Живые и умные города в европейской экономике знаний в эпоху цифровых близнецов

Фотопроект Ивана Михайлова «Следы внеземных цивилизаций»

Я намеренно придумал такое название, ибо хотел попробовать доступно объяснить, что же такое – «умные города», читателю, малознакомому с техническими подробностями; поэтому смешал четыре принятых понятия и их названия. Мне казалось, что будет правильным объяснить, почему эти понятия появились и как возникла часть про «живые города», концепцию которых я считаю первоначальной для «умных городов». «Умные города» уже стали столицами «цифровой экономики», так они лидируют в развитии всех стран и так возник третий термин и связанные с ним понятия, который в Европе все больше приобретает новое название – «экономика знаний». Слово «умный» (или smart) в какой-то мере уже сегодня можно рассматривать как не самое удачное (города и раньше не были «глупыми»). Так возникло еще одно понятие – «цифровой близнец» (digital twins) – отражающее суть сегодняшнего состояния технологий и новой онтологии как городов, так и экономики. Сегодня и завтра эти инновации во многом будут определять развитие Европы и мира.

Эти концепции реализуются через технологии, имеют признанные европейские корни и являются развивающейся опорой ЕС, базирующейся на университетах, промышленности и открытости в европейских проектах, служат локомотивом строительства экономики знаний, отвечают на вызовы и проблемы времени.

Человечество давно живет в городах, но веками города были скорее местом централизации власти, силы и богатства, нежели местом жизни наций. В конце XX и начале XXI века ситуация резко изменилась, и ныне уже бо́льшая часть человечества (более 50%) переехала в города. Эти показатели гораздо выше, если брать отдельные страны, и могут превышать 90% от численности населения. В России этот показатель уже давно перевалил за 70 процентов, и он, как и во всем мире, продолжает расти.

Наша планета меняется быстрее, чем когда-либо в истории человечества. Потребовалось 200 тысяч лет человеческой эволюции, чтобы к 1800-м годам население достигло одного миллиарда; за 200 лет, прошедших с тех пор, мы увидели семикратный рост жителей планеты, к 2050 году ожидается увеличение численности населения до десяти млрд. человек. С таким ростом населения связана взрывная урбанизация: в 1800 году лишь 3% населения мира жили в городских условиях, а к 2050 году уже 70% станут городскими жителями. Известно, что мегаполисы были определены как населенные пункты с количеством жителей более 10 миллионов человек. В 1950 году был только один город-мегаполис (Нью-Йорк), а сегодня их число приближается к 50, как в промышленно развитых, так и в развивающихся странах. Самый большой рост мегаполисов сегодня происходит в Китае, а завтра – в Индии и Нигерии. Таким образом, в умных мегаполисах условия оказались идеальными для цифровой экономики, и сегодня ее бо́льшая часть находится именно в этих городах.

В связи с такой взрывной урбанизацией, мы получили города с неадекватным жильем, с недостаточной инфраструктурой и услугами. Эти города уже не справляются с переполненными транспортными системами, плохим водоснабжением и санитарией, растущим загрязнением и усиливающимися последствиями стихийных бедствий. Появились серьезные вызовы для человечества – такие как резкое изменение климата и новые пандемии.

Все это означает лишь одно: мы быстро исчерпываем жилое пространство поверхности Земли, и это подогревает ненасытные аппетиты, чтобы использовать пространство либо под землей, либо в море, однако вовсе не решает кардинальных проблем городов-мегаполисов.

Таковы последствия столь стремительного переезда человечества в города и, как говорят, такой переезд подобен пожару. Этот процесс затрагивает мегаполисы, в которых живут десятки миллионов человек. Помимо упомянутых заторов на дорогах, роста ранее малозаметных заболеваний, изменений в социальных отношениях, есть и менее известные проблемы (например, возникновение в перенаселенных городах тепловых островов, в которых температура на 10–12 градусов выше, нежели в окружающей среде).

