as vantagens econmicas de uma Cidade Inteligente Incentivo industria de tecnologia Melhor ambiente de negcios

Definies de Cidades Inteligentes

A Smart City is a city well performing built on the smart combination of endowments and activities of self-decisive,

independent and aware citizens (Giffinger et al. 2007)

...when investments in human and social capital and traditional (transport) and modern (ICT) communication

infrastructure fuel sustainable economic growth and a high quality of life, with a wise management of natural resources,

through participatory governance (Caragliu et al. 2011)

Definies de Cidades Inteligentes

A city connecting the physical infrastructure, the IT infrastructure, the social infrastructure, and the business infrastructure to leverage

the collective intelligence of the city (Harrison et al. 2010)

A city that monitors and integrates conditions of all of its critical infrastructures, including roads, bridges, tunnels, rails, subways, airports, seaports, communications, water, power, even major buildings, can better optimize its resources, plan its preventive

maintenance activities, and monitor security aspects while maximizing services to its citizens (Hall et al. 2000)

Dimenses das Cidades Inteligentes

Indicadores para medir a inteligncia de uma cidade

Economia Inteligente

Populao Inteligente

Governana Inteligente

Mobilidade Inteligente

Meio Ambiente Inteligente

Economia Inteligente

Mede a capacidade econmica da cidade e as empresas instaladas na cidade

Parmetros: Qualidade das empresas instaladas Ambiente para o empreendedorismo

Aes relacionadas: Incentivos a empresas para o desenvolvimento de solues tecnolgicas Investimentos em infraestrutura Melhoria do ambiente de negcios com legislao adequada Incentivo ao empreendedorismo e startups

Populao Inteligente

Mede o desenvolvimento econmico e social da populao da cidade

Parmetros Educao Emprego

Renda

Aes relacionadas: Projetos de incluso digital Programas de educao cientfica e tecnolgica

Governana Inteligente

Mede a qualidade e transparncia dos servios pblicos

Parmetros: Facilidade no uso dos servios pblicos Investimento em tecnologia

Transparncia dos dados

Aes relacionadas: Portais de transparncia e de dados abertos Portais de participao popular Integrao de servios pblicos

Mobilidade Inteligente Mede a facilidade da mobilidade na cidade nos diversos

modais de transporte nibus, bicicleta, carro, metr, trem, barcos

Parmetros Quilmetros de congestionamento Tamanho da malha metroviria Porcentagem da populao que usa transporte pblico Nmero de usurios por carro, nibus, trem, etc.

Aes Relacionadas Monitoramento em tempo real do fluxo de veculos Sensores para indicar vagas livres de estacionamento Campanhas e aplicaes para incentivar o uso de bicicletas e transporte pblico

Meio Ambiente Inteligente

Mede a sustentabilidade da cidade e seu relacionamento com o meio ambiente

Parmetros: Poluio ambiental Eficincia no uso de recursos como gua e energia eltrica Percentual de lixo reciclado

Aes Relacionadas: Medio da qualidade do ar e gua da cidade Uso de fontes renovveis de energia Medio em tempo real dos recursos utilizados em residncias

Vida Inteligente Mede a qualidade de vida da populao Parmetros:

Entretenimento Segurana Cultura Quantidade de reas verdes Nmero de bibliotecas e centros culturais

Aes Relacionadas: Aplicaes para o acompanhamento da sade de idosos Processamento automtico de imagens de cmeras de segurana Aplicativos sobre eventos culturais e esportivos programados na cidade

Dimenses de Cidades Inteligentes

http://www.smart-cities.eu/?cid=5&city=47&ver=4

http://www.smart-cities.eu/?cid=5&city=47&ver=4http://www.smart-cities.eu/?cid=5&city=47&ver=4

Expresses Relacionadas

Outras expresses relacionadas melhoria das cidades tambm foram utilizadas: Digital City Knowledge City Wired City

Hoje existem poucas referncias a esses termos Cidades Inteligentes virou a expresso padro para a

ideia de cidades que utilizam uma infraestrutura de TI para a melhora dos servios e a otimizao do uso de seus recursos

Expresses Relacionadas

Tecnologias

Tecnologias

Diversas tecnologias so utilizadas para a implementao de aplicaes e plataformas de Cidades Inteligentes

