Бесплатный фрагмент - Основы проектирования приложений интернета вещей

Введение

Технологии интернета вещей относятся к числу «почти неотличимых от магии» и позволяют создавать объемные проекты в разы проще, быстрее и с меньшими ресурсами, чем на основе принятых сегодня технологий автоматизации, что дает возможность даже небольшим проектным командам выполнять сложные проекты, а также реализовывать на основе этих технологий свои стартапы.

Однако приложения, использующие данные технологии, имеют свои особенности создания, к ним предъявляются другие требования, они по-другому устроены. Причем если их программная или технические части остались во многом прежними и переориентировать разработчиков оказывается довольно просто, то уже возникла огромная потребность в аналитиках и архитекторах, которые бы обеспечили разработчикам фронт работ.

Так в сложном положении с кадрами оказываются технопредприниматели, запускающие свой стартап, а также небольшие проектные команды, начинающие специализироваться на технологиях интернета вещей. Это, в частности, происходит потому, что:

• многие — даже талантливые — доступные для небольших команд разработчики не имеют необходимой базовой подготовки;

• привлечь профессиональных аналитиков и архитекторов для таких команд практически нет возможности;

• специалисты, работавшие в разных сферах (к примеру, в разработке автоматизированных систем или веб-приложений), с трудом адаптируются к новым моделям организации работ над проектами;

• всё шире используются международные стандарты разработки, но всё еще действуют и часто являются обязательными к использованию отечественные государственный стандарты, но далеко не все руководители проектов понимают, как они между собой сочетаются.

Соответственно, даже в пределах одной проектной команды часто у всех оказываются разные базовые знания, нет даже единой терминологии, нет опыта переноса и адаптации накопленных компетенций.

Самостоятельное освоение данных тем также становится проблемой, поскольку, хотя доступно огромное количество материалов, становится тем более сложно составить представление о том, какие именно навыки необходимы для конкретного проекта, тем более, что существующие методы работы с требованиями не всегда подходят для приложений интернета вещей, а выбор методологии управления проектами должен проводиться по совсем другим критериям.

Часто, к сожалению, встречается ситуация, когда заказчик обращается к разработчику, который не имеет компетенций для того, чтобы понять проблему клиента и предложить способ решения, но готов «делать, что скажете», так же, как больной, бывает, идет сразу в аптеку, вместо того чтобы пойти к врачу. В итоге деньги, время потрачены, результата нет, претензий как бы тоже («а мы сделали всё, что вы сами сказали!»), но осадок остался.

С другой стороны, и заказчик может существенно сократить свои затраты, если сам сможет формализовать свои требования к системе, а еще лучше — предложить и ее концепцию, оставив разработчику лишь проектирование и реализацию, если понимает, как это работает.

Данное издание как раз рассчитано на то, чтобы дать общее представлении о технологиях интернета вещей и о процессе создания прикладных систем на их основе, включая построение виртуальных моделей и «цифровых двойников».

Издание адресовано прежде всего:

• разработчикам автоматизированных систем, мобильных и веб-приложений, видящих в технологиях интернета вещей новую сферу применения своим навыкам;

• специалистам по интеграции отраслевых решений, продакт-менеджерам для понимания потенциала IoT-технологии;

• аналитикам, архитекторам, системным инженерам, инженерам по требованиям, UX/UI-дизайнерам, которым нужно понимать специфику и особенности архитектуры и реализации данных приложений;

• технопредпринимателям и руководителям проектов данного профиля;

• учащимся и преподавателям общего, профессионального и дополнительного образования, связанного с изучением технологий интернета вещей, промышленного интернета, а также робототехники и других предметных областей, где требуется организовывать взаимодействие и совместную деятельность устройств, систем, систем систем;

• руководителям и наставникам команд в соревнованиях «Молодые профессионалы (WorldSkills)», JuniorSkills и др. в данной компетенции.

---

О чем эта книга?

Современные технологии разработки приложений интернета вещей позволяют максимально упростить техническую реализацию проекта, и самому разработчику оказывается проще не скидывать «реализацию» на технического исполнителя, а сделать все самому. Аналогично, и UX-архитектор может легко в CodeLess-среде реализовать нужные интерфейсы без привлечения UI-дизайнера, а подключение внешних устройств уже, как правило, не требует разработки, а лишь настройки.

С другой стороны, и заказчик может существенно сократить свои затраты, если сам сможет формализовать свои требования к системе, а еще лучше — предложить и ее концепцию, оставив разработчику лишь проектирование и реализацию.

Более того, остается лишь несколько шагов до того, чтобы техническая часть реализации проекта стала настолько простой, чтобы это мог сделать и сам заказчик, точно так же, как для того, чтобы сделать средний сложности сайт, уже не требуется привлекать веб-студию.

Данный «конспект» был подготовлен к курсу по интернету вещей, организованному Британской высшей школой дизайна, и содержит очень краткое описание общего подхода к разработке приложений на основе данных технологий, чтобы задать общий контекст для программ отдельных тематик (в частности, для UX-архитекторов и UI-дизайнеров, разработчиков приложений дополненной реальности и пр.).

Конспект носит вспомогательно-справочный характер и дополняет учебный курс, содержащий более развернутую информацию, иллюстрации, образцы документов, примеры и предполагающий выполнение практических заданий.

