Smart Cities: Concepts, Platforms, and Challenges

of 132 /132
Cidades Inteligentes: Conceitos, plataformas e desafios JAI'2016 - CSBC Prof. Fabio Kon Eduardo Felipe Zambom Santana Departamento de Ciência da Computação IME-USP

Embed Size (px)

Transcript of Smart Cities: Concepts, Platforms, and Challenges

  • 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 [email protected]

    Eduardo F. Z. [email protected]

    mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]