Trs tecnologias mais citadas:

Internet das Coisas

Computao em Nuvem

Big Data

Internet das Coisas (IoT) Conjunto de objetos conectados Internet

Em Cidades, alguns exemplos de objetos so: Lmpadas de iluminao pblica Sensores de temperatura, rudo, chuva e qualidade do ar Semforos Cmeras de segurana Veculos de transporte pblico

Celulares dos cidados

Dados sobre esses objetos so coletados e enviados para plataformas ou aplicaes da cidade para que sejam armazenados e processados

Internet das Coisas Alguns exemplos da utilizao de IoT em Cidades

Inteligentes so:

Monitoramento da estrutura de prdios histricos

Monitoramento do nvel de rudo na proximidade de escolas e hospitais

Otimizao da coleta de lixo com sensoreamento de cestos de lixo

Monitoramento do equipamento urbano como semforos e lmpadas

E por que no wase, 99taxi, kekanto, Coletivo...

Big Data

Conjunto de tcnicas e ferramentas para a manipulao e armazenamento de grandes volumes de dados

Quatro caractersticas principais: Volume: grande quantidade de dados gerados e que devem ser

coletados, armazenados e processados Variedade: dados de diferentes fontes e com diferentes estruturas

Velocidade: muitos servios dependem de processamento rpido, ou at mesmo em tempo real dos dados

Veracidade: garantia de que os dados coletados so confiveis e consistentes

Big Data

Big Data

Novas ferramentas de BigData esto sendo utilizados em Cidades Inteligentes:

Processamento de dados: Hadoop, Spark e Storm

Bancos de dados NoSQL: Cassandra, CouchDB e MongoDB

Processamento de grafos: GraphX (Spark) e Giraph (Hadoop)

Big Data

Utilizao de Big Data em Cidades Inteligentes:

Reconhecimento de padres no trnsito utilizando dados histricos

Previso da quantidade de energia eltrica em diferentes dias e horrios utilizando fluxo de dados em tempo real

Previso da demanda do uso de transporte pblico

Deteco de problemas de segurana pblica monitorando redes sociais e cmeras

Computao em Nuvem

Infraestrutura elstica, robusta, escalvel e confivel para o armazenamento e processamento dos dados

Requisitos no funcionais essenciais para Cidades Inteligentes

Cloud of Things Armazenamento e processamento dos dados de sensores em um

ambiente de computao em nuvem

Sensing as a Service Fornecer os dados dos sensores para aplicaes como servios na

nuvem

Relacionamento entre os conceitos

Computao em nuvem o ambiente ideal para armazenar os dados coletados em uma infraestrutura de Internet das Coisas, esses dados podem ser anlisados por ferramentas de Big Data

Iniciativas de Cidades

Inteligentes

Iniciativas de Cidades Inteligentes

Maior parte das iniciativas de Cidades Inteligentes em pases ricos como Estados Unidos, Espanha e Inglaterra

Muitas iniciativas na China

Algumas iniciativas isoladas no Brasil, Mxico, ndia e Emirados rabes

Iniciativas de Cidades Inteligentes

SmartSantander - Santander, Espanha

Implantao de uma infraestrutura e uma plataforma de software para Cidades Inteligentes

Instalao de mais de 20 mil sensores na cidade que coletam diversos tipos de dados:

Temperatura

Vagas de estacionamento

Pontos de acesso Internet

Rudos

Lixeiras

SmartSantander - Santander, Espanha

Alm dos sensores, tambm coleta dados de:

nibus

Txi

Pontos de Interesse

Caminhes de Lixo

Pontos de Wi-Fi

SmartSantander - Santander, Espanha

http://maps.smartsantander.eu/

http://maps.smartsantander.eu/http://maps.smartsantander.eu/

SmartSantander - Aplicaes

Vagas de Estacionamento Realidade Aumentada

Barcelona, Espanha

Diversos projetos governamentais com apoio da iniciativa privada Monitoramento das cestas de lixo Dashboards para monitoramento das condies da cidade Portal de dados abertos Incentivos a carros eltricos Incentivo ao uso de bicicleta

Plataforma Sentillo Responsvel pela administrao, monitoramento e coleta de dados de

diversos sensores espalhados pela cidade

Sensores de temperatura, luminosidade, utilizao de cestas de lixo e pontos de acesso Wi-Fi