Примеры выполнения реальных проектов планируется вынести в отдельное издание «Основы проектирования приложений интернета вещей: Практикум».

Предполагается, что слушателю/читателю доступны другие материалы по системной инженерии, анализу требований, разработке прикладного программного обеспечения и управлению соответствующими проектами, по UX/UI-дизайну или разработке «умных, взаимодействующих через интернет устройств» и пр., но ему надо дать общую картину о целях и процессе создания прикладных систем на основе технологий интернета вещей.

Можно сказать, что цель данного конспекта — дать ответ на вопрос «А почему именно так?», возникающий при работе по проекту, в более развернутом виде, чем это возможно в ходе обычных практических занятий.

Общие принципы разработки приложений интернета вещей, приведенные здесь, применимы при работе с различными современными платформами (например, ThingWorx, HANA, Bluemix, Azure и др.).

Первая часть дает общие понятия для дальнейшего изложения: представление о технологиях интернета вещей и их специфике, о том, почему предметом проектирования прикладных систем на базе этих технологий является их поведение, а также об основных принципах системного подхода к разработке таких систем.

Вторая часть посвящена разработке концепции и архитектуре проекта системы, исходя из заданных требований, потребностей и ограничений.

В третьей части рассматривается процесс разработки программного приложения интернета вещей, работающего на специализированной платформе, включая построение архитектуры приложения, создание виртуальной модели совокупности объектов, чье взаимодействие организуется приложением, реализацию пользовательских и других интерфейсов, а простой пример работы над подобным проектом приведен в приложении.

---

Издание осуществлено в рамках проекта «Разумные-Системы.рф» (SmartThings. Center) при поддержке компании «Техновижн» (www.technovision.ru) и Академической программы компании PTC (www.ptc.com).

Свои отзывы, замечания, пожелания и предложения по поводу следующих версий книги присылайте по адресу smart.things.center@gmail.com для Алексея Корнилова

Автор выражает особую благодарность Анатолию

Левенчуку и Дмитрию Курило за ценные замечания,

высказанные при подготовке этого издания

Часть первая

1. Интернет вещей как технология

Неандертальцы, говорят, были умнее кроманьонцев. Говорят, они были даже умнее современных людей. Они боролись за выживание в этом мире поодиночке, а для этого надо хорошо соображать.

А кроманьонцы были менее «интеллектуальны», но зато образовали сообщества. И, как оказалось, совместные согласованные действия сообществ даже относительно примитивных субъектов, были более эффективны, чем действия более интеллектуальных «индивидуалов». Как результат, кроманьонцы стали нашими предками, а про неандертальцев мы знаем лишь по результатам раскопок…

Как студент со смартфоном на экзамене часто оказывается «умнее» того, кто потратил много времени на запоминание, так и вещи становятся «умными» за счет того, что способны общаться с другими вещами.

Но обмен информацией между устройствами не является чем-то новым, точно так же, как люди могли общаться между собой и до появления интернета. Однако формат взаимодействия через интернет изменяет для вещей формы этого общения так же, как благодаря «интернету людей» изменили жизнь человека социальные сети, электронная коммерция, системы хранения и поиска информации и пр., и пр.

Международный союз электросвязи определяет интернет вещей (Internet of things, IoT) как «глобальную инфраструктуру для информационного общества, которая обеспечивает возможность предоставления более сложных услуг путем соединения друг с другом (физических и виртуальных) вещей̆ на основе существующих и развивающихся функционально-совместимых информационно-коммуникационных технологий».

Умные взаимосвязанные устройства

Функциональность продукта (изделия) всё больше повышается за счет его «разумности», затем изделия начинают взаимодействовать между собой и объединяться в системы, системы — взаимодействовать между собой и т. д. Функциональность выходит на качественно новый уровень.

Благодаря интернету вещей информационно-коммуникационные технологии (ИКТ), которые уже обеспечивают связь в любое ВРЕМЯ и в любом МЕСТЕ, получают новый аспект — «связь с любой ВЕЩЬЮ».

Таким образом, благодаря повсеместному распространению интернета появляется новый класс устройств: умные, взаимодействующие через сеть (Smart, Connected Products, SCP).

Интеллектуальные, поддерживающие сетевые функции изделия — «вещи» в Интернете вещей — должны дать толчок для следующей̆ волны производства. Потенциал огромен: институт McKinsey Global Institute прогнозирует, что интернет вещей обеспечит рост производительности на 2,5–5% на протяжении следующих десяти лет. Это превращается в совокупный̆ рост доходов и экономию в объеме 900 млрд долларов США в год лишь для производственного сектора. Цифра может быть гораздо выше при более широком внедрении.

«Как ожидается, в интернете вещей произойдет масштабная интеграция ведущих, таких как технологии в области перспективного межмашинного взаимодействия, организации автономных сетей, интеллектуального анализа данных и принятия решений, обеспечения безопасности и защиты неприкосновенности частной жизни, а также облачных вычислений с технологиями усовершенствованного измерения и срабатывания».

Если до сих пор благодаря интернету между собой взаимодействовали люди, потом данные, то теперь это начинают делать и вещи, их сообщества, системы, системы систем и т. д.