Оказывается, что основная единица города – жилой дом – потребляет слишком много энергии (более 40 процентов от городского энергетического баланса), служит источником загрязнений и крайне дорог в своем содержании. Конечно, в городе есть не только дома, но и дороги, тротуары, площади создавались для перемещений людей и грузов в городах, в конечном счете и к домам. После того как производство автомобилей приобрело массовый характер, и они стали вездесущи, планировки городов в XX веке стали учитывать их применение, а мегаполисы начали преобразовывать города в среду обитания для машин. Но в начале XXI века стало очевидно, что такая автомобильная планировка больших городов увеличивает загрязнения в них и, в конечном счете, является причиной всплеска многих заболеваний. Асфальт, заливающий городские пространства – далеко не идеальный экологический материал. Затраты на здравоохранение в странах с подобным ускоренным развитием довольно возросли резко, и стало ясно, что властям и гражданам нужна новая парадигма развития.

Так возникла новая концепция «живых городов» или городов, развивающихся как места для жизни людей, а вовсе не для автомобилей или индустрий. Новая парадигма подразумевала всемерное использование общественного транспорта, введение жестких требований на топливо, использование экологически правильных материалов для строительства, переработку мусора, всемерное озеленение, замену, где это возможно, сплошного асфальта на брусчатку, чтобы дать возможность осадкам проникать в почву и хотя бы в некоторой мере восстановить природный порядок в городах. Зеленые насаждения оказались первым уровнем защиты горожан от загрязнений, пыли и шума. Разумное применение деревьев, газонов начало поощряться на улицах, набережных и, конечно, в парках.

Дома, как основная единица города, также должны были измениться и стать способными снизить потребление энергии и уменьшить выбросы. Добиться этого удалось путем превращения обычного жилого дома в «умный, энергосберегающий». То есть от простых задач оптимального управления энергопотреблением (т.е. выключать свет, где он не нужен в настоящее время, или минимизировать отопление) эта концепция перешла в активную фазу: сам дом стал источником энергии за счет преобразования солнечного света в электричество и использования энергии земных недр – стоков или метрополитена – через тепловые насосы. Появилась возможность накапливать энергию от непостоянных возобновляемых природных источников. Так начала изменяться базовая единица «умного города» – жилой дом. Однако такой реагирующий на разные изменения дом не может работать, если не будет иметь цифровую систему управления, которая уже управляется не человеком, а принимает решения самостоятельно: что-то включить или выключить, даже когда обитателей нет дома.

Оптимальность и экономичность домов в Европе стала одним из основных столпов политики ЕС. Сегодня европейское здание отвечает в городе за – приблизительно – 36% выбросов CO₂ и 55% потребления электроэнергии. В Европе решили, что нужна сбалансированная система не только пассивного энергосбережения в жилых домах, но и создания в них условий для их активного участия в энергетике. Директивы ЕС поощряют использование инфокоммуникационных и интеллектуальных технологий для обеспечения эффективной эксплуатации зданий и внедрения систем автоматизации и управления зданиями – как альтернативу прежним физическим действиям без обратной связи. К примеру, интеллектуальные технологии продвигаются через требования к установке систем автоматизации и управления зданиями и устройствами, которые регулируют температуру на уровне помещения. Инфокоммуникационные и интеллектуальные технологии экономики знаний имеют большой потенциал для снижения энергопотребления в зданиях до 25-30% от существующих уровней или как декларируют нормативы в Европе, почти до нулевого потребления энергии. Есть уже отдельные большие здания в Европе, которые вообще не потребляют энергии, и их количество растет в рамках развития «умных городов». От домов с почти нулевым потреблением энергии начался переход к таким же районам и городам. Замечу, что именно потребление энергии в жизненном цикле зданий, районов и городов является самой большой статьей расходов, и достижение почти нулевого потребления в городах является наглядным успехом экономики «умных городов».

Конечно, жилой дом – это огромная часть любой экономической модели города, но его развитие и существование погружено также в городскую среду. Так, по образу и подобию «умного дома» и сам город становится «умным» за счет применения цифровых технологий, которые стали работать в режимах, близких к реальному времени, с целью сокращения затрат на общие нужды города. Как и в доме, в городе тоже нужно выключать освещение, когда светло, не поливать улицы когда идет дождь, беречь тепло и т.п. Стоит сказать, что инфраструктура городов уже сегодня представляет самый большой актив человечества. Развитие этой огромной инфраструктуры продолжается быстрыми темпами. Соответственно, развивается и система стандартов «умных городов», в том числе уже и в России. Но даже самые богатые страны не могут сделать более одного процента физических изменений в инфраструктуре города в год. Чтобы двигаться вперед, мир, перешел к быстрому развитию цифровых систем управления или «цифровых двойников», которые базируются на относительно дешевых устройствах интернета вещей (IoT), являющихся, по сути, сенсорами с мобильной связью. Такое устройство позволяет им «рапортовать» в информационные системы и получать обратно управляющие команды, которые выполняются специальным исполнительным устройством, IoT-актуатором[1], выполняющим соответствующие действия (например, включить телевизор, отопление или освещение.) Количество адресов IoT в интернете давно уже превысило количество адресов людей, а сами устройства начали образовывать между собой новый тип локальных сетей – краевые сети. (В таких сетях электрическая розетка может стать центром цифрового управления домом.)