Barcelona, Espanha

http://www.sentilo.io/wordpress/

http://www.sentilo.io/wordpress/http://www.sentilo.io/wordpress/

Amsterd, Holanda

Diversos projetos e experimentos para tornar a cidade mais inteligente e aumentar a qualidade de vida da populao

Smart Grids, trnsito, reduo da emisso de poluentes e sensoriamento

da cidade

Colaborao do governo, universidades, empresas e da populao da cidade

Amsterd, Holanda

Exemplos de Projetos: Smart Electricity Grid: Uma rea de 10 mil habitantes que gera a prpria

energia com painis solares

Incentivo ao uso de carros eltricos com estaes de recarga espalhadas pela cidade

Aplicativos para a reserva de vagas de estacionamento, evitando que motoristas percam tempo buscando vagas

Diversos projetos para aumentar a transparncia nos gastos pblicos (Monitoramento do Oramento e AmsterdamOpent)

CitySDK Tourism API: Uma API que permite que desenvolvedores utilizem dados da cidade para a implementao de aplicaes

Amsterd, Holanda

Chicago, Estados Unidos

Plataforma WindyGrid Coleta, armazena e processa os dados da cidade Visualizao unificada da operao da cidade

Dados de sensores, ligaes do 911, trnsito e dados de edificios pblicos

Portal de dados abertos (https://data.cityofchicago.org/) Milhares de conjuntos de dados

Nome, salrio e cargo de todos os funcionrios da administrao municipal

Registro de ocorrncias policiais Mapa veculos abandonados Dados censitrios da populao

https://data.cityofchicago.org/

Dublin, Irlanda

Plataforma de dados abertos Dublinked Mais de 200 conjuntos de dados

Alguns dados em tempo real como posies dos nibus, monitoramento da cidade e de estaes de aluguel de bicicleta.

http://dublinked.ie/

Conjunto de dashboard com diversas informaes sobre a cidade Poluio Trnsito Nvel dos rios Barulho em reas da cidade

http://dublinked.ie/http://dublinked.ie/

Dublin, Irlanda

http://www.dublindashboard.ie/

http://www.dublindashboard.ie/http://www.dublindashboard.ie/

Outras Cidades

Manchester, Inglaterra Engajar a populao na tomada de decises da cidade Aumentar a quantidade de empregos atravs da educao

Criar servios digitais inovadores para a populao atravs de uma moderna infraestrutura tecnolgica

Prdios Inteligentes

Thessalonica, Grcia Redes sem fio Espaos urbanos inteligentes Servios digitais para facilitar a vida dos cidados

Outras Cidades

Seattle, Estados Unidos Portal de dados abertos - https://data.seattle.gov Incentivos ao uso de carros eltricos

Utilizao de um CRM (Customer Relationship Management) para atendimento ao cidado

Masdar, Emirados rabes Unidos Bairro da cidade de Abu Dhabi Construido pela empresa Mubdala para testes de Cidades Inteligentes Energticas renovveis Uso consciente de gua Reduo da quantidade de lixo gerado

https://data.seattle.gov

Outras Cidades - Brasil

Bzios Rede de energia inteligente (SmartGrid) Prdios Inteligentes Melhoria e testes no sistema de comunicao (Redes Mesh e PLC)

So Paulo Monitorao dos nibus e disponibilizao aberta dos dados Portal de Dados Abertos (http://dados.prefeitura.sp.gov.br) Dados georreferenciados (http://geosampa.prefeitura.sp.gov.br) Incentivo ao uso de transporte pblico e de bicicletas

http://dados.prefeitura.sp.gov.brhttp://geosampa.prefeitura.sp.gov.br

Atividade 1

Analise as aplicaes a seguir e indique quais tecnologias so necessrias para sua implementao

Monitoramento dos equipamentos pblicos da cidade (semforos, placas, pontos de nibus, iluminao pblica)

Acompanhamento em tempo real da posio dos nibus na cidade

Processamento dos dados do transporte pblico para descobrir linhas com maiores atrasos, maior demanda e sub-utilizadas

Processamento de dados de redes sociais para descobrir possveis problemas de segurana na cidade