Сутью технологии интернета вещей является возможность создания сообществ из умных, умеющих общаться устройств (SCP — Smart Connected Products), а также данных и людей, связанных через интернет, и организация взаимодействия в таких сообществах.

Такое взаимодействие вещей, людей и данных может быть использовано для решения прикладных задач, выступая в качестве средств такой деятельности. Управлять этим взаимодействием могут прикладные компьютерные программы, а всё вместе начинает действовать как единая прикладная система. В этом смысле приложением интернета вещей может, в зависимости от контекста, считаться как программная часть, работающая, как правило, на специализированной облачной платформе, так и вся система взаимодействующих устройств, людей и данных, решающая конкретную прикладную задачу.

Ожидается, что к 2020 году количество технических устройств, подключенных к сетям, превысит 40 миллиардов штук.

Сотнями миллионов будет исчисляться и число приложений интернета вещей, охватывающих все сферы жизни: «Умная планета», «Умный город», «Умный дом», «Умная энергетика», «Умное производство», «Умный транспорт» и пр. Соответственно, разработчик приложений интернета вещей — это одна из наиболее востребованных профессий не только ближайшего будущего, но уже настоящего.

Благодаря «интеллекту» и «коннективности» (способности взаимодействовать) у прикладных систем появляется новый набор функций. Их можно разделить на четыре группы:

• мониторинг (Monitoring): датчики и внешние источники данных контролируют состояние объектов и окружающую среду, предупреждают/уведомляют об изменениях;

• управление (Control): приложение контролирует состояние объектов и персонализирует опыт пользователя;

• оптимизация (Optimization): возможности мониторинга и управления позволяют использовать алгоритмы, которые оптимизируют состояние объектов и выполняют их диагностику, обслуживание и ремонт;

• «автономность» (Autonomy), автоматическое выполнение функций: сочетание мониторинга, управления и оптимизации дает объектам возможность работать и обслуживаться автономно, а также обеспечивает им координацию с другими системами объектов.

Каждая функция, важная и сама по себе, оказывается своего рода ступенькой для следующего уровня. Например, функция мониторинга служит основой для управления, управление в сочетании с мониторингом дает возможность оптимизировать процессы, а оптимальное управление позволяет сделать систему полностью самостоятельной, работающей автономно. Компания может выбирать такой набор функций, чтобы ее продукция была максимально полезной для потребителя, и тем самым укреплять свою конкурентную позицию.

Технология цифровых двойников

Раз ключевым становится обмен информацией между устройствами, то будет совершенно естественным всё, что касается этого обмена, вынести в единое информационное пространство.

Поэтому интернет — это тот мир, в котором дальше будут общаться и развиваться созданные человеком устройства и системы. Когда-то они существовали полностью в реальном мире, потом всё больше устройств начинают выносить «информационную часть себя» в виртуальной пространство: сначала какие-то свои данные, чтобы не закачивать их под каждый запрос по каналам связи, потом начинают выполнять там какие-то вычислительные или логические операции, принимать решения и всё чаще уже даже без обмена информацией с самим устройством.

Постепенно у реальных устройств появляются в виртуальном информационном мире свои «цифровые двойники» (digital twins), и все операции, связанные с обменом информацией, производится уже на цифровом двойнике, а реальное устройство лишь получает уже готовую итоговую информацию о необходимом состоянии, которое оно должен принять.

Но если состояние физического устройства «синхронизировано» с состоянием его цифровым двойника, то зачем дублировать на физическом устройстве все те процессы, которые происходят в его модели в информационном пространстве? Ведь с точки зрения «физического мира», необходимыми являются лишь то, что с этим миром реально взаимодействует: те же датчики и исполнительные устройства.

По сути, физические устройства становятся лишь «аватарами» своих виртуальных сущностей, живущих своей бурной жизнью в виртуальном информационном мире. «Интернет вещей» — это не просто «вещи, подключенные к интернету»: как до последнего времени интернет был преимущественно средством общения и обмена информацией между людьми («интернет людей»), так сейчас он становится средой и технологией взаимодействия «вещей», как физических, так и виртуальных.

Использование технологий интернета вещей меняет концепцию встраиваемых систем: теперь обработка данных может вестись не на самом устройстве, а организована в облачной платформе, что в десятки и сотни раз снижает стоимость оборудования, используемого для решения пользовательской задачи.

Мы говорим о технологиях интернета вещей не тогда, когда вещь «подключили к интернету», но когда речь идет о задачах, решение которых предполагает взаимодействие (чаще «кооперацию») «достаточно умных» для этого физических или виртуальных устройств.

В этом смысле технологии «цифровых двойников» (digital twins) напоминают магию Вуду: чтобы управлять объектом, надо создать его модель («цифрового двойника»), а дальше сделать так, чтобы все, что происходит с двойником, происходило и в реальности…

Специфика разработки приложений IoT

В отличие от мобильных или веб-приложений, где взаимодействие с внешними по отношению к приложению объектами (источниками или потребителями данных) является скорее исключением, то для приложения, использующего технологии интернета вещей, организация взаимодействия различных удаленных, в том числе физических, систем является целью их создания.