Инфраструктуры – то есть города, дороги, энергетика, водное хозяйство, аэродромы и т.п. – были и будут основой экономики и реальной жизни и работы людей. Их содержание и развитие фактически составляют львиную долю бюджетов как стран, так и городов. Сегодня совершенно немыслимо их развитие без учета цифровых трансформаций и соответствующих самых подробных и точных стандартов. Следуя им, инфраструктуры также становятся «умными» или «цифровыми» – по образу и подобию «умного» дома или города, увеличивая долю цифровой экономики, которая во многих странах уже измеряется десятками процентов от ВВП.

Внедрение таких инноваций фактически трансформирует городской уклад жизни невероятно быстрыми темпами и дает огромные преимущества жителям городов. Однако это сопровождается совершенно новыми цифровыми угрозами и опасностями.

«Умный город» (или Smart Cities) – это набор технологических инноваций и инициатив, с помощью использования датчиков и применения большей возможности подключения мобильной связи для увеличения сбора данных. Основная цель: «умный город» должен улучшить жизнь граждан более эффективным использованием данных, позволив также устойчивее управлять инфраструктурой и услугами, имея в виду парадигмы живого города и возможности цифровых двойников.

Когда говорят об «умных городах», то весьма справедливо имеют в виду крупные мегаполисы. Но и у меньших по размеру городов есть свои плюсы и конкурентные преимущества; принципы «умных городов» действуют вне зависимости от размера.

Наука и техника являются основными агентами сегодняшних изменений и роста. В цифровой экономике новые технологии нарушают существующие бизнес-модели. Некоторые процессы настолько сложны, что вы не можете рисковать неудачей, экспериментируя с новым, потенциально выгодным подходом. Для понимания этого можно использовать старую аналогию – «невозможно поменять колеса в движущемся поезде». Новый дизайн может принести ряд ценных преимуществ, но для того, чтобы понять эти преимущества, в качестве модели можно использовать цифровой двойник. Более того, в очень многих случаях требуются натурные испытания инноваций по самым строгим правилам, но зачастую они могут получиться невероятно дорогими или просто невозможными. Тут также на помощь приходит цифровой двойник, с его помощью ускоряется внедрение новшеств в практику, и происходит резкий рост экономических и социальных показателей.

Цифровой двойник может быть определён как постоянно меняющийся цифровой профиль, содержащий исторические и наиболее актуальные данные о физическом объекте или процессе, что позволяет оптимизировать эффективность бизнеса без физического вмешательства в сложные процессы. Он основан на огромном объёме накопленных данных, полученных в ходе измерений целого ряда показателей объекта в реальном мире. Анализ накопленных данных позволяет получать точную информацию о производительности системы, а также приводить к выводам о необходимости изменений как в производимый продукт, так и в сам процесс производства или управления «умным домом» и «умным городом». Таким образом, за счет четкой обратной связи и всё бо́льшего объективного учета реальной физической жизни экономика «умного города» получает новое развитие и преимущества.

Цифровые двойники в совокупности с другими технологиями не случайно относятся к «подрывным технологиям», т.е. к технологиям, изменяющим процедуры бизнеса и экономические представления. Для иллюстрации этого приведем некоторые примеры. Ведущий цифровой инструмент строительства и реконструкции домов, городов, заводов и инфраструктур – «информационное моделирование» (так оно названо в изменениях к Градостроительному Кодексу РФ, в других странах оно называется – BIM) – позволяет, по опыту Великобритании, на 33% снизить стоимость строительства, на 50 % уменьшить его время и, что очень важно для «живых и умных городов», на 50 % уменьшить вредные выбросы (строительство ответственно примерно за 40% всех вредных загрязнений и выбросов). Заметим, что именно BIM организует изменения в физической части цифровых двойников, и в этом, кроме сказанного выше, его ключевая роль в экономике знаний.

