V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Умный город
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Тип проекта:
По характеру результатов: информационный.
По форме: практикозначимый.
По профилю знаний: межпредметный.
По числу участников: индивидуальный.
По уровню контактов: внутришкольный.
По продолжительности: долгосрочный.
На основе материалов: исследовательский, информационный, практико-направленный.
Цели проекта:
изучение объектно-ориентированного программирования Mowey World для робота Moway;
изучение объектно-ориентированного программирования в среде Scratch для Smart City.
создание города для безопасного проживания;
Задачи проекта:
Задачи, направленные на формирование личностных результатов учащегося:
развитие мотивов учебной деятельности и формирование личностного смысла учения;
развитие навыков сотрудничества со взрослыми в разных социальных ситуациях;
Задачи, направленные на формирование метапредметных результатов:
формирование умения работать с информацией (сбор, систематизация, хранение, использование);
формирование умения принимать и сохранять цель и учебные задачи проектной деятельности;
развитие операций мышления: сравнения, сопоставления, анализа, синтеза, обобщения, классификации;
развитие умения использовать различные способы поиска информации (в справочниках, энциклопедиях, сети Интернет и др.);
Задачи, направленные на формирование предметных результатов:
овладение умением объектно-ориентированного программирования для возможности удаленного управления роботом и его автономной работой;
разработать программы для функционирования робота и модели города;
Необходимое оборудование: компьютер, программируемый робот Moway, среда Moway World, среда Scratch, программируемый комплекс Smart City.
Вопрос проекта: можно ли с помощью комплекса Smart City создать город в котором безопасно проживание.
Предполагаемый продукт проекта: умный город.
Этапы работы над проектом:
Первый этап (сентябрь-ноябрь): учащийся 7 класса самостоятельно формулирует темы проекта и работает над созданием программируемой основы робота, создание мини проекта; просмотр литературы по данной тематике;
Второй этап (декабрь): защита мини проекта;
Третий этап (декабрь-январь): изучение объектно-ориентированного языка программирования в средах Moway World и Scratch;
Четвертый этап (февраль): программирование и тестирование полученного экспоната, подготовка презентации;
Пятый этап (март-апрель): представление проекта на научно практической конференции;
План работы над проектом
1.Аналитический блок.
1.1 Определение целей.
1.2 Формирование задач проекта.
1.3 Актуальность проекта
2.Этапы работы над проектом.
2.1 Самостоятельное формулирование темы исследования; просмотр литературы по данной тематике.
2.2 Отбор материала для проекта и его оформление, создание презентации.
2.3 Представление проекта на уроках информатики в 7-8-ых классах;
2.4 Изучение общественного мнения и оформление результатов;
2.5 Расчет стоимости проекта.
3. Итог работы над проектом.
3.1 Защита проекта на научно-практической конференции;
3.2 Сфера применения проекта.
Аннотация.
Созданный и запрограммированный MOway Smart City ресурс, который вместе с mOway-роботом помогает разработать и понять концепцию «Умного города». Данный проект стимулирует способ изучения и получения представления об электронике и программировании, так как результаты можно увидеть сразу же. Кроме того, работа с примерами из реальной жизни (автоматическое включение света, управление шлагбаумами, системой безопасности транспортных средств и прочее) помогает быстрее постигать и усваивать новые понятия.
MOway-робот и Scratch расширяют возможности объектов «Умного города», создавая среду, которая сочетает в себе программирование на компьютере, реальный мир и программирование физических объектов.
Введение.
В современных условиях с появлением новых требований к развитию города и обеспечению его конкурентоспособности возникает модель «умного города». Актуальность использования этой модели в российских реалиях обусловлена связью между необходимостью внедрения инноваций, повышения эффективности функционирования города, а также улучшения качества жизни жителей. Развитие умного города требует привлечения значительных инвестиций и тщательного изучения возможности применения различных мер в конкретных условиях выбранного города.