Поэтому если разработчик (в частности системный архитектор) мобильных или веб-приложений сконцентрирован, как правило, на выстраивании внутренней структуры приложения с относительно небольшим числом внешних взаимодействий, то задача архитектора приложения интернета вещей принципиально другая: ему требуется выстроить взаимодействие множества внешних по отношению к приложению вещей (объектов, устройств, систем) так, чтобы за счет их взаимодействия была решена поставленная задача. Тут фактически вся совокупность связанных объектов становится единым приложением, причем при этом может статься, что многие из этих объектов являются частью других приложений, притом действующих совершенно независимо.

Меняется и роль разработчика «взаимодействий с пользователем» (UX), поскольку у пользователей может оказаться множество разных ролей: для кого-то приложение будет «человеко-ориентированной интерактивной системой», а кто-то станет лишь «источником данных», но при этом продолжая ими «пользоваться» (т. е. оставаясь пользователем).

Таким образом, в разработке приложения интернета вещей UX-архитектор/дизайнер начинает отвечать за организацию «человеко-ориентированных взаимодействий» как имеющих свою специфику вследствие особенностей человека как элемента (часто ключевого) сложной системы; при этом он должен иметь представление и об архитектуре системы в целом, а архитектор системы — понимать специфику предмета деятельности разработчика UX.

Важно, что чем более интеллектуальными становятся системы, тем больше общение с ними начинает походить на общение с человеком.

Меняется и формат взаимодействий с человеком: всё чаще система должна реагировать не на команды, даваемые им через интерфейс мобильного или веб-приложения, а «понимать», что человеку требуется, исходя из условий вокруг него (к примеру, если «видит», что ему жарко, — включить кондиционер), отслеживая его положение (скажем, предусмотрительно открыть перед ним дверь) или даже настроение.

Соответственно, появляется специфика и дополнительные требования к разработке пользовательских интерфейсов (UI) приложений интернета вещей для обеспечения сенсомоторной и психофизиологической совместимости такого приложения с человеком, в том числе в случае использования технологий Ambient или Zero UI, а также дополненной реальности (AR).

Более того, часто смыслом создания приложения интернета вещей является организация взаимодействия пользователя с другими объектами, устройствами и системами, так что приложение должно быть фактически прозрачным для пользователя, и UX-архитектура становится основой всей архитектуры приложения.

Можно ли рассматривать, к примеру, как человеко-машинный интерфейс часть системы, контролирующую температуру в конференц-зале и включающую кондиционер при ее повышении, а участников конференции — в качестве «пользователей» системы?

Коммерциализация технологий интернета вещей

Умные технологии сильно повлияют на структуру многих отраслей, как это сделали ИТ предыдущей волны, вызванной появлением интернета. В промышленности последствия будут особенно ощутимы.

Идея в том, что умное поведение может дать существенный прирост «полезности», потребительской стоимости устройства или системы. Так, вентилятор, который сам выключается при нужной температуре, экономит владельцу электроэнергию, и поэтому может стоить для него дороже. А вентилятор, который еще и «видит», когда в помещении есть люди, а когда нет, ценен еще больше.

Аналогично владелец гостиницы будет готов заплатить за то, чтобы лифты приезжали к клиентам быстрее, а владелец автомобиля — за то, что тот будет «соображать», когда масло действительно пора менять, а не просто по километражу, и т. д.

Функциональность продукта (изделия) всё больше повышается за счет его «разумности», затем изделия начинают взаимодействовать между собой и объединяться в системы, системы — взаимодействовать между собой… Функциональность выходит на качественно новый уровень.

К примеру, для экономии энергии системе отопления требуется краткосрочный прогноз погоды. Такой прогноз можно получить, установив датчики и систему обработки информации с них с прогнозированием погоды (миниметеостанцию), а можно просто запросить прогноз в интернете.

И в том, и в другом случае поведение системы отопления будет выглядеть «разумным», причем с точки зрения заказчика система ведет себя практически одинаково, соответственно, заказчик готов заплатить за эту функциональность одинаковую цену. Однако для поставщика такой системы подключение к интернету будет стоить значительно дешевле, чем разработка интеллектуальной метеостанции. Решения на базе интернета вещей и становятся сейчас всё более востребованными именно потому, что дают возможность получать поставщикам умных решений дополнительную прибыль.

Итак, два факта обеспечивают сейчас бурный рост количества взаимодействующих в интернете устройств и систем:

• «умная» вещь имеет, как правило, более высокую ценность для покупателя или заказчика, по сравнению с обычной, соответственно, он готов заплатить за нее больше;

• сделать вещь «разумной», используя механизмы «коннективности», как правило, гораздо проще и дешевле, чем путем ее «интеллектуализации».

Экосистема и бизнес-модели IoT

Экосистема интернета вещей (IoT) состоит из множества участников деятельности. Каждый участник деятельности играет как минимум одну деловую роль, однако ролей может быть и больше.

Как правило, обязательно присутствуют следующие роли:

• поставщик устройств

• поставщик сети

• поставщик платформы

• поставщик приложений

• абонент приложений

Поскольку поставщиками сети обычно выступают операторы электросвязи, а платформа используется готовая, то предприниматель, как правило, может взять на себя обслуживание абонентов приложений, предлагая либо само приложение, либо интегрируя его с необходимыми устройствами.

Приложение, «действуя в интересах абонента», обеспечивает взаимодействие различных «достаточно умных для этого» устройств, осуществляя функции мониторинга, управления, оптимизации, автономности (см. выше).