Parte 2: Plataformas de Software: Exemplos e Requisitos

Plataformas de Cidades

Inteligentes

Plataformas de Cidades Inteligentes

A maneira mais racional para o desenvolvimento de Cidades Inteligente a utilizao de plataformas de software

Facilitam o desenvolvimento, implantao e integrao das aplicaes

Diversos projetos cientficos e comerciais

OpenIoT

Projeto Europeu com participao de diversas universidades

O OpenIoT uma plataforma de cdigo aberto para o controle de ambientes de Internet das Coisas

Utilizado em projetos de Cidades Inteligentes em Londres, Turim e Madrid

Possibilita a criao de aplicaes na prpria plataforma

OpenIoT

SmartSantander

Projeto de vrias empresas e universidades Europeias

Universidad de Cantabria, University of Surrey, Telefonica, Alcatel

Utilizado em Santander na Espanha

Testbed para o teste de aplicaes e servios de Cidades Inteligentes

Gerencia e coleta dados de uma rede de mais de 20 mil sensores

SmartSantander

CiDAP Plataforma implantada sobre o SmartSantander

Objetivo de processar todos os dados coletados pelo SmartSantander

Utiliza vrias ferramentas de BigData

Plataforma escalvel e elastica

Processamento de dados histricos e em tempo real

CiDAP

Arquitetura Baseada em Computao em Nuvem e Big Data para Cidades Inteligentes

Projeto Ingls - University of West England

Objetivo de analisar os dados coletados de uma cidade

Implementao experimental da plataforma utilizando apenas ferramentas de cdigo aberto

Spark para processamento

Cassandra para armazenamento

RapidMiner para visualizao

Arquitetura Baseada em Computao em Nuvem e Big Data para Cidades Inteligentes

Concinnity Projeto Ingls - Imperial College London

Objetivo de facilitar a construo de aplicaes utilizando dados de sensores, contribuio coletiva e compartilhamento de dados e servios

Interfaces e servios de acesso aos dados dos sensores

Ferramenta para a construo de WorkFlows

Estudo de caso com os dados de 140 sensores na cidade de Londres

Concinnity

ClouT CEA-Leti Research Institute (Frana) e National Institute

of Information and Communication (Japo)

Integrar a Computao em Nuvem e a Internet das Coisas para possibilitar a criao de cidades inteligentes explorando mltiplas fontes de dados

Foco na coleta, integrao, armazenamento e processamento dos dados da cidade

Servios em um ambiente de Computao em Nuvem

ClouT

ClouT Exemplos de aplicaes esto sendo desenvolvidas com

a plataforma ClouT :

Em Fujiwasa, sistema para alertas de tsunamis analisando dados

ambientais capturados por sensores e postados por cidados em redes sociais.

Em Gnova, na Itlia, j existe uma aplicao que gerencia e coleta

dados de uma rede de sensores implantada na cidade, tambm com o

objetivo de alertar a populao sobre riscos ambientais (http://www.iononrischioclout.comune.genova.it)

http://www.iononrischioclout.comune.genova.ithttp://www.iononrischioclout.comune.genova.ithttp://www.iononrischioclout.comune.genova.it

Arquitetura para Coleta de Fluxos de Dados em Tempo Real

Johannes Kepler University Linz - Austria

Processar fluxos de dados em tempo real na Nuvem

Modelo semntico baseado em ontologias

Ferramentas de Big Data para o processamento paralelo e distribudo de grandes fluxos de dados

Apache Storm utilizado em uma implementao experimental

Arquitetura para Coleta de Fluxos de Dados em Tempo Real

Outros Projetos

Padova Smart City Plataforma baseada na Internet das Coisas Mais de 300 sensores instalados na cidade Coleta dados ambientais e monitora a infraestrutura da cidade

Destaca o uso de protocolos comuns para garantir a interoperabilidade na plataforma

Gambas Middleware para o desenvolvimento de aplicaes para Cidades

Inteligentes Aquisio, distribuio e integrao dos dados da cidade Sensibilidade a contexto e segurana Aplicao para estimar nmero de usurios dos nibus

Outros Projetos

Scallop4SC Ferramentas de Big Data (Hadoop) para processar um grande volume de

dados coletados de Prdios Inteligentes

Dados como consumo de gua e energia eltrica, temperatura, umidade do ar e a quantidade de lixo gerado