Словосочетание «умный город» (SmartCity) в последнее время становится очень популярным. На сегодняшний день четкого и единого определения этого понятия не существует. При этом его значение довольно широкое и по сути неопределенное, что приводит к расхождениям в целях его использования. Термин, придуманный маркетологами, не имеет четких критериев достижимости, как следствие отсутствует единая стратегия и появляется желание присваивать статус «Умный» любой новой технологии и нововведению. Чаще всего это понятие ассоциируется с инновационным развитием городов и подразумевает создание безопасной среды.
Для того чтобы разобраться с его значением, необходимо обратить внимание на то, насколько верно этот термин был переведен с английского языка.
В английском языке слово «smart» означает «сильный», «крепкий», «умный». Цифровые города постоянно улучшают свои функции за счет непрерывной обработки и обновления сведений.
Разработанность проблемы:
Понятие умный город можно использовать, чтобы обозначить различные успехи или инновации городской среды, например, «кибергород» или «цифровой город», «город знаний», «экологический город». Смысл, который придается этому термину, зависит от целей городского управления. Умные города нацелены на потребление инноваций и устремлены в будущее. Они следят за состоянием важнейших объектов городской инфраструктуры для оптимизации ресурсов и поддержания безопасности. Умные города направлены на постоянное повышение качества и количества предоставляемых услуг, чтобы обеспечить качественную и устойчивую среду, для комфортной и здоровой жизни населения. В основе оказания этих услуг лежат информационно- коммуникационные технологии.
Термины «умный город» или «интеллектуальная территория» стали доступны всего лишь 20-25 лет назад, в начале 1990х Торонто был назван «умным городом», Кремниевая долина - «умной долиной», а Сингапур - «умным островом». В те времена немногие последовали их примеру и стали уделять внимание развитию инновационной среды.
Актуальность:
В современных условиях с появлением новых требований к развитию города и обеспечению его конкурентоспособности возникает модель «умного города». Актуальность использования этой модели в российских реалиях обусловлена связью между необходимостью внедрения инноваций, повышения эффективности функционирования города, а также улучшения качества жизни жителей. Развитие умного города требует привлечения значительных инвестиций и тщательного изучения возможности применения различных мер в конкретных условиях выбранного города.
Проблема: можно ли создать "умный" город.
В течение учебного года мною велась работа по созданию и программированию умного города.
Цель моего проекта: создать "умный" город.
Задачи проекта:
Задачи, направленные на формирование личностных результатов:
развитие мотивов учебной деятельности и формирование личностного смысла учения;
развитие навыков сотрудничества со взрослыми в разных социальных ситуациях;
Задачи, направленные на формирование метапредметных результатов:
формирование умения работать с информацией (сбор, систематизация, хранение, использование);
формирование умения принимать и сохранять цель и учебные задачи проектной деятельности;
развитие операций мышления: сравнения, сопоставления, анализа, синтеза, обобщения, классификации;
развитие умения использовать различные способы поиска информации (в справочниках, энциклопедиях, сети Интернет и др.);
Задачи, направленные на формирование предметных результатов:
овладение умением объектно-ориентированного программирования для возможности удаленного управления роботом и его автономной работой;
разработать программу для функционирования различных устройств города;
разработать программу для функционирования робота MOway.
Методы работы:
изучение технической литературы;
практическая работа;
испытание;
корректировка технических ошибок;
анализ и систематизация материала.
Глава 1. Конструкторский раздел.
Для данного проекта использовался робот MOway и платформа mOway Smart City. Робот запрограммирован с помощью среды MOway World. Платформа состоит из аппаратной и программной частей. Для программирования Smart City использовался объектно-ориентированный язык в среде Scrath.
робот Mowey; (Приложение 1)
mOway Smart City; (Приложение 2)
присоединяемые устройства;
сенсоры.(Приложение 1)
шлагбаум (Приложение 1).
фонари (Приложение 1).