Понятно, что с точки зрения разработки приложения как целевой системы, все указанные роли соответствуют тем или иным стейкхолдерам, чьи потребности и требования должны будут учитываться.

В свою очередь, «интеллектуальные взаимодействующие продукты» и другие аналогичные «активы» могут существенно повысить эффективность бизнеса, обеспечить конкурентное преимущество, увеличить доход и потенциально трансформировать сам бизнес. Так, если знать, что «делают» ваши продукты и как клиенты используют их, то это ценное знание, дающие именно такие возможности, благодаря удаленному мониторингу, удаленному обслуживанию, анализу эффективности использования, интеграции данных CRM, ERP, PLM, а также складских и логистических систем, создания других услуг с высокой добавленной стоимостью.

Анализ данных, поступающих с подключенных устройств, может существенно улучшить бизнес-решения, характеристики продуктов и производственные и бизнес-процессы. Так, в частности, существенно могут быть улучшены такие бизнес-процессы, как выставление счетов, сервисное обслуживание, регистрация продуктов и их пользователей, управление использованием, управление гарантиями и т. д., а продажи и маркетинг продуктов, включая новые приложения для конечных пользователей, могут обеспечить дополнительное конкурентное преимущество и стимулировать рост доходов.

Возможности, даваемые такими технологиями, могут быть реализованы на разных уровнях, приведенных в таблице.

Метриками (количественными показателями эффективности внедрения тех или иных решений) могут стать сокращение времени выхода продукта или сервиса на рынок, повышение производительности, увеличение доли рынка, снижение или устранение отдельных видов затрат или более высокая рентабельность в целом и т. д.

Платформа интернета вещей

IoT-платформы — ключевой инструмент разработки приложений и сервисов, которые и создают мир интернета вещей, соединяющий физические объекты и виртуальную сеть.

Сегодня на рынке представлено уже более трехсот различных платформ, и их число продолжает расти. Инновационные стартапы, производители оборудования и сетевого оборудования, корпоративного программного обеспечения и компаний по управлению мобильностью — все они конкурируют, чтобы стать лучшей платформой IoT на рынке.

Однако «не всё, что сейчас называют IoT-платформой, ею является».

IoT Analytics полагает, что полноценной IoT-платформой следует считать такую платформу, которая позволяет разрабатывать соответствующие приложения/решения (IoT Application Enablement Platform), и выделяет восемь компонентов полноценной IoT-платформы:

• Связь и нормализация (Connectivity & normalization): объединяет различные протоколы и различные форматы данных в один «программный» интерфейс, гарантируя точную передачу данных и взаимодействие со всеми устройствами.

• Управление устройствами (Device management): обеспечивает правильную работу подключенных умных устройств, бесперебойную работу патчей и обновлений для программного обеспечения и приложений, работающих на устройстве или пограничных шлюзах.

• База данных (Database): масштабируемое хранилище данных устройства обеспечивает требования к гибридным облачным базам данных на новом уровне с точки зрения объема данных, разнообразия, скорости и правдивости.

• Обработка и управление действиями (Processing & action management): данные влияют на события в реальности с помощью триггеров событийных событий на основе правил, что позволяет выполнять умные действия на основе конкретных данных датчиков.

• Аналитика (Analytics): выполняет комплексный анализ от базовой кластеризации данных и глубокого машинного обучения до прогнозирующей аналитики, извлекающей наибольшую ценность из потока данных IoT.

• Визуализация (Visualization): позволяет людям видеть закономерности и наблюдать тенденции из панелей визуализации, где данные наглядно изображаются через линейные, штабелированные или круговые диаграммы, 2D- или даже 3D-модели.

• Дополнительные инструменты (Additional tools): позволяют разработчикам IoT создавать прототипы, тестировать и продавать примеры использования IoT, создавая платформенные экосистемные приложения для визуализации, управления и контроля подключенных устройств.

• Внешние интерфейсы (External interfaces): интеграция со сторонними системами и остальной частью более широкой ИТ-экосистемы через встроенные интерфейсы прикладного программирования (API), комплекты разработки программного обеспечения (SDK) и шлюзы.

В этом смысле не являются полноценными IoT-платформами в частности такие, как:

• Connectivity / M2M platforms, т.е. платформы, в своей работе фокусирующиеся на связи умных объектов через телекоммуникационные сети, но редко — на обработке сигналов от датчиков (пример такой платформы: Sierra Wireless’ AirVantage).

• IaaS backends — «инфраструктура-как-сервис» -серверы, предоставляющие хостинг-пространство и вычислительные мощности для приложений и сервисов, ранее оптимизировались для десктопов и мобильных приложений, но сейчас в фокус попал и IoT (пример — IBM Bluemix, но не IBM IoT Foundation).

• Hardware-specific software platforms. Некоторые компании, продающие умные гаджеты, создают собственный программный бэкенд и рассуждают о нем, как об IoT-платформе. Но так как эта платформа носит закрытый для всех остальных характер, правомерность такого наименования сомнительна (пример — Google Nest).

• Consumer/Enterprise software extensions. Существующие пакеты корпоративного программного обеспечения и операционные системы типа MS Windows 10 становятся всё более открытыми для интеграции IoT-устройств. В настоящее время эта область еще недостаточно развита, чтобы называться IoT-платформой, но будущее у нее очень перспективное.