Periodicamente, os prdios enviam os dados para a plataforma

European Platform for Intelligent Cities - EPIC Middleware IoT para facilitar o uso e gerenciamento de uma redes de

sensores em uma Cidade Inteligente

Interoperabilidade, heterogeneidade, escalabilidade, extensibilidade e configurabilidade

Chegada de novos moradores e monitoramento de prdios pblicos

Requisitos Funcionais e No

Funcionais

Requisitos Funcionais e No Funcionais

A partir das Plataformas apresentadas possvel identificar os principais requisitos que devem ser considerados

Requisitos funcionais

Requisitos no-funcionais

Requisitos Funcionais

Objetivo de facilitar o desenvolvimento das aplicaes e controlar os dispositivos da cidade

Gesto dos dados Ambiente para execuo de aplicaes Gerncia da rede de sensores da cidade Processamento dos dados Acesso aos dados Gerenciamento de servios Ferramentas de Engenharia de Software Definio de modelos da cidade

Gesto dos Dados Uma plataforma manipula uma quantidade enorme de

dados Ciclo de vida dos dados:

Coleta Armazenamento Anlise Visualizao

Ferramentas Bancos de dados relacionais e NoSQL

Ferramentas de Big Data para processamento dos dados, como Hadoop, Spark e Storm

Geradores de relatrios para visualizao de resultados

Ambiente para Execuo de Aplicaes

Suporte para a execuo de aplicaes da cidade

Facilitar a implantao integrao entre as aplicaes.

Ambiente para a implantao de servios e aplicaes

Servio para a execuo de aplicaes desenvolvidas com ferramentas da prpria plataforma

Gerncia da Rede de Sensores

Necessidade de gerenciar os dispositivos instalados na cidade

Rede pode ser complexa e grande, como em Santander (uma cidade mdia) com 20 mil sensores

Em grandes cidades como So Paulo e Rio de Janeiro provavelmente existiro milhares ou at milhes de dispositivos

Gerncia da Rede de Sensores

Algumas atividades que a plataforma deve controlar so: Adio e Remoo de dispositivos

Monitoramento

Coleta dos dados

Alm de Santander, Amsterd, Barcelona, Dublin, Padua e Chicago tambm possuem uma rede de dispositivos de tamanho razovel

Processamento dos Dados

Diversas anlises dos dados podem ser realizados na plataforma

Realizar processamento na plataforma Aplicaes podem ser executadas em dispositivos com

pouco poder de processamento e podem no ter permisso de utilizar todos os dados da cidade

Diversos tipos de ferramentas Mquinas de inferncias Processadores de Workflows Ferramentas de BigData

Processamento de dados histricos ou em tempo real

Acesso aos Dados

Toda plataforma deve possuir uma interface para permitir o acesso externo aos dados da cidade

Utilizado por servios, aplicaes ou outras plataformas

Vrias formas de implementar esse requisito: Portais de transparncia e de dados abertos APIs que podem ser acessadas pela Internet Servios de publicao/assinatura

Gerenciamento de Servios

Muitas plataformas utilizam a Arquitetura Orientada a Servios para oferecer suas funcionalidades

Exemplos de servios: Acesso aos dados coletados pelos sensores e dados processados

Componentes para o processamento de dados como mquinas de inferncia e algoritmos de aprendizado de mquina

Componentes para a execuo de WorkFlows Servios de gerencia de usurios da plataforma

Implantao de novos servios na plataforma Criao de novos servios atravs de composio e

orquestrao

Ferramentas para o Desenvolvimento de Software:

Principal objetivo das plataformas facilitar o desenvolvimentos de aplicaes para a cidade

Algumas plataformas disponibilizam ferramentas prprias Ferramentas visuais para descrever aplicaes utilizando

fontes de dados e servios disponibilizados na plataforma Ferramentas para a criao de WorkFlows Geradores de relatrios e ferramentas de anlise de

dados

Definio de um Modelo da Cidade

Modelos que descrevem a cidade Aspectos estticos da cidade

Mapa da cidade Localizao das ruas e equipamentos pblicos

Aspectos dinmicos da cidade Fluxo de veculos Zonas de congestionamento em diferentes horas do dia e dias

Variao na utilizao dos servios de sade da cidade ao longo do progresso de epidemias de diferentes doenas infecciosas.

