Urban data analytics and applications in the big data era
Authors: Τομαράς Δημήτριος 
Published: April 2023

Τα τελευταία χρόνια παρατηρούμε τόσο τη μεγάλη εξάπλωση των έξυπνων συσκευών στις καθημερινές συνήθειες και δραστηριότητες των ανθρώπων όσο και τη μεγάλη έλευση του Διαδικτύου των Πραγμάτων ως τη βάση πάνω στην οποία αναπτύσσονται πολυάριθμες έξυπνες εφαρμογές και υπηρεσίες με γνώμονα την επίλυση διαφόρων προβλημάτων μέσα στις πόλεις, από την παρακολούθηση της κυκλοφορίας, την παρακολούθηση της ρύπανσης και του θορύβου έως την υγειονομική περίθαλψη, τις υποδομές μεταφορών και την επεξεργασία χρηματοοικονομικών δεδομένων. Η πληθώρα των διαθέσιμων πηγών δεδομένων έχει προσφέρει μια σειρά σημαντικών επιλογών για την παρακολούθηση και την αξιολόγηση της κατάστασης μιας έξυπνης πόλης σε πραγματικό χρόνο. Έχουν επίσης προταθεί νέα κατανεμημένα συστήματα επεξεργασίας και ανάλυσης μεγάλων δεδομένων, όπως το Apache Hadoop, το Apache Storm και τα serverless συστήματα, προκειμένου να διαχειριστούν αυτόν τον μεγάλο όγκο δεδομένων και να παρέχουν επεξεργασία δεδομένων με χαμηλή καθυστέρηση και σε πραγματικό χρόνο. Πέρα από την επεξεργασία των δεδομένων, υπάρχουν ωστόσο σημαντικές ερευνητικές προκλήσεις οι οποίες πρέπει να μελετηθούν προκειμένου να επιτευχθεί η αποτελεσματική χρήση αυτών των συστημάτων. Οι προκλήσεις αυτές προκύπτουν από το γεγονός ότι κάθε πηγή αστικών δεδομένων διέπεται από τα δικά της χαρακτηριστικά, όπως ο ρυθμός δειγματοληψίας, ο όγκος των δεδομένων, η εγκυρότητα των δεδομένων κ.α.. Οι προκλήσεις αυτές περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, την ανάλυση και τη μοντελοποίηση της συμπεριφοράς των αστικών δεδομένων σε διάφορα πλαίσια (σε περιόδους κανονικής λειτουργίας της πόλης ή σε περιόδους που συμβαίνουν διάφορα γεγονότα σε μια πόλη) και την εξαγωγή ουσιαστικών συμπερασμάτων από τα δεδομένα προκειμένου να ενισχυθεί η βιωσιμότητα του αστικού περιβάλλοντος και να μεγιστοποιηθούν τα οφέλη τόσο για τις αρχές της πόλης όσο και για τους πολίτες. Τέλος, παραμένει ως πρόκληση η ανάδειξη της μέγιστης δυνητικής αξίας των δεδομένων με την αξιοποίηση αυτών των μοντέλων και των συμπερασμάτων σε εφαρμογές και συστήματα για έξυπνες πόλεις. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να προτείνει και πρακτικές μεθόδους για την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων ζητημάτων. Το πρώτο μέρος της διατριβής ασχολείται με την ανάλυση και τη μοντελοποίηση των αστικών δεδομένων μελετώντας διάφορες πηγές τέτοιων δεδομένων, είτε εξετάζοντας τα δεδομένα μονομερώς είτε συνδυάζοντας πολλαπλές πηγές δεδομένων ταυτόχρονα. Σε αυτό το μέρος της διατριβής, προκειμένου να γίνει κατανοητό τι πραγματικά αντιπροσωπεύουν τα δεδομένα των έξυπνων πόλεων, προτείνονται μετρικές και τεχνικές που εξυπηρετούν την μοντελοποίηση της συμπεριφοράς τους βάσει των χαρακτηριστικών τους, και εν συνεχεία επιτρέπουν περαιτέρω συνδυασμό πολλαπλών πηγών αστικών δεδομένων δημιουργώντας συνέργειες μεταξύ τους. Από την άλλη πλευρά, αυτό απαιτεί την αντιμετώπιση χαρακτηριστικών όπως για παράδειγμα τον όγκο των δεδομένων, τη χρονική ανάλυση αλλά και το ρυθμό δειγματοληψίας των δεδομένων. Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις προκλήσεις, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, στο πρώτο μέρος προτείνεται ένα σύνολο μεθοδολογιών που επιτρέπουν στις αρχές μιας έξυπνης πόλης και στους πολίτες να κατανοήσουν και να καταγράψουν τον παλμό του αστικού περιβάλλοντος σε πραγματικό χρόνο καθώς και να εξάγουν σημαντικά συμπεράσματα από τα δεδομένα που συλλέγονται σε αυτήν. Το δεύτερο μέρος της διατριβής επικεντρώνεται στο πρόβλημα της αξιοποίησης των συμπερασμάτων που έχουν προκύψει από τα αστικά δεδομένα καθώς και τη μοντελοποίησή τους και στοχεύει στο να αναδείξει την αξία τους σε εφαρμογές και συστήματα που χρησιμοποιούν αστικά δεδομένα. Τα προβλήματα που μελετώνται σε αυτό το μέρος της διατριβής, και αφορούν στην κατάλληλη αξιοποίηση των συμπερασμάτων από τα δεδομένα, είναι ιδιαίτερα απαιτητικά λόγω της ετερογένειας των πηγών αστικών δεδομένων, των διαφορετικών χαρακτηριστικών τους και των απαιτήσεων απόκρισης σε πραγματικό χρόνο που επιβάλλουν οι εφαρμογές, καθιστώντας την ανάπτυξη εφαρμογών και συστημάτων μια πρόκληση. Σε αυτό το μέρος της διατριβής, προτείνεται ένα σύνολο νέων αλγορίθμων και σχετικών εφαρμογών που αξιοποιούν την ανάλυση και τη μοντελοποίηση των αστικών δεδομένων καθώς και τα συμπεράσματα που έχουν προκύψει μέσω αυτών, με στόχο την αντιμετώπιση πραγματικών προβλημάτων μέσα σε μια έξυπνη πόλη, όπως την κυκλοφοριακή συμφόρηση, την ενίσχυση εναλλακτικών μορφών μετακίνησης και την μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος των πολιτών και εν τέλει τη βελτίωση της ποιότητας ζωή των κατοίκων της και την ενίσχυση της βιωσιμότητας της. Αυτό το μέρος της διατριβής περιλαμβάνει αλγορίθμους γράφων για προβλήματα εκχώρησης πόρων μέσα σε δίκτυα μεταφορών (με εφαρμογή σε οποιοδήποτε πρόβλημα εκχώρησης και αναδιανομής πόρων που αξιοποιεί ένα δίκτυο μεταφοράς), αλγορίθμους δρομολόγησης μέσα σε γράφους με δυναμικά βάρη (επιτρέποντας την δημιουργία μονοπατιών προσαρμοζόμενων σε δεδομένα πραγματικού χρόνου), καθώς και τεχνικές που αφορούν την ιδιωτικότητα των δεδομένων από χρήστες υπηρεσίων ανάλυσης δεδομένων.