Для реализации концепции «умных городов», на их «информационное моделирование» и функционирование уже выпущены российские стандарты (они в части BIM уже действуют, а на «умные города» вступят в силу с начала 2021 года). Их воплощение непредставимо без решения транспортных проблем городов. Статистика показывает, что более 90% аварий на транспорте происходит по вине управления ими человеком. Это показывает, что человек как биологический вид близок к естественным пределам своих возможностей управления современным транспортом. Кроме того, устройства, которые предполагают наличие водителя, пилота или машиниста, существенно увеличивают их стоимость. Сегодня мы уже видим начавшийся переход городов и стран к автономному транспорту, который выполняет свои функции без непосредственного человеческого участия.

Поскольку автономные движущиеся средства выпускаются промышленностью уже более 10 лет для отраслей экономики с ограниченным присутствием людей (горнорудные предприятия, лесное и сельское хозяйство, логистика и т.п.), постольку уже имеется и статистика. Например, для лесовозов в Швеции она показывает снижение стоимости производства грузовиков без кабины управления и с заменой бензинового двигателя на электрический примерно вдвое. На открытых карьерах Палирба по добыче железной руды в Австралии уже десять лет используют карьерные самосвалы без водителей, а за последние годы к ним прибавились безлюдные бурильные установки, загрузчики взрывчатки и железнодорожные составы без машинистов. И каждое такое изменение только повышало конкурентоспособность предприятия.

Как мы говорили выше, сегодня самый большой материальный актив человечества – это инфраструктура. С введением автономных транспортных средств (то есть без управления человеком) ее возможности также скачкообразно растут. Расчеты американских ученых показывают, что – при условии изъятия человека из системы управления автомобилем – емкость существующих автомобильных дорог может увеличиться втрое, количество происшествий будет практически равно нулю (соответственно, и количество смертей и травм также будет чрезвычайно малым), а скорость движения возрастет. Вредные выбросы также могут быть сведены к нулю при использовании водорода и электричества вместо ископаемого топлива.

Фантастические экономические показатели достигаются за счет уменьшения расстояния между движущимися объектами в среде цифрового двойника. Важно, что это позволяет рассматривать направление электронного переоборудования инфраструктур как естественное или инвазивное развитие без разрушения окружающей среды.

Для железных дорог, в Европе и в Китае уже перешедших с аналоговых систем управления на европейскую цифровую систему ERTMS, статистика показывает возможности увеличения емкости примерно на 70%, при существенном увеличении скорости и пунктуальности поездов. Цифровая система управления воздушными судами в аэропортах, согласно статистике, позволяет увеличить их емкость примерно на 60%. Не менее впечатляющие результаты достигаются для морского и водного транспорта.

Для тех, кто использует транспорт (т.е. для нас с вами), само понятие вида транспорта, при переходе на цифровые системы управления, перестает существовать, и мы можем использовать совершенно новые услуги, сшивающие точно в срок старые транспортные услуги в единую цепь, известную сегодня как «мобильность или как сервис». Для грузов такое соединение становится «физическим интернетом», внедрение которого в Европе завершается к 2030 году. «Физический интернет», например, решает проблему пустопорожнего пробега, который сегодня составляет порядка 40% от всего объема перевозок, сводя его к нулю.

На значительное число составляющих этих технологий и на сами технологии сегодня в России выпущены Федеральные законы, Постановления Правительства и стандарты. Первоначальные стандарты «цифрового двойника», о котором мы говорили выше, уже опубликованы и вступают в действие в январе 2021 года. Так что реальность достижений и выгод экономики знаний, доступная в других странах, становится возможной и обязательной к применению и в нашей стране.

© Текст: Василий Куприяновский

© Фото: Иван Михайлов

Примечания

1.  Актуаторы - тип элементов, предназначающихся для того, чтобы воздействовать на окружающую среду, или на определённый объект в ней. Эту роль могут выполнять самые разнообразные устройства: от сервоприводов и динамиков до замков (конечно, электронных) с осветительными приборами.