Фахівцями кафедри Інноваційних технологій дизайну архітектурного середовища Навчально-наукового інституту Архітектури, дизайну та образотворчого мистецтва Харківського національного університету міського господарства імені О. М. Бекетова, розробляється «Програмний комплекс моделювання міста як динамічної системи».
Програмний комплекс відноситься до цифрового інструментарію управління великими масивами даних (BIG DATE) і є складовою частиною впровадження принципів SMART CITY в містах України.
Заплановані результати дослідження: створення технічного завдання для написання програмного продукту.
Відповідальні особи: д.арх., проф., зав. каф. ІТуДАС Оксана Фоменко, д.арх., доц. Сергій Данилов, канд.арх., доц. Андрій Ізбаш.
Програмний комплекс моделювання міста як динамічної системи (Complex)
Метою програмного комплексу є забезпечення інформаційної підтримки процесів прийняття стратегічних рішень для оптимізації принципів функціонування архітектурної складової міста. Програмний комплекс моделює позитивну та негативну динаміку переходу міста, його підсистем та окремих елементів зі стану стабільності до кризового та можливого передкатастрофічного стану. Комплекс відноситься до великих систем управління даними (Data Science) як складової технічної підтримки SMART CITY.
До завдань розробленого комплексу належать: моніторинг і прогнозування функціонування міста як динамічної системи; виявлення показників стабільності, криз і передкатастрофічного стану міста як системи; виявлення агентів змін (елементів міської системи, здатних значно підвищити ефективність її функціонування при мінімальних витратах соціальних, природних і техногенних ресурсів); прогноз ресурсних витрат, необхідний для позитивних змін принципів функціонування міста.
Ідеологія побудови програмного комплексу базується на ідеї існування трьох основних підсистем міста: соціальна - жителі міста, які мають певний набір потреб, що необхідно задовольнити; техносфера - сукупність артефактів, створених суспільством для задоволення його потреб; Екосфера - це середовище, яке забезпечує ресурсами і переробляє відходи, що виникають в процесі задоволення потреб суспільства. Кожна з цих підсистем має свої ієрархічні дерева.
Соціальна складова міста задовольняє свої потреби за рахунок соціальних, техносферних та екосферних ресурсів, при цьому виникають відповідні динамічні процеси. Взаємний вплив цих процесів в системі міста визначає параметри її функціонування. Моделювання швидкості та прискорення цих процесів дає можливість діагностувати та прогнозувати можливий перехід системи функціонування міста від сталого стану до кризового (негативна динаміка) та у зворотному напрямку (позитивна динаміка). Такий підхід дає можливість виявити причинно-наслідкові зв'язки між основними підсистемами міста та його архітектурною складовою.
Суттєвою відмінністю розробленого програмного комплексу від існуючих аналогів є спроба координатно прив’язати динамічні процеси функціонування міської системи до її архітектурної складової. Це дає можливість локалізувати багато значущих процесів, що відбуваються в тканині міста і виявити їх важливі складові елементи.
Методологічною основою розробки програмного комплексу є методи системної динаміки. Згідно з цими методами, сукупність і взаємний вплив всіх динамічних процесів в міській системі, їх сила, швидкість і прискорення визначає параметри її функціонування. Програмний комплекс складається з двох ієрархічно пов'язаних, але автономно організованих модулів: 1) Когнітивно-дослідницька матриця для виявлення та аналізу проблем міста як динамічної системи (Матриця). 2) Інформаційно-накопичувальна інтерактивна модель (Model).
Когнітивно-дослідницька матриця виявлення та аналізу проблем міста як динамічної системи (Матриця)
Когнітивно-дослідницька матриця - це програмний продукт, складений на основі наступних методів: багатовимірні матриці; таблична параметризація; статистичний аналіз; когнітивна наука і системна динаміка.
Метою Матриці є створення когнітивної карти уявлень про місто як динамічну систему, її підсистеми та елементи; виявлення когнітивних спотворень уявлень про місто; створення та корекція групових, міждисциплінарних когнітивних карт; виявлення необхідних профілів експертів для формування мультидисциплінарних дослідницьких груп; формування «інформаційних кластерів», що описують принципи функціонування міських об'єктів як динамічної системи та встановлення параметричних зв'язків між ними; формування бази даних, яка є основою для функціонування другої частини програмного комплексу – «Інформаційно-накопичувальна інтерактивна модель міста як динамічна система».