неприсоединяемые устройства.
тоннель.
шикана.
дорожные знаки.
Управление роботом происходит благодаря программе, которая "залита" в робота.
MOway Smart City позволяет получать информацию об окружающем мире. Платформа работает аналогично нашим чувствам восприятия. Благодаря сенсорам город может изучать окружающую среду. Сенсоры позволяют включить фонари, именно тогда, когда мало света, или опустить шлагбаум, именно тогда, когда автомобиль пересекает площадь, или имеется риск столкновения.
Световой сенсор – это устройство, которое измеряет количество света в определенном месте. Например, в автомобилях сенсор может использоваться для того, чтобы автоматически включить свет при въезде в туннель или при наступлении ночи. В городе, он может использоваться для того, чтобы различать день и ночь и знать, когда нужно включить или выключить уличное освещение. После того, как все устройства подключены к входным портам на плате контроллера (CON1, CON2, CON3, и т.д.), плату подключают к компьютеру с помощью USB – миниUSB кабеля.( Приложение 3)
Глава 2. Программный раздел.
Для начала программирования необходимо установить среду программирования на компьютер. Минимальные ресурсы должны соответствовать2:
Операционная система Windows ( Vista, 7, 8) или MacOS (10.6, 10.7, 10.8);
2 ГБ оперативной памяти;
Процессор 1.5 ГГц;
750 Мб свободного дискового пространства;
Разрешение экрана 1024*600;
MicrosoftSilverlight 5.0;
Microsoft .NET 4.0;
среда программирования Scrath.
После запуска программы появляется окно среды программирования. (Приложение 2).
Программные блоки представлены в различных категориях и отличаются по цвету.
Движение – синий цвет;
Контроль – оранжевый цвет;
Датчики -желтый цвет;
Операции над данными - зеленый цвет,
Дополнительные – синий; (приложение 3)
Программы представлены для различных элементов не в полном объеме (Приложение 3):
В ходе тестирования полученной модели умного города был отмечен ряд интересных особенностей:
экономия электроэнергии;
замена физического труда человека в процессе охраны объектов ;
использование в зимнее время года;
городской шлагбаум регулирует движение и предотвращает столкновения между транспортными средствами;
Передо мной стояла задача запрограммировать робот MOway и платформу mOway Smart City, таким образом, чтобы когда уровень освещения снизится до 30%, фонарь и столб с тремя светодиодами включатся на максимальную мощность. С другой стороны, если значение светового сенсора станет выше 30%, все светодиоды погаснут. В этих ситуациях, в Scratch костюмы фонарей будут меняться, чтобы наглядно показать, что фонари включены или выключены. Когда уровень освещения станет ниже 30%, мы изменим «дневной» сценарий на «ночной» (Приложение 3). Городской шлагбаум запрограммирован так, чтобы регулировать движение и предотвращать столкновения между транспортными средствами. Приближаясь к пересечению автомобильных дорог, мы уступим дорогу автомобилю приближающемуся справа. В этом случае, когда второй сенсор присутствия обнаружит приближающийся автомобиль, он опустит шлагбаум, чтобы преградить путь другим автомобилям, которые находятся слева (Приложение 3). Программа представляет набор графических блоков, которые можно перетаскивать и «собирать» из них программы. Для каждой операции записывается свая подпрограмма. Задача робота считывать датчиками черную полосу и двигаться по ней. Программа работы робота состоит из отдельных подпрограмм.
Глава 3. Исследовательский раздел.
В процессе работы над проектом мною сделаны следующие выводы:
Размеры робота должны соответствовать выполняемой работе.
В комплектацию робота необходимо включить камеру, с помощью которой управляющий персонал может оперативно реагировать для улучшения "умного" города.
Созданная мной модель умного города - это попытка совершить рывок в отрасли коммунального хозяйства и отрасли охраны, для создания безопасности и экономии ресурсов жителям-простым гражданам. В дальнейшем планируется управление платформа mOway Smart City с помощью мобильного телефона. Данный проект мне позволил по-новому взглянуть конструкторы mOway, научил меня программировать в среде Scratch.