Definio de um Modelo da Cidade

Facilitam o entendimento do funcionamento da cidade Possibilitam a anlise automtica dos dados atravs de

algoritmos de aprendizado de mquina Algumas plataformas utilizam modelos para permitir as

consultas aos dados da cidade Outras para facilitar a definio das aplicaes e servios

da cidade WorkFlows e BPMN

Requisitos No Funcionais

Maior parte dos requisitos no funcionais relacionados a sistemas distribuidos de larga escala Interoperabilidade Escalabilidade Elasticidade Adaptabilidade Configurabilidade

Outros relacionados a segurana e privacidade dos cidados

Sensibilidade ao contexto

Interoperabilidade

Diferentes dispositivos, sistemas, aplicaes e plataformas

Todos esses componentes devem operar de uma maneira integrada

Exemplos: Sensores de mltiplos fabricantes

Sistemas implementados em diferentes linguagens de programao e em diferentes sistemas operacionais

Plataformas que compartilham dados e usurios

Sistemas legados que devem se comunicar com as novas aplicaes da cidade

Interoperabilidade

Solues:

Interfaces padronizadas

Aplicao de web semntica para integrao dos componentes da plataforma

Servios de nomes e de descoberta de recursos baseados em ontologias

Escalabilidade

Grande quantidade de usurios, dados, aplicaes e servios

Tendencia de crescimento Integrao de mais servios Aumento da populao

Vrias requisitos funcionais devem ser escalveis: Gerenciamento da rede de sensores Gerenciamento dos dados Gerenciamento dos servios

Qualidade de servio mantida mesmo com o crescimento do uso da plataforma

Elasticidade

Demanda pode variar durante o dia, poca do ano, novos servios ou com o crescimento da cidade

Exemplos: A demanda de servios de trnsito muito mais alta nos horrios de

picos

Um grande evente pode adicionar milhares de turistas a servios da plataforma

Um novo servio de transporte pblico que consiga atingir grande parte da populao

Infraestrutura deve ser redimensionada dinmicamente Evitar a falta e o desperdcio de recursos

Segurana

Uso fraudulento dos servios e dados disponibilizados pela plataforma

Mecanismos especficos de segurana: Controle de acesso Criptografia Autenticao

Proteo dos dados da plataforma, da infraestrutura e das aplicaes da cidade

Privacidade

Manipulao de diversos dados crticos Localizao, atividades e hbitos dirios de cidados Registros mdicos Segredos comerciais

Garantir a privacidade sem que aplicaes e servios sejam afetados um desafio

Tcnicas utilizadas: Criptografia Anonimizao dos dados Utilizao de dispositivos de segurana para acesso a plataforma

Sensibilidade ao Contexto

Situao da cidade e dos cidados muda constantemente Aplicaes podem apresentar melhores resultados

usando informaes contextuais. Exemplos de informaes:

Cidados: localizao, a atividade sendo realizada e a linguagem do dispositivo de acesso

Cidade: condies de trafego, clima e qualidade do ar

Exemplos de aplicaes Mostrar a aplicao em uma lngua diferente para turistas Mudar a rota para evitar reas congestionadas ou poludas Recomendar o modo de transporte dependendo da previso do tempo

Adaptabilidade

Adaptar o comportamento de diferentes formas, em diferentes dimenses, baseado no contexto dos usurios ou da cidade

Alguns dos objetivos desse requisito so: Aumentar a tolerncia a falhas

Utilizar um servidor mais prximo a um usurio para atender sua requisio

Decidir se um processamento ser em tempo real ou em lote Adaptar dados de diferentes fontes para uma representao comum

Configurabilidade

Grande quantidade de configuraes e parmetros Funcionamento a diferentes contextos em tempo de

execuo Exemplos:

Limiares de poluio e congestionamento Prioridade de um servio

A plataforma deve permitir a (re)configurao de diversas variveis da plataforma.