Результатом роботи з Матрицею є формування параметрично пов'язаних «Інформаційних кластерів» (Cluster). Кожен кластер складається з відповідних інформаційних пакетів. Інформаційні пакети описують аспекти функціонування окремих елементів і систем архітектурних об'єктів або фрагментів міського середовища. Кожен пакет містить параметрично пов'язані дані, що стосуються соціальної, техногенної та екологічної складових описуваного об'єкта, його життєвих потреб і процесів задоволення цих потреб.
Кластер представлено у вигляді табличного шаблону відповідно до методу багатовимірних матриць і методу табличної параметризації. Це означає, що в структурі таблиці кожна клітинка є вкладеним морфологічним ящиком і може бути розгорнута в нову таблицю, що описує об'єкт дослідження на більш низькому рівні ієрархічних відносин. Науковий і практичний інтерес розробленого підходу полягає в спробі об'єднати вербальну і статистичну інформацію в єдиний «Інформаційний кластер».
Параметричні зв'язки всередині кластерів і між ними встановлюються за рахунок рухомих елементів, що входять до його складу. До таких елементів можна віднести динаміку соціальних процесів; фінансові потоки; комунальні системи життєзабезпечення; забруднення навколишнього середовища і так далі. У своїй сукупності «Інформаційні кластери» створюють масив даних (BigDate), який дозволяє створити інтерактивну модель (Model), що відтворює динамічні процеси функціонування як підсистеми «архітектура», так і системи міста в цілому.
Вербальна інформація, що включена в «Інформаційний блок», є спробою пристосувати до дослідження методи когнітивної науки. Ця частина блоку формується експертом, що працює з матрицею, і полягає в словесному описі можливих аспектів і проблем функціонування об'єкта дослідження (будівлі). Опис цих аспектів здійснюється в довільній формі на основі трійок ключових слів, що генеруються матрицею.
На основі технологій автоматизації контент аналізу вербальна інформація, прив'язується до кожного «Інформаційного кластера», що дозволяє здійснювати тематичні добірки інформаційних пакетів і кластерів, створюючи параметрично пов'язані між собою інформаційні масиви. Надалі створені інформаційні масиви здатні надавати детальні статистичні та пізнавальні карти груп процесів, особливостей функціонування міських систем або їх фрагментів. Важливою особливістю розробленого підходу є можливість проведення масштабованих досліджень, а масштабування даних може здійснюватися як за географічними групами ознак, так і за групами процесів.
«Інформаційно-накопичувальна інтерактивна модель міста як динамічна система» («Модель»)
Модель відповідає за виявлення прихованих взаємозв'язків та закономірностей, які впливають на процеси розвитку та функціонування міста як динамічної системи. Він містить великі набори даних (BIG DATA), що складаються з описаних вище «інформаційних кластерів». Сукупність даних, накопичених та об'єднаних Моделлю, відображає загальну динаміку функціонування міста як системи.
Структуризація інформації в інформаційно-накопичувальній моделі відбувається за трьома основними напрямками: територіальна прив'язка (координати в ГІС і кластеризація даних за географічною ознакою); належністю до основних підсистем міста (Екосфера, Техносфера, Населення), ієрархічною залежністю «Інформаційних блоків». Встановлені таким чином зв'язки, в свою чергу, дозволяють моделювати реакцію системи на зміни параметрів функціонування окремих її елементів і підсистем, локалізувати і контролювати динаміку процесів, що відбуваються в місті, виявляти показники «стійкості», «криз» і «катастроф» як факторів, що впливають на процеси функціонування міста.