По мнению IoT Analytics, главной ценностью IoT-платформ является сбор и связывание датапойнтов миллиардов физических объектов. Данные IoT-платформ — вот что придает им значение. Генерация умных данных — ключ к повышению ценности системы. Всё в большей степени продажа основного продукта становится побочным процессом, в то время как бизнес-модель вокруг данных становится основным продуктом.

Предполагается, что мы скоро увидим создание абсолютно новых отраслей, которые создают бизнес-модели исключительно на основе данных IoT и используют партнеров по аппаратным средствам для получения доступа к необходимым источникам данных. Платформа IoT сама по себе становится важным фактором, способствующим сбору и анализу данных, в то время как реальная ценность будет создаваться с использованием полученных результатов для построения больших служб IoT (например, интеллектуального обслуживания) для связанных предприятий.

---

Резюме главы 1

Интернет вещей — это, по сути, «технология кооперации людей, вещей и данных».

Сама возможность такой «кооперации», согласованного взаимодействия, меняет подход к созданию технических систем: там, где раньше были нужны всё более усложняющиеся, всё более «интеллектуальные» и всё более дорогие решения, теперь результат может быть достугнут за счет совместной деятельности множества простых и дешевых физических или виртуальных устройств.

Более того, и каждое конкретное устройство может практически неограниченно расширять набор своих функций и становиться всё более умным, если может взаимодействовать с другими, и это не требует его усложнения и удорожания.

Стремительно развивающиеся технологии цифровых двойников становятся еще более эффективными и востребованными благодаря возможности непрерывной синхронизации двойников со своими реальными прототипами, что реализуется через технологии интернета вещей.

Третий «закон» Артура Кларка гласит, что «любая достаточно развитая технология неотличима от магии». В этом смысле интернет вещей и технологии «цифровых двойников» напоминают магию Вуду: чтобы управлять объектом, можно создать его модель («двойника»), а дальше сделать так, чтобы все, что происходит с двойником, происходило и в реальности…

2. Принципы организации деятельности

Деятельность и поведение

Существование человека как организма возможно только во взаимодействии с окружающей средой. Все свои потребности человек удовлетворяет посредством деятельности как формы такого активного взаимодействия.

Деятельность всегда направлена на удовлетворение какой-то потребности, и всякий процесс деятельности, таким образом, предполагает конкретную цель и ожидаемый результат. В этом смысле «человек живет, самоопределяется, осуществляет целенаправленные действия, делает поступки, ориентируется, рефлектирует и оценивает свои поступки и свою жизнь, находясь в пространстве деятельности».

Государственный стандарт по системной инженерии определяет деятельность (activity) как «совокупность действий, в результате которых расходуются время и ресурсы и выполнение которых необходимо для достижения или содействия достижению одного или нескольких результатов».

Осуществлять деятельность (быть субъектом деятельности) может не только отдельный человек, но и группа людей, и организация, и, как увидим дальше, техническая система, поэтому понимание общих принципов оказывается важным для дальнейшего изложения.

Помимо взаимодействия с окружающей средой для удовлетворения потребностей, человеку приходится реагировать на происходящие вокруг изменения и адаптироваться к ним.

Если за поведение считать сам процесс взаимодействия между человеком как организмом и средой, либо сложившийся образ такого взаимодействия, то деятельность является «специфической человеческой формой поведения, характеризующейся наличием мотива и цели».

Таким образом, осуществление деятельности имеет следующие стадии:

• осознание потребности,

• поисковое поведение,

• выбор способа удовлетворения потребности,

• подготовка средств,

• выполнение действий, ведущих к результату,

• получение результата,

• завершение деятельности.

«Целесообразную, сознательную деятельность человека, направленную на удовлетворение потребностей индивида и общества» принято называть трудом.

В этом смысле целью научной организации труда (НОТ), производственной системы Тойоты (TPS) и тому подобных проектов является сведение поведения человека-работника к деятельности, то есть стремление добиться, чтобы любая активность человека в процессе производства была бы направлена на получение заданного конечного результата, и устранение непроизводительных активностей.

Орудия, средства и компетенции

Для осуществления деятельности человек использует средства, и «средством является всё, что служит достижению цели, намерению или замыслу».

В простейшем случае такими средствами осуществления деятельности являются его собственные органы и части тела (руки, ноги и пр.). Однако их эффективность невелика, а возможности взаимодействия со средой ограничены относительно небольшим пространством, куда человек может «дойти и дотянуться».

Для повышения эффективности и расширения пространства взаимодействия человек может использовать в качестве средств естественные (палка, камень) и искусственные орудия (инструменты, орудия, машины и пр.), силы природы (например, энергию воды или ветра), прирученных животных, а также кооперацию, объединения и конкуренцию с другими людьми и т. д. Знание тоже может рассматриваться как средство или как орудие особого типа.

Инструмент, орудие или какой-то другой предмет, даже используемые для неких действий, не становятся автоматически средством деятельности.

«В данном нам мире средств нет; в этом мире существуют только предметы. Предмет становится средством, когда человеческий разум планирует употребить его для достижения некоторой цели, а человеческая деятельность реально применяет его по этому назначению. Мыслящий человек видит пригодность предметов, т. е. их способность оказать помощь в достижении его целей, а действующий человек делает из них средства».