Portal para centralizar as configuraes da plataforma Auto-Configurao

Atividade 2

Analise a arquitetura das plataformas apresentadas anteriormente e relacione os requisitos funcionais e no funcionais aos componentes da plataforma

Parte 3: Arquitetura de Referncia, Desafios, Implicaes e Concluses

Arquitetura de Referncia

Arquitetura de Referncia

A partir dos requisitos apresentados, derivamos uma arquitetura de referncia

Principal objetivo facilitar a compreenso, implementao e a integrao de servios e aplicaes para cidades inteligentes

Arquiteturade Referncia

Nuvem e Infraestrutura de Rede

Comunicao entre a plataforma e os dispositivos espalhados pela cidade

Hospedagem dos servios Possibilitar a integrao fsica de todos os dispositivos

que esto conectados plataforma Servidores, sensores, atuadores e dispositivos de usurios

Computao em Nuvem com suporte a diversos requisitos no-funcionais escalabilidade, elasticidade e extensibilidade.

Middleware de IoT

Responsvel por gerenciar os dispositivos instalados na cidade Deve permitir a adio e remoo lgica dos dispositivos

Coletar os dados

Garantir a confiabilidade e segurana dos dados

Existem alguns sistemas j desenvolvidos como o Sentilo e o X-GSN, utilizado pelo OpenIoT

Middleware de Servios

Gerencia os servios que a plataforma ir disponibilizar para as aplicaes

Funcionalidades: Implantao Publicao Descoberta Monitorao Composio e Orquestrao

Gateway de Rede Social

Redes Sociais tero um papel importante em Cidades Inteligentes

Coletar dados sobre as condies da cidade a partir de atualizaes de cidados

Canal eficiente de comunicao entre a plataforma, os administradores da cidade e a populao

Gesto de Big Data

Gerencia todos os dados da plataforma Diversos componentes para:

Armazenar dados Processar os dados Visualizar os dados Limpar os dados

Diversas ferramentas podem ser utilizadas: Bancos de dados relacionais Bancos de dados NoSQL Ferramentas de Big Data como Spark, Hadoop e Storm Ferramentas de aprendizado de mquina como Weka e SciKit-Learn

Gesto de Big Data

Gesto de Usurios

Deve armazenar alguns dados dos usurios da plataforma

Objetivo de oferecer melhores servios e aplicaes de forma personalizada

Sensibilidade ao Contexto

Mecanismos de autenticao como o Single Sign-On

Deve garantir a privacidade do usurio

Kit de Desenvolvimento de Software

Uma plataforma deve facilitar o desenvolvimento de aplicaes para a cidade

Software Development Kit (SDK)

Bibliotecas de componentes

Ambientes Integrados de Desenvolvimento (IDE)

Arcabouos OO

Simuladores

Requisitos no funcionais

Todos os componentes da plataforma devem considerar diversos requisitos no funcionais Escalabilidade: grande quantidade de dados, dispositivos, usurios e

servios

Privacidade e Segurana: coleta, armazenamento e processamento de

dados sensveis dos cidados, empresas, ONGs e da administrao da cidade

Interoperabilidade: operao integrada de diferentes tipos de servios, dispositivos e aplicaes

Elasticidade: redimensionamento da infraestrutura para evitar a falta ou desperdcio de recursos

Desafios Cientficos e Tecnolgicos

Desafios Cientficos e Tecnolgicos

Diversos desafios ainda devem ser solucionados para que as Cidades possam se tornar inteligentes

Problemas de segurana e privacidade

Problemas de escalabilidade (dados, servios e dispositivos)

Custos na implantao e manuteno da infraestrutura da cidade

Incentivos participao da sociedade

Bastante relacionados aos requisitos no funcionais

Privacidade

O desafio mais citado por pesquisadores garantir a privacidade dos usurios

As aplicaes e servios sero usadas por cidados, empresas, governos e ONGs

Tambm importante garantir que as pessoas saibam para que seus dados sero utilizados

Segurana

Infraestrutura da cidade deve ser segura Ataques aos sistemas Vandalismo infraestrutura fsica

No futuro, o cidado ficar dependente dos servios Exemplos de ataques:

Ataque infraestrutura de hardware, alterando os valores de sensores Ataques de negao de servio

Ciberterrorismo e cibervandalismo

Gesto dos Dados

Cidades Inteligente manipulam um grande volume de dados

Desafios: Quantidade de dados armazenados Processamento de grandes volumes de dados Definio de modelos teis e eficientes Garantir a confiana na origem dos dados

Necessrio garantir diversos requisitos no funcionais, como Escalabilidade, Elasticidade e Privacidade

Escalabilidade

Todos os componentes de uma cidade inteligente devem ser escalveis

Atender o crescimento da demanda por servios e dados da cidade

Acontecimentos inesperados: Grandes eventos Acidentes Desastres naturais

Quantidade de dados deve aumentar constantemente Implantao de mais dispositivos, criao de novos servios e aumento

populacional

Heterogeneidade

Interoperabilidade entre a infraestrutura, aplicaes e plataformas

Necessrio lidar com a grande heterogeneidade dos componentes de hardware e software que compem o ambiente de uma cidade inteligente.