Характер завдань, що вирішуються за допомогою «Інформаційно-накопичувальної інтерактивної моделі міста як динамічної системи»:
- збір і зберігання великих обсягів даних про місто;
- діагностика та прогнозування стану міста як динамічної системи, моніторинг переходів міської системи та її підсистем від стійкості до кризи та можливої катастрофи;
- на основі складених «симптомокомплексів» автоматичного формування індикаторів «Стабільності», «Криз» і «Катастроф», як показників, що вказують на позитивну або негативну динаміку розвитку міста. Ці індикатори є засобом моніторингу переходу міської системи зі стану стійкості до стану криз (негативна динаміка) та у зворотному напрямку (позитивна динаміка);
- автоматична генерація "Вузлів проблем" на основі виявлених показників. «Вузли проблем» - це протиріччя в принципах функціонування окремих елементів і підсистем міста між собою, в результаті чого відбувається наростання і накопичення міською системою помилок, потенційно здатних привести до кризи або катастрофи. Кожен виявлений і сформований вузол проблеми неявно містить інформацію про точки прикладання зусиль по його виправленню;
- виявлення «Агентів змін», які дозволяють коригувати динамічні процеси функціонування міста без втрати його накопичених позитивних властивостей;
- прогнозування витрат ресурсів, необхідних для корекції негативних динамічних процесів;
Розроблений модельний комплекс дозволяє:
- інтерактивно моделювати поведінку міської системи в умовах постійної зміни даних;
- прогнозувати напрямки, потенційно небезпечні для стабільного функціонування міської системи. Завдяки цьому визначити терміновість та важливість прийняття необхідних рішень, виявити загрозу системних помилок, які можуть критично вплинути на ситуацію в місті;
- проаналізувати реакцію міської системи на заплановані заходи щодо оптимізації процесів її функціонування та створити прогностичні карти цих реакцій, виявити причинно-наслідкові зв'язки та ієрархічну структуру описуваних процесів, оцінити силу їх впливу на міську систему;
- виявити послідовність і актуальність заходів, здатних спровокувати міську систему на позитивні зміни без втрати накопичених нею позитивних якостей.
Розроблений «Програмний комплекс моделювання міста як динамічної системи» є програмним продуктом, в ідеологію якого закладено декілька стратегій розвитку, серед них:
1. Стратегія досягнення цілей сталого розвитку. Даний продукт орієнтований на автоматизоване виявлення індикаторів стійкості, криз і передкатастрофічного стану міста як динамічної системи. При цьому в Комплекс принципово входить можливість додавання таких індикаторів у ручному режимі. Потенційно комплекс здатний ідентифікувати «Агентів змін» (AЗ). АЗ - це елементи або групи елементів, зміна параметрів функціонування яких може привести до позитивної трансформації міської системи при відносно мінімальних витратах ресурсів. Можливість отримання в режимі реального часу прогнозних карт змін динаміки функціонування міста та його підсистем дозволяє обирати оптимальні варіанти позитивних змін.
2. Науково-дослідницька стратегія. Методологія, яка розроблена для реалізації «Когнітивно-дослідницької матриці виявлення та аналізу проблем міста як динамічної системи», показала свій високий дослідницький потенціал. Навіть за відсутності відповідного програмного забезпечення, в процесі проведення експериментів з виявлення проблем і перспектив реконструкції застарілих житлових кварталів, ми отримали унікальні дані. Результати дослідження викладені у відповідних статтях. Реалізація цього проекту може стати основою для розвитку потужної архітектурно-урбаністичної школи в Україні та допомогти у розробці стратегій відновлення міст, які постраждали від російської агресії.
3. Стратегія співпраці. Реалізація даного проекту може дати результати, що представляють потенційний інтерес для міських громад України та Європи, міських адміністрацій, університетів та дослідницьких організацій. Спрямованість продукту на досягнення цілей сталого розвитку дозволяє висловити надію, що завдяки цій програмі вдасться вийти на більш високий рівень уявлень про постіндустріальне місто як систему, що працює в умовах гострого дефіциту ресурсів. Донелла Х. Медоуз у своїх працях «Межі зростання» дала кілька сценаріїв розвитку нашої цивілізації. На нашу думку, загальна карта криз, які переживає Україна», нагадує деякі варіанти, з якими може зіткнутися Європа через кілька років. Саме тому для нас дуже важливо в активній взаємодії з науковцями та практиками Європи вивчити проблеми, що виникли перед містами України, розробити стратегії їх вирішення та почати реалізовувати ці стратегії на практиці.