Соответственно, в этом смысле источником и продуктом развития средств является мышление, поскольку именно мышление позволяет человеку придумывать и создавать новые средства.

Другими словами, средство отличается от орудия тем, что не только является элементом конкретного действия или поведения, но становится инструментом осуществления деятельности. Грубо говоря, чтобы достичь цели, получить конкретный планируемый результат, нужно осуществить деятельность, а для этого нужно иметь необходимые средства и уметь ими пользоваться.

Важно понимать, что понятия субъектов и средств деятельности являются «рекурсивно вкладываемыми»: так, сторожевая собака, осуществляющая деятельность по задержанию правонарушителя, сама является средством деятельности для полицейского, осуществляющего деятельность по охране правопорядка.

Знания, как использовать конкретные средства в конкретной деятельности, вместе с навыком такого использования сейчас принято называть компетенцией. «Это не просто знание, но и опыт использования знания, опыт действия». Соответственно, условием осуществления деятельности является наличие необходимых для этого средств и компетенций.

Виды деятельности и разделение труда

Итак, «результат, к которому стремится деятельность, называется ее целью, намерением, замыслом. В обыденной речи человек использует эти слова также для того, чтобы обозначить промежуточные цели, намерения или замыслы; это состояния, которых человек хочет достичь только потому, что считает: пройдя через них, он достигнет своей конечной цели, намерения или замысла. Строго говоря, целью, намерением или замыслом любой деятельности всегда является освобождение от ощущаемого беспокойства».

Соответственно, «освободиться от ощущаемого беспокойства» можно, используя разные средства. Однако о них надо знать и уметь ими пользоваться, т. е. обладать необходимыми компетенциями.

То, что одни люди обладают одними компетенциями (могут использовать некие средства), а другие нет, приводит к специализации деятельности и, как следствие, к «разделению труда».

«Человек придумывает новые средства, эти средства меняют его отношение к окружающему миру, эти средства меняют возможность присвоения благ природы, эти средства позволяют ему на следующем шаге делать иначе то же самое или делать другое. Поэтому процесс развития может быть представлен и описан как изменение и усложнение средств человеческой деятельности, а мышление является источником и продуктом развития этих средств. Источником потому, что мышление позволяет придумать новое средство, отсюда важнейшая роль изобретательства, инженерного труда, из которого на поздних стадиях выделилось управление как специальная деятельность. А с другой стороны, чем сложнее средства, которыми мы пользуемся, чем более распределенной является деятельность людей, чем сложнее перед нами возникают задачи собрать из разных кусочков деятельности полную картинку, тем больше требований к нашему мышлению. Мышление усложняется вслед за усложнением средств».

В свою очередь, разделение труда позволяет увеличить производительность деятельности, что становится основой экономического развития.

Одно из направлений такой специализации — создание средств на основе предметов, «ранее не существовавших в природе» и изготовленных на их основе «машин, механизмов, оборудования, аппаратов, приспособлений, инструментов, приборов и т. д.», а также систем взаимосвязанных устройств, т. е. техника. Технические средства, в свою очередь, создаются в процессе инженерной деятельности.

Другое направление специализации — «информационно-коммуникационные технологии: процессы, методы поиска, сбора, хранения, обработки, предоставления, распространения информации и способы осуществления таких процессов и методов; приемы, способы и методы применения средств вычислительной техники при выполнении функций сбора, хранения, обработки, передачи и использования данных; ресурсы, необходимые для сбора, обработки, хранения и распространения информации» и создание средств на их основе.

Технологии интернета вещей позволяют организовать взаимодействие людей, технических средств и данных, что дает системный эффект (emergence, эмерджентность) и возможность создавать на этой основе средства с качественно новыми возможностями. В этом смысле знать, как это сделать, — тоже набор соответствующих компетенций.

Соответственно, кто-то решает проблемы и удовлетворяет потребности, используя свои компетенции в сфере техники, кто-то — в ИТ, а кто-то — в математике, медицине, психологии или разных искусствах. А предметом данного курса является умение использовать весь потенциал совместной деятельности умных вещей.

Как «устроено» поведение

Итак, деятельность является формой поведения, а поведение — это взаимодействие с окружающей средой. Взаимодействие, в свою очередь, подразумевает способность организма воспринимать воздействие и как-то на него реагировать.

При этом реагировать следует не на любое воздействие, а на строго определенные, и способ реагирования должен быть адекватен воздействию. Это требует, соответственно, наличия, с одной стороны, соответствующих возможностей сенсорной системы, а с другой — возможности для выполнения действий (как правило, двигательных актов). Есть такие возможности или нет, об этом можно судить из морфологии и физиологии организма.

В биологии, зоопсихологии или этологии выделяются разные типы поведения в разных научных школах. Применительно к последующему изложению удобно выделить следующие типы поведения:

• рефлекторное,

• инстинктивное, включая интегрированные последовательности,

• адаптивное,

• научение и обучение,

• поведение разумного типа.

Некоторые воздействия могут участвовать в обмене веществ и, соответственно, относятся к физиологии организма. Но часто организм реагирует и на воздействия, которые являются биологически нейтральными (абиотическими), в этом случае можно говорить о наличии у организма психики.