Глава 4.Экономический раздел.
Межамериканский банк развития (Inter-American Development Bank) в 2016 году опубликовал доклад «Дорога к умным городам» («The Road toward Smart Cities»), где подсчитал затраты на создание базовых компонентов «умной инфраструктуры» для гипотетического города с населением в 250000 -500000 человек. В рассматриваемый проект было заложено развертывание 600 км оптоволокна (50 км магистральных каналов и 550 км «последней мили»), установка камер видеонаблюдения, датчиков и компьютеров, создание ряда прикладных систем и базы данных, строительство ситуационного центра и обучение служащих. Всего к системе должно было быть подключено около 100 административных и муниципальных зданий. В результате оценка предполагаемых вложений составила $20-30 млн, что сопоставимо, например, с инвестициями в перспективный коммерческий IT-стартап.
Если перевести эти цифры на 100 крупнейших городов России, то затраты составят $3-4,6 млрд без учета инвестиций в цифровые технологии на уровне регионов, со стороны бизнеса и т.д. Получается, что речь идет не о таких уж космических суммах, как могло бы показаться на первый взгляд.
Затраты проекта:
|
Наименование продукта |
количество |
Стоимость, рубль Курс евро по ЦБ -70.56 |
|
Город Moway Smart City (1 площадка с трассой, 16 конструкций для площадки, 2 датчика присутствия Moway, 3 уличных фонаря, 1 шлагбаум, 1 управляющий контроллер, 1 датчик света, 1 тоннель, 8 кабелей USB-mini USB |
1 набор |
32245 |
|
Робот MOway |
1 шт |
3500 |
|
Ноутбук |
1 шт |
19000 |
|
Итого |
54745 |
|
Заключение.
Сейчас во всем мире не так много smart cities в глобальном соотношении, при этом создание умного города – трудоемкий и денежно-затратный процесс, который затрагивает все слои инфраструктуры.
В процессе выполнения проекта мною освоено программно-ориентированное программирование в среде Scratch. Мне удалось создать "умный" город.
Литература:
1. ITU News Magazine [Электронный ресурс] // «Умные» города. - (https://itunews.itu.int/ru/Note.aspx?Note=4231.)
2. Журнал Европея-Life [Электронный ресурс] // 10 самых умных городов мира. – ( http://europeya-life.ru/10-samyx-umnyx-gorodov-mira/.)
3. ИТ-журнал Intelligent Enterprise [Электронный ресурс] // Умные города. Перспективы развития в России. – (http://www.iemag.ru/analitics/detail.php?ID=34007.)
4. О.Б. Ганин [Электронный ресурс] // Умный город: перспективы и тенденции развития. – (http://cyberleninka.ru/article/n/umnyy-gorod-perspektivyi-tendentsii-razvitiya.)
5. Компания Умный Город [Электронный ресурс] // Главное об умном. – (http://city-smart.ru/.)
6. Компания Green Capacity [Электронный ресурс] // Умные города. – (http://greencapacity.ru/ru/information/smart-cities.)
7. М.К. Акагеев [Электронный ресурс] // Концепция умных городов. – (http://www.energosovet.ru/stat850.html.)
8. Павел Лебедев [Электронный ресурс] // Нужны ли России умные города? - (http://www.cnews.ru/reviews/infrastructure2014/articles/nuzhny_li_rossii_umnye _goroda/.)
Приложение 1.
Программируемый робот Mowey c камерой.
Фонари.
Шлагбаум и датчик.
Способ подключения датчиков.
Приложение 2.
Smart City
Окно среды программирования Smart City.
Приложение 3
Скрипт для шлагбаума.
Скрипт для "Фонарей"
Блоки команд.
Плате контроллера (CON1, CON2, CON3).