Exemplos: Instalao de mltiplos sensores e atuadores de diferentes fabricantes Diferentes protocolos Diferentes tipos de semforos que j esto instalados nas cidades Aplicaes legadas da cidade

Implantao e Manuteno da Infraestrutura

Investimentos para a implantao da infraestrutura necessria Rede de sensores e atuadores Melhoria das redes sem fio Integrao entre os diferentes sistemas da cidade

Coleta de dados da infraestrutura j existente como pontos de nibus e semforos

Necessrio tambm fazer a manuteno de todos esses componentes

Isso ser especialmente desafiador devido grande quantidade de dispositivos instalados

Custos

Problema para a implantao de uma infraestrutura de cidades inteligentes

Aquisio e instalao de todos os dispositivos Sensores e atuadores Servidores Equipamentos de comunicao

Desenvolvimento do software Contratao de equipes para manuteno e

gerenciamento Adaptao s mudanas nos processos da cidade.

Colaborao

Incentivar a populao a utilizar os servios que sero disponibilizados na cidade

Compartilhar dados e informaes sobre esse uso

Dependncia do engajamento da populao

Relao de benefcio mtuo Quando usurios contribuem, compartilham e usam dados da cidade

Colaborao

Sistema MITOS na plataforma SmartSantander Elementos e mecanismos de jogos (gamificao)

Premiaes para usurios que realizam uma ou um conjunto de tarefas Que mais utilizou o transporte pblico em um ms Que utilizou um determinado nmero de nibus em um dia

Implicaes

Implicaes

para diversos agentes envolvidos nos processos da cidade:

Cidados Prefeitos Vereadores Desenvolvedores Administradores de sistemas Empreendedores Cientistas

Concluses

Concluses

Necessidade de tornar as cidades mais inteligentes Principais benefcios:

Otimizao da infraestrutura e servios da cidade Uso mais sustentvel dos recursos Melhoria da qualidade de vida da populao

Diversas iniciativas de cidades inteligentes ao redor do mundo Santader, Amsterd, Barcelona

Porm, em 2016, nenhuma cidade ainda possui uma infraestrutura completa de hardware e software

Concluses

Grande quantidade de desafios tcnicos e de pesquisa que precisam ser melhor explorados Privacidade dos dados dos usurios

Segurana para tornar a infraestrutura e os sistemas da cidade a prova de usurios mal-intencionados

Escalabilidade na comunicao, armazenamento e processamento de dados

Altos custos ainda proibitivos em muitos casos Arquitetura de Software para Cidades Inteligentes Engenharia de Software para Cidades Inteligentes Protocolos, algoritmos, ferramentas

Concluses

Esperamos que a comunidade cientfica, trabalhando conjuntamente com nossos empreendedores, governantes e

a populao, possam desenvolver solues criativas e eficazes para os desafios elencados acima de forma a atingir

o objetivo essencial das cidades inteligentes: contribuir para a melhoria da qualidade de vida

de todos os habitantes das cidades

Atividade 3

Proponha uma aplicao inovadora para Cidades Inteligentes

Descreva como essa aplicao ajudaria a vida ou a gesto da cidade

Ela seria mantida por uma startup, ONG ou o poder pblico?

Quais as tecnologias necessrias para o desenvolvimento da aplicao?

INCT

Internet do Futuro Aplicada a Cidades Inteligentes

48 pesquisadores de 9 universidades Liderado pelo IME-USP

Vagas para alunos de IC, ME, DO e Ps-Doutorado

Obrigado!

ccsl.ime.usp.brFotos: Nelson Kon

Fabio Konfabio.kon@ime.usp.br

Eduardo F. Z. Santanaefzambom@ime.usp.br

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