Аналогично и весь процесс эволюции психики делится на четыре стадии развития:

• сенсорная стадия,

• перцептивная стадия,

• интеллектуальная стадия,

• стадия сознания.

Определенное сложившееся поведение организма неразрывно и однозначно связано с его устройством (морфологией и физиологией), с одной стороны, а с другой — с его психикой, в ином случае организм просто не выживает. Поэтому поведение организма является не только неотъемлемой частью фенотипа, но часто становится таксономическим признаком и в зависимости от поведения организм может быть по-разному классифицировано.

Детали и применимость разных типов поведения для использования в технических системах будет обсуждаться в соответствующих разделах курса, сейчас же важны два момента.

Во-первых, хотя все типы поведения обязательно имеют если не мотив, то причину, но осознаваемая цель появляется лишь в поведении разумного типа, в этом смысле только оно может быть деятельностью, как она понимается выше.

Во-вторых, никакие из процессов в живом организме — ни связанные с его физиологией, ни с каким-либо из типов поведения (за исключением, возможно, некоторых видов поведения разумного типа) — не осуществляются по алгоритму, если понимать его как «набор инструкций, описывающих последовательность действий исполнителя для достижения некоторого результата». Другими словами, в организме нет ни реального, ни условного «компьютера», управляющего состоянием органов, их аппаратов и систем: изменение их состояний является лишь реакцией на информационные сигналы того или иного рода.

Так, в человеческом организме гуморальный механизм управления в качестве средств управления и передачи информации использует химические вещества: продукты обмена веществ, простагландины, регуляторные пептиды, гормоны и др. (так, накопление молочной кислоты в мышцах при физической нагрузке является источником информации о недостатке кислорода), а нервный механизм в качестве средства управления, передачи информации использует потенциалы возбуждения, которые объединяются в определенные паттерны («рисунки» возбуждения) по частоте, набору в «пачках», характеристикам межимпульсных интервалов и кодируют необходимую информацию.

Точно так же разные активности в разных типах поведения даже если и называются «программами поведения», но являются лишь реакциями на соответствующие раздражители, либо на изменение значений мотивационных переменных (как правило, связанных физиологическими потребностями: чувствами голода, жажды, страха, половой возбудимостью).

Биоморфная метафора технических систем

Машины как люди

В экономической теории осуществлять деятельность (быть субъектом деятельности) может только человек, а создаваемые им инструменты, машины или приручаемые животные становятся средством деятельности.

Однако в биологии, зоопсихологии или этологии вполне принято говорить о деятельности применительно к живым организмам, рассматривая ее как форму целенаправленного поведения (в отличие, к примеру, от рефлексивных реакций на раздражитель). Поэтому для нас вполне естественно говорить, к примеру, о поведении служебной собаки, которая с экономической точки зрения является лишь средством в деятельности по охране объекта.

В этом смысле для удобства дальнейшего изложения удобно говорить о «поведении» или «деятельности» технических систем. Психологически это не станет проблемой, поскольку вследствие присущего человеку антропопатизма ему свойственно наделять всё живое вокруг «душой», «разумом», «свободой воли», разговаривать со своим холодильником или даже с утюгом, особенно когда сломается. Это данность.

Последнее, кстати, важно: человек очень четко разделяет механические или автоматические действия и то, когда машина ведет себя «как живая». Для водителей, к примеру, естественно говорить о поведении машины на больших скоростях или поведении машины в заносе, т. е. тогда, когда она не отрабатывает «механически» команды управления. А робот — это вообще проявление крайней степени антропоморфизма, «машина, действующая как человек». В Большой советской энциклопедии, например, прямо появляются ключевые слова «поведение» и «взаимодействие с окружающем миром»: «Робот — это машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром».

Люди как машины

Выше говорилось об антропоморфной или биоморфной метафоре, в которой деятельность машины уподоблялась человеческой. Такая метафора возможна потому, что законы любой организованной деятельности едины, и Льюис Мамфорд, к примеру, говорит о «человеческих машинах» применительно к участникам строительства грандиозных сооружений древности: «Схожие по организации, по способу работы, по темпу производства и по конечному продукту, машины, которыми строились пирамиды и большие храмы и которыми выполнялись все крупные строительные работы „цивилизации“ в других краях и культурах, — были, бесспорно, настоящими машинами. Своими основными действиями они коллективно выполняли эквивалент операций целого множества экскаваторов, бульдозеров, тракторов, механических пил и пневматических дрелей, с такой точностью измерений, чистотой приемов и ровным количеством выработки, какие могли бы и сегодня послужить предметом гордости».

Важно, что «у рабочих, воплощавших все эти замыслы, тоже развилось мышление нового порядка — механически обусловленное, исполнявшее каждое задание в строжайшем соответствии с инструкциями, безгранично терпеливое, ограничивавшее реактивность лишь повиновением словам приказа. Машинную работу может выполнять только машина. Личность рабочих, пока они были заняты трудом, как бы сводилась исключительно к рефлексам, чтобы обеспечивать механически совершенное исполнение».

Схожие задачи организации деятельности решают менеджеры, организующие бизнес-процессы, технологи, выстраивающие процесс производства, или офицеры в процессе военных действий: у них у всех в распоряжении есть ресурсы, между которыми они должны распределить отдельные элементы деятельности и обеспечить их исполнение так, чтобы получить требуемый результат.